DE102023104335B3 - Illumination module, microscope and procedure - Google Patents

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DE102023104335B3 DE102023104335.8A DE102023104335A DE102023104335B3 DE 102023104335 B3 DE102023104335 B3 DE 102023104335B3 DE 102023104335 A DE102023104335 A DE 102023104335A DE 102023104335 B3 DE102023104335 B3 DE 102023104335B3
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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 WAGNER, Nils [u.a.]: Deep learning-enhanced light-field imaging with continuous validation. In: Nature Methods, Vol. 18, 2021, No. 5, S. 557-563. ISSN 1548-7105 (E); 1548-7091 (P) wurde gezeigt, dass sich die Geschwindigkeit der Bildrekonstruktion um mehrere Größenordnungen verbessern lässt, wenn anstelle von klassischen Rekonstruktionsalgorithmen wie etwa dem Richardson-Lucy-Algorithmus speziell trainierte neuronale Netzwerke verwendet werden. Jedoch macht es dieser Ansatz erforderlich, dass das neuronale Netzwerk für verschiedene Arten von Proben jeweils neu trainiert werden muss, wofür sogenannte Ground-Truth-Daten zur Verfügung gestellt werden. Dies sind Daten, die es erlauben, die Qualität des angewandten Rekonstruktionsmodells zu überprüfen.In the publication WAGNER, Nils [ua]: Deep learning-enhanced light-field imaging with continuous validation. In: Nature Methods, Vol. 18, 2021, No. 5, pp. 557-563. ISSN 1548-7105 (E); 1548-7091 (P) it was shown that the speed of image reconstruction can be improved by several orders of magnitude if specially trained neural networks are used instead of classical reconstruction algorithms such as the Richardson-Lucy algorithm. However, this approach requires that the neural network must be retrained for different types of samples, for which so-called ground truth data is provided. This is data that allows the quality of the applied reconstruction model to be checked.

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 BROXTON, Michael [u.a.]: Wave optics theory and 3-D deconvolution for the light field microscope. In: Optics Express. 2013, Bd. 21, H. 21, S. 25418-25439. ISSN 1094-4087 (E). beschrieben ist. Dieses Lichtfeldmikroskop umfasst einen Laser mit einer speziellen Optik, die es ermöglicht, das gesamte Probenvolumen, das von der Lichtfeldkamera abgebildet wird, zu beleuchten. Neben dem Hauptmikroskop kommt ein zweites Mikroskop zum Einsatz, bei dem eine Probenebene selektiv mit einem dynamisch erzeugten Lichtblatt beleuchtet und auf eine Kamera abgebildet wird. Unter Verwendung eines Paars von Galvanometerspiegeln wird dann die Probe mit einem von einem zweiten Laser erzeugten Lichtblatt längs der optischen Achse des Detektionsobjektivs abgetastet, um sequenziell einen 3D-Bildstapel zu erzeugen, der als Grundlage für das Training des neuronalen Lichtfeld-Netzwerks dient.In the aforementioned publication by Wagner et al., a system is used that basically consists of two microscopes. The main microscope is a light field microscope based on a design such as that described in the publication by BROXTON, Michael [et al.]: Wave optics theory and 3-D deconvolution for the light field microscope. In: Optics Express. 2013, Vol. 21, No. 21, pp. 25418-25439. ISSN 1094-4087 (E). This light field microscope includes a laser with special optics that allow the entire sample volume imaged by the light field camera to be illuminated. In addition to the main microscope, a second microscope is used in which a sample plane is selectively illuminated with a dynamically generated light sheet and imaged onto a camera. Using a pair of galvanometer mirrors, the sample is then scanned along the optical axis of the detection objective with a light sheet generated by a second laser to sequentially generate a 3D image stack that serves as the basis for training the light field neural network.

Aus den Dokumenten DE 10 2019 214 929 A1 und HEDDE, P. N. ; GRATTON, E.: Selective Plane Illumination Microscopy with a Light Sheet of Uniform Thickness Formed by an Electrically Tunable Lens. In: Microscopy Research and Technique, 81, 2018, 924 - 928. - ISSN 1097-0029 , sind Lichtblattmikroskope bekannt, bei denen sich das Lichtblatt mit Hilfe einer elektrisch durchstimmbaren Linse verschieben lässt.From the documents EN 10 2019 214 929 A1 and HEDDE, PN ; GRATTON, E.: Selective Plane Illumination Microscopy with a Light Sheet of Uniform Thickness Formed by an Electrically Tunable Lens. In: Microscopy Research and Technique, 81, 2018, 924 - 928. - ISSN 1097-0029 , light sheet microscopes are known, in which the light sheet can be moved using an electrically tunable lens.

Das Dokument MADRID-WOLFF, J. [et. al.]: Light-sheet enhanced resolution of light field microscopy for rapid imaging of large volumes. In: Proc. SPIE Three-Dimensional and Multidimensional Microscopy: Image Acquisition and Processing XXV, 10499, 23.02.2018, 1 - 9. - ISSN 0277-786X offenbart die Kombination eines Lichtblattmikroskops mit einem Lichtfeldmikroskops.The document MADRID-WOLFF, J. [et. al.]: Light-sheet enhanced resolution of light field microscopy for rapid imaging of large volumes. In: Proc. SPIE Three-Dimensional and Multidimensional Microscopy: Image Acquisition and Processing XXV, 10499, 23.02.2018, 1 - 9. - ISSN 0277-786X reveals the combination of a light sheet microscope with a light field microscope.

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 KIRKBY, Paul A. ; NADELLA, K.M. Naga Srinivas ; SILVER, R. Angus: A compact acousto-optic lens for 2D and 3D femtosecond based 2-photon microscopy. In: Optics Express (OpEx), Bd. 18, 2010, H. 13, S. 13720-13744. - ISSN 1094-4087 (E) verwiesen.In a further alternative embodiment, the optical switching element can have an arrangement of acousto-optical deflectors (AOD) which, by applying different radio frequencies or by switching these radio frequencies on and off, have the same effect as a lens with variable focal length. Depending on the design, the focal length can be different in the two lateral spatial directions. For example, reference is made to the publication of KIRKBY, Paul A. ; NADELLA, KM Naga Srinivas ; SILVER, R. Angus: A compact acousto-optic lens for 2D and 3D femtosecond based 2-photon microscopy. In: Optics Express (OpEx), Vol. 18, 2010, No. 13, pp. 13720-13744. - ISSN 1094-4087 (E) referred to.

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 aus 1 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 in 3(A) in der ersten optischen Einstellung, in der die lichtblattartige Lichtverteilung erzeugt wird, und in 3(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 in 4(A) in der ersten optischen Einstellung, in der die lichtblattartige Lichtverteilung erzeugt wird, und in 4(B) in der zweiten optischen Einstellung befindet, in der die volumenartige Lichtverteilung erzeugt wird;
  • 5 ein Mikroskop in einer Schnittansicht, welches das Beleuchtungsmodul aus den 1 und 2 enthält, wobei sich das optische Schaltelement in der ersten optischen Einstellung zur Erzeugung der lichtblattartigen Lichtverteilung befindet;
  • 6 das Mikroskop aus 5 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 den 5 und 6.
In the following, embodiments are explained in more detail with reference to the figures. They show:
  • 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 module 1 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 in 3(A) in the first optical setting, in which the light sheet-like light distribution is generated, and in 3(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 in 4(A) in the first optical setting, in which the light sheet-like light distribution is generated, and in 4(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 the 1 and 2 wherein the optical switching element is in the first optical setting for generating the light sheet-like light distribution;
  • 6 the microscope 5 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 the 5 and 6 .

1 zeigt in schematischer Darstellung ein für ein Mikroskop bestimmtes Beleuchtungsmodul 100 in zwei orthogonalen Schnittansichten. Bezugnehmend auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem x-y-z ist das Beleuchtungsmodul 100 in dem oberen Teilbild (A) der 1 in einem x-z-Schnitt und in dem unteren Teilbild (B) der 1 in einem y-z-Schnitt dargestellt. 1 shows a schematic representation of an illumination module 100 intended for a microscope in two orthogonal sectional views. Referring to a rectangular coordinate system xyz, the illumination module 100 is shown in the upper part of the image (A) of the 1 in an xz-section and in the lower part (B) of the 1 shown in a yz-section.

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 1 gezeigt und in den anderen Figuren weggelassen.The illumination module 100 comprises a light source 102 which is designed to emit illumination light 104 into an illumination beam path 106 which leads to a sample 108 to be illuminated. The light source 102 comprises, for example, one or more lasers 110 whose laser light is coupled into an optical fiber 112. The light exit end of the optical fiber 112 represents a point source which feeds the illumination light 104 to the illumination beam path 106. For the sake of simplicity, the coupling of the laser 110 to the optical fiber 112 is only shown in the upper part of the image (A) of the 1 shown and omitted in the other figures.

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 1 gezeigt ist. In dem Beispiel nach 1 liegt die Lichtblattebene somit in der x-z-Ebene.The illumination module 100 further comprises a focusing optical system arranged in the illumination beam path 106, e.g. an objective 114, which directs the illumination light 104 onto the sample 108. In the illumination beam path 106 there is a light sheet generating component 116 which is arranged upstream of the objective 114 in the direction of light propagation. The light sheet generating component 116 serves, in cooperation with the objective 114, to form the illumination light 104 into a light sheet-like light distribution in order to selectively illuminate the sample 108 in a sample plane. In the embodiment shown, a light sheet 118 is thus generated in the sample 108, the extent of which in the x-direction is many times greater than in the y-direction, as shown in the right-hand part of the 1 In the example shown in 1 The light sheet plane is therefore in the xz-plane.

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 1 gezeigt ist. Dagegen bleibt der Strahlquerschnitt des Beleuchtungslichtes 104 beim Durchtritt durch die Zylinderlinse 120 in y-Richtung im Wesentlichen unbeeinflusst, wie das Teilbild (B) der 1 zeigt.The light sheet generation component 116 comprises, for example, an astigmatic optical system such as a cylindrical lens 120, the light entry surface of which is curved only in the x-direction, while it is flat in the y-direction. The cylindrical lens 120 thus expands the beam cross-section of the illumination light 104 passing through it in the x-direction, as shown in partial image (A) of the 1 In contrast, the beam cross section of the illumination light 104 remains essentially unaffected when passing through the cylindrical lens 120 in the y-direction, as shown in the partial image (B) of the 1 shows.

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 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dem optischen Schaltelement 122 ein Kollimator 124 vorgeordnet, der das Beleuchtungslicht 104, das die Lichtleitfaser 112 als divergentes Strahlenbündel aussendet, kollimiert und auf das optische Schaltelement 122 richtet.The illumination module 100 further comprises an optical switching element 122 in the illumination beam path 106. As explained in detail below, the optical switching element 122 has the function of switching between a 2D and a 3D illumination of the sample 108. In the 1 In the embodiment shown, a collimator 124 is arranged upstream of the optical switching element 122, which collimates the illumination light 104, which the optical fiber 112 emits as a divergent beam, and directs it onto the optical switching element 122.

Das optische Schaltelement 122 ist zwischen zwei optischen Einstellungen umschaltbar. In einer ersten optischen Einstellung, die in 1 gezeigt ist, ermöglicht das optische Schaltelement 122 die selektive Lichtblattbeleuchtung einer Probenebene. In dem Ausführungsbeispiel nach 1 wird dies dadurch erreicht, dass das optische Schaltelement 122 das Beleuchtungslicht 104, das von der Zylinderlinse 120 im Zusammenwirken mit dem Objektiv 114 zu dem Lichtblatt 118 geformt wird, weitgehend unbeeinflusst lässt. Dies bedeutet, dass das optische Schaltelement 122 in der ersten optischen Einstellung keine brechende Wirkung auf das Beleuchtungslicht 104 ausübt.The optical switching element 122 can be switched between two optical settings. In a first optical setting, which is 1 As shown, the optical switching element 122 enables the selective light sheet illumination of a sample plane. In the embodiment according to 1 This is achieved in that the optical switching element 122 leaves the illumination light 104, which is formed into the light sheet 118 by the cylindrical lens 120 in cooperation with the objective 114, largely unaffected. This means that the optical switching element 122 does not exert any refractive effect on the illumination light 104 in the first optical setting.

In einer zweiten optischen Einstellung, die in 2 gezeigt ist, sorgt hingegen das optische Schaltelement 122 dafür, dass das Beleuchtungslicht 104 nicht mehr zu einer lichtblattartigen Lichtverteilung, sondern zu einer volumenartigen Lichtverteilung 128 geformt wird. Dies ist im rechten Teil der 2 gezeigt, wonach die Lichtverteilung 128 in y-Richtung eine deutlich größere Ausdehnung als das in 1 gezeigte Lichtblatt hat. Wie in 2 veranschaulicht, hat das optische Schaltelement 122 in seiner zweiten optischen Einstellung eine fokussierende Wirkung auf das Beleuchtungslicht 104, das als kollimiertes Strahlbündel auf das optische Schaltelement 122 fällt.In a second optical setting, which is 2 is shown, the optical switching element 122 ensures that the illumination light 104 is no longer formed into a light sheet-like light distribution, but into a volume-like light distribution 128. This is shown in the right part of the 2 shown that the light distribution 128 in the y-direction has a significantly larger extent than that in 1 shown light sheet. As in 2 As illustrated, the optical switching element 122 in its second optical setting has a focusing effect on the illumination light 104, which falls on the optical switching element 122 as a collimated beam.

In dem Beispiel nach 2 ist das optische Schaltelement 122 ausgebildet, das Beleuchtungslicht 104 in der zweiten optischen Einstellung in die hintere Brennebene des Objektivs 114 oder in deren Nähe zu fokussieren. Dies bedeutet, dass das optische Schaltelement 122 das Beleuchtungslicht 104 in diesem Beispiel im Wesentlichen in die Eintrittspupille des Objektivs 114 fokussiert. Es kommt dabei auch zu einer signifikanten Fokussierung des Beleuchtungslichts 104 im Bereich der Zylinderlinse 120. Dadurch findet eine Umschaltung der in 1 gezeigten 2D-Lichtblattbeleuchtung hin zu der in 2 gezeigten 3D-Volumenbeleuchtung statt. Diese Umschaltung wird über eine Steuereinheit 126 veranlasst, die das optische Schaltelement 122 entsprechend steuert. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Steuereinheit 126 wiederum lediglich in dem Teilbild (A) der 1 gezeigt und in den anderen Figuren weggelassen.In the example after 2 the optical switching element 122 is designed to focus the illumination light 104 in the second optical setting into the rear focal plane of the objective 114 or in the vicinity thereof. This means that the optical switching element 122 focuses the illumination light 104 in this example essentially into the entrance pupil of the objective 114. This also results in a significant focusing of the illumination light 104 in the area of the cylindrical lens 120. This results in a switching of the 1 shown 2D light sheet illumination to the one in 2 This switching is initiated by a control unit 126, which controls the optical switching element 122 accordingly. To simplify the illustration, the control unit 126 is again only shown in the partial image (A) of the 1 shown and omitted in the other figures.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ist das optische Schaltelement 122 eine optische Linse, z. B. eine Flüssiglinse, deren Brennweite über die Steuereinheit 126 variierbar ist. Eine solche Ausführung ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. So kann das optische Schaltelement 122 z.B. auch als deformierbarer Spiegel oder räumlicher Lichtmodulator (SLM) ausgeführt sein, dessen Wirkung auf das Beleuchtungslicht 104 über die Steuereinheit 126 variierbar ist.In the embodiment according to the 1 and 2 the optical switching element 122 is an optical lens, e.g. a liquid lens, whose focal length can be varied via the control unit 126. However, such an embodiment is only to be understood as an example. The optical switching element 122 can also be designed, for example, as a deformable mirror or spatial light modulator (SLM), whose effect on the illumination light 104 can be varied via the control unit 126.

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 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann das optische Schaltelement 122 auch so ausgebildet sein, dass es bei einer Umschaltung zwischen den beiden Schaltzuständen den Abstand zwischen der Lichtquelle 102 und der Eintrittspupille des Objektivs 114 in geeigneter Weise verändert.Apart from the specific design of the optical switching element 122, the illumination light 104 for the purpose of switching between the light sheet illumination and the volume illumination can also be implemented in a fundamentally different manner than in the 1 and 2 shown embodiment. For example, the optical switching element 122 can also be designed such that when switching between the two switching states, it changes the distance between the light source 102 and the entrance pupil of the lens 114 in a suitable manner.

In 3 ist ein Beleuchtungsmodul 200 gezeigt, das ein weiteres Ausführungsbeispiel darstellt. Diejenigen Komponenten des Beleuchtungsmoduls 200, die den Komponenten des in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In 3 A lighting module 200 is shown, which represents a further embodiment. Those components of the lighting module 200 which correspond to the components of the 1 and 2 shown embodiment are designated by the same reference numerals.

Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel arbeitet das Beleuchtungsmodul 200 gemäß 3 mit einer dynamischen Lichtblatterzeugung, bei der das Lichtblatt durch Scannen des Beleuchtungslichtes 104 generiert wird. Dementsprechend enthält das Beleuchtungsmodul 200 anstelle des astigmatischen optischen Systems 116 eine Strahlablenkeinheit 230, die beispielsweise einen schnell beweglichen Abtastspiegel aufweist, der das Beleuchtungslicht 104 in einer Abtastbewegung über den zu beleuchtenden Probenbereich bewegt. Dabei ist die Zeit, in der das Beleuchtungslicht 104 über den zu beleuchtenden Probenbereich bewegt wird, deutlich kürzer als die typische Aufnahmezeit einer Kamera, auf die der Probenbereich abgebildet wird.In contrast to the previous embodiment, the lighting module 200 operates according to 3 with dynamic light sheet generation, in which the light sheet is generated by scanning the illumination light 104. Accordingly, instead of the astigmatic optical system 116, the illumination module 200 contains a beam deflection unit 230, which has, for example, a rapidly moving scanning mirror that moves the illumination light 104 in a scanning movement over the sample area to be illuminated. The time in which the illumination light 104 is moved over the sample area to be illuminated is significantly shorter than the typical recording time of a camera onto which the sample area is imaged.

In dem Ausführungsbeispiel nach 3 enthält das Beleuchtungsmodul 200 eine Relaisoptik 232, die zwischen der Strahlablenkeinheit 230 und dem Objektiv 114 angeordnet ist. Die Relaisoptik 232 ist beispielsweise aus einer Scanlinse 234 und einer Tubuslinse 236 gebildet. Die Relaisoptik 232 dient dazu, die Strahlablenkeinheit 230 auf die hintere Brennebene des Objektivs 114 abzubilden.In the embodiment according to 3 the illumination module 200 contains a relay optics 232, which is arranged between the beam deflection unit 230 and the objective 114. The relay optics 232 is formed, for example, from a scan lens 234 and a tube lens 236. The relay optics 232 serves to image the beam deflection unit 230 onto the rear focal plane of the objective 114.

In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich das optische Schaltelement 122 zwischen der Strahlablenkeinheit 230 und der Relaisoptik 232. In der ersten optischen Einstellung des Schaltelementes 122, die in 3 in dem oberen Teilbild (A) gezeigt ist, lässt das Schaltelement 122 das hindurchtretende Beleuchtungslicht 104 unbeeinflusst. Damit bleibt auch das Lichtblatt 118, das von der Strahlablenkeinheit 230 im Zusammenwirken mit dem Objektiv 114 generiert wird, von dem optischen Schaltelement 122 unbeeinflusst.In the 3 In the embodiment shown, the optical switching element 122 is located between the beam deflection unit 230 and the relay optics 232. In the first optical setting of the switching element 122, which is shown in 3 As shown in the upper part of the image (A), the switching element 122 leaves the illumination light 104 passing through unaffected. Thus, the light sheet 118, which is generated by the beam deflection unit 230 in cooperation with the lens 114, also remains unaffected by the optical switching element 122.

Wird das Schaltelement 122 hingegen in die zweite optische Einstellung geschaltet, die in dem unteren Teilbild (B) der 3 gezeigt ist, so fokussiert das Schaltelement 122 das Beleuchtungslicht 104 in die hintere Brennebene des Objektivs 114. Wiederum kann das optische Schaltelement 122 beispielsweise als optische Linse mit variabler Brennweite ausgeführt sein, sodass zum Zwecke der vorstehend genannten Fokussierung die Brennweite entsprechend eingestellt wird. Durch die Fokussierung des Beleuchtungslichts 104 in die hintere Brennebene des Objektivs 114 entsteht ein nahezu kollimierter Strahl, der in der Probe 108 die gewünschte volumenartige Lichtverteilung erzeugt. In der zweiten optischen Einstellung ist die Strahlablenkeinheit 230 deaktiviert. Die Strahlablenkeinheit 230 ist dann so eingestellt, dass das an ihr reflektierte Beleuchtungslicht 104 in dem Beleuchtungsstrahlengang 106 mittig längs der optischen Achse propagiert.If, however, the switching element 122 is switched to the second optical setting, which is shown in the lower part of the image (B) of the 3 As shown, the switching element 122 focuses the illumination light 104 into the rear focal plane of the objective 114. Again, the optical switching element 122 can be designed, for example, as an optical lens with a variable focal length, so that the focal length is adjusted accordingly for the purpose of the above-mentioned focusing. By focusing the illumination light 104 into the rear focal plane of the objective 114, an almost collimated beam is created, which generates the desired volume-like light distribution in the sample 108. In the second optical setting, the beam deflection unit 230 is deactivated. The beam deflection unit 230 is then set so that the illumination light 104 reflected by it in the illumination stage beam path 106 propagated centrally along the optical axis.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist das optische Schaltelement 122 der Strahlablenkeinheit 230 in dem Beleuchtungsstrahlengang nachgeordnet. Dadurch wird vermieden, dass das optische Schaltelement 122 in der zweiten optischen Einstellung einen Fokus des Beleuchtungslichtes 104 generiert, der sich in der Nähe der Strahlablenkeinheit 230 befindet. Jedoch fällt in dieser Konfiguration der durch die Strahlablenkeinheit 230 bewegte Lichtstrahl auf das Schaltelement 122. In Folge dieser Abtastbewegung können Aberrationen, die in dem optischen Schaltelement 122 auftreten, die Präzision der Probenbeleuchtung beeinträchtigen.In the embodiment according to 3 the optical switching element 122 is arranged downstream of the beam deflection unit 230 in the illumination beam path. This prevents the optical switching element 122 from generating a focus of the illumination light 104 in the second optical setting that is located near the beam deflection unit 230. However, in this configuration, the light beam moved by the beam deflection unit 230 falls on the switching element 122. As a result of this scanning movement, aberrations that occur in the optical switching element 122 can impair the precision of the sample illumination.

Um eine solche Beeinträchtigung zu vermeiden, kann das Beleuchtungsmodul 200 gemäß 4 abgewandelt werden. Bei dieser Abwandlung ist das optische Schaltelement 122 in Lichtausbreitungsrichtung vor der Strahlablenkeinheit 230 angeordnet. Damit führt das Beleuchtungslicht 104 am Ort des Schaltelementes 122 keine Abtastbewegung aus. Aberrationen, die möglicherweise in dem Schaltelement 122 auftreten, haben deshalb einen geringeren Einfluss auf die Beleuchtungsqualität.To avoid such interference, the lighting module 200 may be configured according to 4 In this modification, the optical switching element 122 is arranged in front of the beam deflection unit 230 in the direction of light propagation. The illumination light 104 therefore does not perform a scanning movement at the location of the switching element 122. Aberrations that may occur in the switching element 122 therefore have less influence on the quality of the illumination.

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 optical switching element 122 can be controlled in the desired manner via the control unit 126. In particular, it is possible to set the optical switching element 122 depending on the wavelength of the illumination light 104. If the switching element 122 is designed, for example, as a lens with a variable focal length, the light distributions required for sample illumination can be precisely set in the desired form, even if the wavelength of the illumination light is varied. Without such wavelength-dependent control of the switching element 122, undesirable aberrations could otherwise occur when the wavelength changes.

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 illumination light 104 emitted by the light source 102 depending on the setting parameters of the optical switching element 122. Thus, in a 3D imaging in which the sample 108 is illuminated with the volume-like light distribution, the intensity of the illumination light 104 will generally have to be higher than in the case of a 2D imaging in which the sample 108 is selectively illuminated in a plane with the light sheet.

Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass es die in 1 bis 4 gezeigten Konfigurationen ermöglichen, die gewünschten Lichtverteilungen für die 2D- und 3D-Bildgebung bei der gleichen Wellenlänge zu generieren. Darin unterscheiden sich diese Konfigurationen von herkömmlichen Lösungen, die zum Zwecke der Umschaltung zwischen zwei Beleuchtungsmodi in der Regel mit zwei getrennten Lichtquellen arbeiten, deren Licht unterschiedlicher Wellenlänge über einen dichroitischen Strahlteiler zu einem gemeinsamen Beleuchtungspfad vereinigt wird. Bei der hier vorgeschlagenen Lösung kann hingegen mit ein- und derselben Lichtquelle und insbesondere ohne dichroitischen Strahlteiler gearbeitet werden, um die verschiedenen Beleuchtungsmodi bereitzustellen.It should be noted in particular that it is the 1 to 4 The configurations shown make it possible to generate the desired light distributions for 2D and 3D imaging at the same wavelength. This is what distinguishes these configurations from conventional solutions, which generally use two separate light sources to switch between two illumination modes, whose light of different wavelengths is combined into a common illumination path via a dichroic beam splitter. The solution proposed here, on the other hand, can use one and the same light source and, in particular, without a dichroic beam splitter to provide the different illumination modes.

In den 5 und 6 ist ein Mikroskop 550 gezeigt, das ein Beleuchtungsmodul oben beschriebener Art enthält. Dabei wird im Folgenden angenommen, dass das Beleuchtungsmodul 100 der in den 1 und 2 gezeigten Konfiguration entspricht. Es versteht sich allerdings von selbst, dass auch die in den 3 und 4 gezeigten Konfigurationen sowie Abwandlungen davon in dem Mikroskop 550 zum Einsatz kommen können.In the 5 and 6 a microscope 550 is shown which contains an illumination module of the type described above. In the following it is assumed that the illumination module 100 of the type described in the 1 and 2 It goes without saying, however, that the configuration shown in the 3 and 4 shown configurations and variations thereof can be used in the microscope 550.

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. 5 veranschaulicht die 2D-Bildgebung in der ersten optischen Einstellung des Schaltelementes 122. Demgegenüber zeigt 6 die 3D-Bildgebung in der zweiten optischen Einstellung des Schaltelementes 122.In addition to the illumination module 100, the microscope 550 has a detection device 552, which serves to image the sample 108 illuminated in the respective mode in 2D or 3D. As explained above, the 2D/3D switching takes place via the optical switching element 122 contained in the illumination module 100. 5 illustrates the 2D imaging in the first optical setting of the switching element 122. In contrast, 6 the 3D imaging in the second optical setting of the switching element 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 detection device 552 has an objective 554 that is provided separately from the objective 114 of the illumination module 100 and that collects detection light from the illuminated sample 108. In the embodiment shown, the two objectives 114 and 554 are arranged with their optical axes perpendicular to one another. A beam splitter 556 is arranged downstream of the objective 554 in the direction of propagation of the detection light. This is designed, for example, as a neutral splitter and lets part of the detection light through while reflecting the other part.

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 beam splitter 556 is followed by a tube lens 558 and a camera 560. The tube lens 558 and the camera 560 form a first detection module 562, which is functionally assigned to the first optical setting of the optical switching element 122.

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 tube lens 564, a microlens arrangement 566 and a camera 568 are arranged one after the other in the beam path of the detection light reflected at the beam splitter 556. The tube lens 564, the microlens arrangement 566 and the camera 568 form a second detection module 570, which is assigned to the second optical setting of the optical switching element 122.

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 beam splitter 556 can also be replaced by a mirror that can be motorized into the beam path and removed again. Depending on the switch position, the detection light is either completely reflected or transmitted.

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 5 und 6 gezeigten Betriebsmodi umgeschaltet.In order to perform either 2D light sheet imaging using the first detection module 562 or 3D light field imaging using the second detection module 570 with the microscope 550, the optical switching element 122 is connected between the two in the 5 and 6 shown operating modes are switched.

Ein beispielhaftes Verfahren, das zur Bildrekonstruktion auf Basis einer kombinierten Lichtblatt-/Lichtfeldbildgebung basiert, ist in dem Flussdiagramm nach 7 gezeigt. An exemplary method for image reconstruction based on combined light sheet/light field imaging is shown in the flow chart of 7 shown.

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 sample 108 or of a sample similar to the sample 108 is first recorded. For each of these images, the optical switching element 122 is in the first optical setting, in which the illumination module 100 illuminates the sample with the light sheet 118. The respective image is recorded via the first detection module 562. In order to successively approach different sample planes, it is possible, for example, to move the sample 108 in the z direction. In addition to the image stack recorded with the first detection module 562 in the first optical setting of the switching element 122, a volume image of this sample is now recorded in the second optical setting of the switching element 122 with the second detection module 570.

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 illumination module 100 generates a volume-like light distribution in the sample 108. The optical switching element 122 of the illumination module 100 is in the second optical setting, in which the illumination light 104 is focused into the rear focal plane of the objective 114. In this way, a volume image of the sample 108 is generated using the light field technique using the second detection module 570.

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)

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 dem 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, wobei das optische Schaltelement (122) in der ersten optischen Einstellung die selektive Lichtblattbeleuchtung der Ebene der Probe (108) ermöglicht, indem es das Beleuchtungslicht (104), das von der Lichtblatterzeugungskomponente (116, 120, 230, 232) im Zusammenwirken mit dem fokussierenden optischen System (114) zu der lichtblattartigen Lichtverteilung (118) geformt wird, unbeeinflusst lässt, und das optische Schaltelement (122) in der zweiten optischen Einstellung das Beleuchtungslicht (104) zumindest im Zusammenwirken mit dem fokussierenden optischen System (114) zu einer volumenartigen Lichtverteilung (128) formt, die einen Volumenbereich der Probe (108) beleuchtet. 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 form 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 is, wherein the optical switching element (122) in the first optical setting enables the selective light sheet illumination of the plane of the sample (108) by leaving the illumination light (104) that is shaped by the light sheet generation component (116, 120, 230, 232) in cooperation with the focusing optical system (114) into the light sheet-like light distribution (118) uninfluenced, and the optical switching element (122) in the second optical setting shapes 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). Beleuchtungsmodul (100, 200) nach Anspruch 1, wobei das optische Schaltelement (122) ein Element mit variabler optischer Wirkung ist, das in beiden optischen Einstellungen in dem Beleuchtungsstrahlengang (106) angeordnet ist.Lighting module (100, 200) according to Claim 1 , wherein the optical switching element (122) is an element with variable optical power which is arranged in both optical settings in the illumination beam path (106). Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Schaltelement (122) eine optische Linse mit variabler Brennweite ist.Illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the optical switching element (122) is an optical lens with variable focal length. Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Schaltelement (122) ausgebildet ist, in der zweiten optischen Einstellung das Beleuchtungslicht (104) in die hintere Brennebene des fokussierenden optischen Systems (114) oder in deren Nähe zu fokussieren.Illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the optical switching element (122) is designed to focus the illumination light (104) in the second optical setting into the rear focal plane of the focusing optical system (114) or in the vicinity thereof. Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Schaltelement (122) ausgebildet ist, den Abstand zwischen der Lichtquelle (102) und der Eintrittspupille des fokussierenden optischen Systems (114) zu variieren.Illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the optical switching element (122) is designed to vary the distance between the light source (102) and the entrance pupil of the focusing optical system (114). Beleuchtungsmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtblatterzeugungskomponente ein astigmatisches optisches System (120) umfasst, das in dem Beleuchtungsstrahlengang (106) zwischen dem optischen Schaltelement (122) und dem fokussierenden optischen System (114) angeordnet ist.Illumination module (100) according to one of the preceding claims, wherein the light sheet generating component comprises an astigmatic optical system (120) arranged in the illumination beam path (106) between the optical switching element (122) and the focusing optical system (114). Beleuchtungsmodul (100) nach Anspruch 6, wobei das optische Schaltelement (122) ausgebildet ist, in der zweiten optischen Einstellung das Beleuchtungslicht (104) in das astigmatische optische System (120) oder in dessen Nähe zu fokussieren.Lighting module (100) after Claim 6 , wherein the optical switching element (122) is designed to focus the illumination light (104) into the astigmatic optical system (120) or in the vicinity thereof in the second optical setting. Beleuchtungsmodul (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lichtblatterzeugungskomponente eine Strahlablenkeinheit (230) umfasst, die ausgebildet ist, die lichtblattartige Lichtverteilung (118) durch Scannen des Beleuchtungslichts (104) zu erzeugen.Lighting module (200) according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the light sheet generating component comprises a beam deflection unit (230) configured to generate the light sheet-like light distribution (118) by scanning the illumination light (104). Beleuchtungsmodul (200) nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Relaisoptik (232), die in dem Beleuchtungsstrahlengang (106) zwischen der Strahlablenkeinheit (230) und dem fokussierenden optischen System (114) angeordnet und ausgebildet ist, die Strahlablenkeinheit (230) auf die hintere Brennebene des fokussierenden optischen Systems (115) abzubilden.Lighting module (200) after Claim 8 , further comprising a relay optics (232) which is arranged in the illumination beam path (106) between the beam deflection unit (230) and the focusing optical system (114) and is designed to image the beam deflection unit (230) onto the rear focal plane of the focusing optical system (115). Beleuchtungsmodul (200) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Strahlablenkeinheit (230) in dem Beleuchtungsstrahlengang (106) dem optischen Schaltelement (122) nachgeordnet ist.Lighting module (200) after Claim 8 or 9 , wherein the beam deflection unit (230) in the Illumination beam path (106) is arranged downstream of the optical switching element (122). Beleuchtungsmodul (200) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Strahlablenkeinheit (60) in dem Beleuchtungsstrahlengang (106) dem optischen Schaltelement (122) vorgeordnet ist.Lighting module (200) after Claim 8 or 9 , wherein the beam deflection unit (60) is arranged upstream of the optical switching element (122) in the illumination beam path (106). Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (102) steuerbar ist, die Intensität des Beleuchtungslichts (104) in Abhängigkeit der optischen Einstellung des optischen Schaltelements (122) zu variieren.Illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the light source (102) is controllable to vary the intensity of the illumination light (104) depending on the optical setting of the optical switching element (122). Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Schaltelement (122) in Abhängigkeit der Wellenlänge des Beleuchtungslichts steuerbar ist.Illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the optical switching element (122) is controllable depending on the wavelength of the illumination light. Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle mehrere Laser (110) umfasst, deren Laserlicht in dem Beleuchtungsstrahlengang (106) zu dem Beleuchtungslicht (104) zusammengeführt ist.Illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the light source comprises a plurality of lasers (110) whose laser light is combined in the illumination beam path (106) to form the illumination light (104). Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtblattartige Lichtverteilung und die volumenartigen Lichtverteilung die gleiche Wellenlänge haben.Illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the light sheet-like light distribution and the volume-like light distribution have the same wavelength. Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtblatterzeugungskomponente (116, 120, 230, 232) Teil des fokussierenden optischen Systems (114) ist.Illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the light sheet generating component (116, 120, 230, 232) is part of the focusing optical system (114). Mikroskop (550) mit einem Beleuchtungsmodul (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Microscope (550) with an illumination module (100, 200) according to one of the preceding claims. Mikroskop (550) nach Anspruch 17, umfassend eine Detektionsvorrichtung (552) mit einem ersten Detektionsmodul (562), das der ersten optischen Einstellung des optischen Schaltelements (122) zugeordnet ist, und einem zweiten Detektionsmodul (570), das der zweiten optischen Einstellung des optischen Schaltelements (122) zugeordnet ist.Microscope (550) by Claim 17 , comprising a detection device (552) with a first detection module (562) which is assigned to the first optical setting of the optical switching element (122) and a second detection module (570) which is assigned to the second optical setting of the optical switching element (122). Mikroskop (550) nach Anspruch 18, wobei die Detektionsvorrichtung (552) ein separat von dem fokussierenden optischen System (114) des Beleuchtungsmoduls (100, 200) vorgesehenes Objektiv (554) umfasst.Microscope (550) by Claim 18 , wherein the detection device (552) comprises an objective lens (554) provided separately from the focusing optical system (114) of the illumination module (100, 200). Mikroskop (550) nach Anspruch 18 oder 19, wobei das zweite Detektionsmodul (570) eine Lichtfeldkamera (566, 568) umfasst.Microscope (550) by Claim 18 or 19 , wherein the second detection module (570) comprises a light field camera (566, 568). Verfahren zur Bildrekonstruktion unter Verwendung eines Mikroskops (550) nach Anspruch 20, umfassend folgende Schritte: Aufnehmen eines Stapels von Bildern verschiedener Ebenen einer Probe (108) mittels des ersten Detektionsmoduls (562) in der ersten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes (122), Aufnehmen eines Volumenbildes der Probe (108) mittels des zweiten Detektionsmoduls (570) in der zweiten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes (122), Trainieren eines neuronalen Netzwerks auf Grundlage des Stapels aufgenommener Bilder und des Volumenbildes, Aufnehmen eines weiteren Volumenbildes der Probe (108) oder einer anderen Probe mittels des zweiten Detektionsmoduls (570) in der zweiten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes (122), und Auswerten des weiteren Volumenbildes mittels des trainierten neuronalen Netzwerks.Method for image reconstruction using a microscope (550) according to Claim 20 , comprising the following steps: recording a stack of images of different planes of a sample (108) by means of the first detection module (562) in the first optical setting of the optical switching element (122), recording a volume image of the sample (108) by means of the second detection module (570) in the second optical setting of the optical switching element (122), training a neural network based on the stack of recorded images and the volume image, recording a further volume image of the sample (108) or of another sample by means of the second detection module (570) in the second optical setting of the optical switching element (122), and evaluating the further volume image by means of the trained neural network.
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