DE10331995B4

DE10331995B4 - Scanmikroskop

Info

Publication number: DE10331995B4
Application number: DE2003131995
Authority: DE
Inventors: Bernd Widzgowski
Original assignee: Leica Microsystems Heidelberg GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-07-15
Also published as: DE10331995A1

Abstract

Scanmikroskop, insbesondere konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, mit einer Einrichtung zum Schwenken eines in einem Strahlengang angeordneten Scan-Spiegels (5) und mindestens einem Detektor (15) zur Aufnahme von von einer zu untersuchenden Probe emittiertem und/oder reflektiertem Detektionslicht, wobei mittels eines elektronischen Mittels Datenpakete aus Positionsdaten (41), die aus einem der Position des Scan-Spiegels (5) entsprechenden Positionssignal bildbar sind, und aus Bilddaten (40) der Probe, die aus dem Detektionslicht bildbar sind und mit der Position des Scan-Spiegels (5) korrelieren, erzeugbar sind, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, im Wesentlichen nur von der Scanachse des Scan-Spiegels (5) abhängigen Datenaufnahmekanal zur Detektion der Position des Scan-Spiegels (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scanmikroskop, insbesondere konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, mit einer Einrichtung zum Schwenken eines in einem Strahlengang angeordneten Scan-Spiegels und mindestens einem Detektor zur Aufnahme von von einer zu untersuchenden Probe emittiertem und/oder reflektiertem Detektionslicht, wobei mittels eines elektronischen Mittels Datenpakete aus Positionsdaten, die aus einem der Position des Scan-Spiegels entsprechenden Positionssignal bildbar sind, und aus Bilddaten der Probe, die aus dem Detektionslicht bildbar sind und mit der Position des Scan-Spiegels korrelieren, erzeugbar sind.

Scanmikroskope der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in den unterschiedlichsten Ausführungsformen. Beispielsweise ist aus der US 5 283 433 A ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop bekannt.

Aus der DE 101 43 855 A1 , der DE 100 37 783 A1 und der DE 197 02 752 A1 sind Scanmikroskope bekannt. Genauer gesagt werden in diesen Dokumenten Verfahren und Vorrichtungen in Scanmikroskopen zur Phasenkorrektur von Positions- und Detektionssignalen bzw. Regelungssysteme für den Scannerantrieb beschrieben.

In der EP 0 692 729 B1 werden in den 1 und 2 übliche Verfahren zur Positionsbestimmung eines Scanspiegels aufgezeigt. Das dortige optische Messverfahren erfolgt rückseitig mittels ortsauflösendem Detektor.

Schließlich zeigt die DE 199 56 912 A1 ein optisches Winkelmessverfahren mittels Gitter vor dem Detektor. Das Gitter ist dabei jedoch regelmäßig geformt und der Detektor ist ortsauflösend.

Bei Scanmikroskopen werden üblicherweise Scan-Spiegel um vorgebbare Achsen geschwenkt, um einen Beleuchtungsstrahl über eine zu untersuchende Probe zu scannen. Bekannte Einrichtungen zum Schwenken eines Scan-Spiegels weisen häufig Galvanometer auf. Aus der Position des Scan-Spiegels und aus zugehörigen Bilddaten können Datenpakete für eine weitere Bildverarbeitung erzeugt werden. Bei der Verwendung von Galvanometern hinkt das Positionssignal des Scan-Spiegels aufgrund von Messsignalverzögerungen der wahren Position des Scan-Spie gels häufig hinterher. Zur Bildung von Datenpaketen aus zusammengehörigen Bild- und wahren Positionsdaten müssen Bilddaten bei der Bildung der Datenpakete um die gleiche Verzögerungszeit verzögert werden. Die Verzögerungszeit wird dabei entweder interaktiv vom Benutzer aufgrund des aufgenommenen Bilds oder durch einen entsprechenden Bildverarbeitungsalgorithmus bei der Bildung der Datenpakete berücksichtigt. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist jedoch von den verwendeten Bilddaten abhängig. Bei ungünstigen Bilddaten können Fehler auftreten und/oder unkorrekte Datenpakete entstehen. Hinzu kommt, dass bei der manuellen Einstellung aufgrund von Drifteffekten nachgeregelt werden muss.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Scanmikroskop der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine sichere Bildung von korrekten Datenpaketen aus Positions- und Bilddaten mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch ein Scanmikroskop mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das Scanmikroskop durch einen zusätzlichen, im Wesentlichen nur von der Scanachse des Scan-Spiegels abhängigen Datenaufnahmekanal zur Detektion der Position des Scan-Spiegels gekennzeichnet.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass durch das Hinzufügen eines zusätzlichen Datenaufnahmekanals, der im Wesentlichen nur von der Scanachse des Scan-Spiegels abhängig ist, die obige Aufgabe auf überraschend einfache Weise gelöst ist. Mittels des zusätzlichen Datenaufnahmekanals kann eine quasi automatische Korrelation zwischen Positionsdaten und Bilddaten durch Bestimmung einer Verzögerungszeit, die der über die Einrichtung zum Schwenken ermittelten Messsignalverzögerung entspricht, realisiert werden. Mit anderen Worten handelt es sich dabei um eine automatische Einstellung der Phase bei bidirektionalen Scanvorgängen. Hierdurch ist ein Verfahren ermöglicht, das die Zeitverzögerung zwischen Bild- und Positionsdaten automatisch ermittelt und automatisch korrigieren kann. Die mittels des zusätzlichen Datenaufnahmekanals aufgenommenen Daten sind nicht von der Messsignalverzögerung beispielsweise eines Galvanometers abhängig. Die Datenaufnahme ist im Wesentlichen nur von der Scanachse und damit von der Schwenkposition des Scan-Spiegels um die Scanachse abhängig, um die der Scan-Spiegel schwenkt und um die bidirektional gescannt wird.

Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Scanmikroskop ein Scanmikroskop angegeben, mit dem eine sichere Bildung von korrekten Datenpaketen aus Positions- und Bilddaten mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist.

Bei einer konkreten Ausgestaltung ist die Zeitverzögerung, bei der die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Vor- und Rücklauf maximal wird, zur Einstellung einer Zeitverzögerung der Bilddaten verwendbar. Die Einstellung der Zeitverzögerung der Bilddaten führt dann zu korrekten Datenpaketen aus Positionsdaten und Bilddaten.

Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung des Scanmikroskops könnte die Detektion der Position des Scan-Spiegels eine optische Detektion sein. Über den zusätzlichen Datenaufnahmekanal werden dabei Daten hinsichtlich der Position des Scan-Spiegels optisch ermittelt. Hierbei sind Messsignalverzögerungen über elektronische Bauteile wesentlich reduziert.

Im Hinblick auf eine konkrete Ausgestaltung des zusätzlichen Datenaufnahmekanals könnte mittels des zusätzlichen Datenaufnahmekanals ein geeignetes Muster, vorzugsweise ein Linienmuster, über den Scan-Spiegel auf eine Blende vor einem Fotodetektor abbildbar sein. Zur Abbildung des Musters können optische Elemente in Form von Linsen verwendet werden. Bei Bewegung des Scan-Spiegels bewegt sich auch die Abbildung des Musters auf der Blende. Das durch die Blendenöffnung hindurch tretende Licht wird also in Abhängigkeit vom Ablenkungswinkel in der Intensität moduliert. Dieses Licht wird von dem Fotodetektor detektiert und in ein von dessen Intensität abhängiges elektrisches Intensitätssignal umgewandelt.

Das Muster kann in besonders einfacher Weise auf eine Scheibe aufgebracht sein. Die Scheibe wiederum könnte mittels einer Lichtquelle beleuchtet sein, wobei vorzugsweise eine im Wesentlichen homogene Beleuchtung der Scheibe günstig ist.

Bei der Ausgestaltung des Aufnahmekanals und des Musters sollte die Wiederhollänge groß genug gewählt sein.

Im Hinblick auf eine weitere konkrete Ausgestaltung des zusätzlichen Aufnahmekanals könnte mittels des zusätzlichen Datenaufnahmekanals ein geeignetes Muster, vorzugsweise ein Linienmuster, über den Scan-Spiegel in Vor- und Rücklauf abscannbar sein. Dabei wird ein Muster mittels eines Beleuchtungslichtstrahls in Vor- und Rücklauf abgescannt, wobei sich die Intensität des durch das Muster hindurch tretenden und von einem Fotodetektor detektierten Lichts in Abhängigkeit von der Position des Beleuchtungslichtstrahls auf dem Muster ändert.

Im Konkreten könnte das Muster vor einem Fotodetektor angeordnet oder auf einem Fotodetektor aufgebracht sein. Das Abscannen könnte mittels eines Laserstrahls durchführbar sein, der durch eine Fokussierungsoptik über den Scan-Spiegel auf das Muster fokussiert wird. Wenn der Scan-Spiegel schwenkt, bewegt sich der Fokus des Beleuchtungslichtstrahls oder Laserstrahls auf dem Muster. Das vom Fotodetektor detektierte Licht ist dann in ein von der Intensität abhängiges elektrisches Intensitätssignal umwandelbar.

In besonders geeigneter Weise könnte das Muster bei beliebigen Ausgestaltungen des Datenaufnahmekanals einem pseudo-binären Rauschsignal entsprechen. Es sind jedoch auch andere Muster denkbar.

Bei den Ausgestaltungen des Datenaufnahmekanals ist wesentlich, dass das von dem Fotodetektor detektierte Licht in ein von dessen Intensität abhängiges elektrisches Intensitätssignal umwandelbar ist. Das Intensitätssignal könnte dann mittels eines ADCs in Intensitätsdaten digitalisierbar sein. In gleicher Weise könnte das Positionssignal mittels eines ADCs in Positionsdaten digitalisierbar sein.

Sowohl das Positionssignal als auch das Intensitätssignal könnten einer Steuerelektronik zuführbar sein. Im Rahmen der Steuerelektronik könnten die Intensitätsdaten – getrennt nach Vor- und Rücklauf – mittels der Steuerelektronik einem Speicherelement zuführbar sein. Die Positionsdaten könnten zur Berechnung einer Speicheradresse verwendbar sein. Mittels einer Recheneinheit, die dem Speicherelement nachgeschaltet sein könnte, könnte eine Kreuzkorrelation zwischen Vor- und Rücklauf durchführbar sein. Dabei könnte mittels der Recheneinheit ein Adressversatz im Speicherelement ermittelbar sein, bei dem die Kreuzkorrelation maximal wird. Der Zeitversatz ist nunmehr proportional zum ermittelten Adressversatz.

Mittels der Recheneinheit könnte dann ein Zeitversatz oder eine Zeitverzögerung errechenbar sein, mit dem oder mit der ein Verzögerungselement für die Bilddaten einstellbar ist. Hierdurch ist eine korrekte Zuordnung der Bilddaten zu den zugehörigen Positionsdaten und damit die Bildung korrekter Datenpakete besonders einfach und quasi automatisch möglich.

Zur Steigerung des Datendurchsatzes können Parallelisierungen wie beispielsweise eine mehrkanalige Ausbildung des Speicherelements realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte eine parallele Implementierung der Kreuzkorrelationsfunktion für verschiedene Adressdistanzen oder -versätze in einem programmierbaren Baustein, insbesondere in einem FPGA realisiert sein. Mit den beiden oder einer der beiden vorgenannten Maßnahmen könnte der Durchsatz soweit gesteigert werden, dass ein Nachregeln in Echtzeit möglich ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 in einem Blockdiagramm den Datenverarbeitungsablauf bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Scanmikroskops,
2 in einer perspektivischen Darstellung, schematisch, ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen zusätzlichen Datenaufnahmekanals und
3 in einer perspektivischen Darstellung, schematisch, ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Datenaufnahmekanals.
Die 2 und 3 zeigen jeweils ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines zusätzlichen Datenaufnahmekanals eines Scanmikroskops. Der Datenaufnahmekanal weist eine Lichtquelle 1 auf, die eine Scheibe 2 oder Mattscheibe beleuchtet, auf der ein Linienmuster 3 aufgebracht ist. Das Linienmuster 3 wird über ein optisches Element 4, einen Scan-Spiegel 5 und ein optisches Element 6 auf eine Blende 7 vor einem Fotodetektor 8 abgebildet. Dabei sollte die Scheibe 2 möglichst homogen leuchten. Geeignete Muster sind beispielsweise Muster, die einem pseudo-binären Rauschsignal entsprechen. Dabei muss die Wiederhollänge groß genug gewählt werden. Wird der Scan-Spiegel 5, der als Galvanometerspiegel ausgebildet sein kann, bewegt, so bewegt sich auch die Abbildung des Linienmusters 3 auf der Blende 7. Das durch die Blendenöffnung hindurch tretende Licht wird also in Abhängigkeit vom Ablenkungswinkel in der Intensität moduliert. Dieses Licht wird vom Fotodetektor 8 detektiert und in ein von der Intensität abhängiges elektrisches Intensitätssignal umgewandelt.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des zusätzlichen Datenaufnahmekanals wird ein Laserstrahl eines Lasers 9 durch eine Fokussieroptik 10 über einen Scan-Spiegel 5, der als Galvanometerspiegel 5 ausgebildet sein kann, auf ein Linienmuster 11 fokussiert. Dieses Linienmuster 11 ist auf einem Fotodetektor 8 aufgebracht. Schwenkt der Scan-Spiegel 5, so bewegt sich der Fokuspunkt des Lasers 9 auf dem Linienmuster 11. In Abhängigkeit von der Position auf dem Linienmuster 11 ändert sich die Intensität des vom Fotodetektor 8 detektierten Lichts. Dieses Licht wird vom Fotodetektor 8 detektiert und in ein von der Intensität abhängiges elektrisches Intensitätssignal umgewandelt.
1 zeigt ein Blockdiagramm der Datenverarbeitung in dem erfindungsgemäßen Scanmikroskop. 1 zeigt Detektoren 15 zur Aufnahme von von einer zu untersuchenden Probe emittiertem und/oder reflektiertem Detektionslicht. Die Signale der Detektoren 15 werden mittels ADCs 21 digitalisiert. Die digitalisierten Daten werden durch ein einstellbares Verzögerungselement 33 verzögert und als Bilddaten 40 ausgegeben.
Ein Positionssignal des Scan-Spiegels 5 wird mittels eines ADCs 20 digitalisiert. Ebenso wird das vom Fotodetektor 8 kommende Intensitätssignal von einem ADC 22 digitalisiert. Beide digitalisierten Signale werden in eine Steuerelektronik 30 ein gespeist. Diese sorgt dafür, dass die Intensitätsdaten getrennt nach Vor- und Rücklauf in einem Speicherelement 31 abgelegt werden. Das digitalisierte Positionssignal wird dabei zur Berechnung der Speicheradresse verwendet. Eine Korrelations- und Recheneinheit 32 führt die Kreuzkorrelation zwischen Vor- und Rücklauf durch und ermittelt den Adressversatz im Speicherelement 31, bei dem die Kreuzkorrelation maximal wird. Der Zeitversatz ist proportional zum ermittelten Adressversatz. Aus dem Zeitversatz von Vor- und Rücklauf bzw. Hin- und Rücklauf wird ein Wert errechnet, mit dem das Verzögerungselement 33 eingestellt wird. Die Bilddaten 40 sind damit den Positionsdaten 41 korrekt zugeordnet, so dass korrekte Datenpakete aus Positionsdaten 41 und Bilddaten 40 gebildet werden können.
Durch Parallelisierungen wie beispielsweise eine mehrkanalige Auslegung des Speicherelements 31 und eine parallele Implementierung der Kreuzkorrelationsfunktion für verschiedene Adressdistanzen in einem programmierbaren Baustein, beispielsweise FPGA, kann der Durchsatz soweit gesteigert werden, dass ein Nachregeln in Echtzeit möglich ist.
Zur Vermeidung von Wiederholungen und hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei hier ausdrücklich festgehalten, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen und diese nicht auf die erörterten Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Scanmikroskop, insbesondere konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, mit einer Einrichtung zum Schwenken eines in einem Strahlengang angeordneten Scan-Spiegels (5) und mindestens einem Detektor (15) zur Aufnahme von von einer zu untersuchenden Probe emittiertem und/oder reflektiertem Detektionslicht, wobei mittels eines elektronischen Mittels Datenpakete aus Positionsdaten (41), die aus einem der Position des Scan-Spiegels (5) entsprechenden Positionssignal bildbar sind, und aus Bilddaten (40) der Probe, die aus dem Detektionslicht bildbar sind und mit der Position des Scan-Spiegels (5) korrelieren, erzeugbar sind, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, im Wesentlichen nur von der Scanachse des Scan-Spiegels (5) abhängigen Datenaufnahmekanal zur Detektion der Position des Scan-Spiegels (5).
Scanmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitverzögerung, bei der die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Vor- und Rücklauf maximal wird, zur Einstellung einer Zeitverzögerung der Bilddaten (40) verwendbar ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Position des Scan-Spiegels (5) eine optische Detektion ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zusätzlichen Datenaufnahmekanals ein geeignetes Muster, vorzugsweise ein Linienmuster (3), über den Scan-Spiegel (5) auf eine Blende (7) vor einem Fotodetektor (8) abbildbar ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster auf einr Scheibe (2) aufgebracht ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (2) mittels einer Lichtquelle (1) beleuchtet ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung im Wesentlichen homogen ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zusätzlichen Datenaufnahmekanals ein geeignetes Muster, vorzugsweise ein Linienmuster (11), über den Scan-Spiegel (5) in Vor- und Rücklauf abscannbar ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster vor einem Fotodetektor (8) angeordnet oder auf einem Fotodetektor (8) aufgebracht ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscannen mittels eines Laserstrahls durchführbar ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster einem pseudo-binären Rauschsignal entspricht.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Fotodetektor (8) detektierte Licht in ein von dessen Intensität abhängiges elektrisches Intensitätssignal umwandelbar ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätssignal mittels eines ADCs (22) in Intensitätsdaten digitalisierbar ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionssignal mittels eines ADCs (20) in Positionsdaten (41) digitalisierbar ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionssignal und das Intensitätssignal einer Steuerelektronik (30) zuführbar sind.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsdaten – getrennt nach Vor- und Rücklauf – mittels der Steuerelektronik (30) einem Speicherelement (31) zuführbar sind.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsdaten (41) zur Berechnung einer Speicheradresse verwendbar sind.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Recheneinheit (32) eine Kreuzkorrelation zwischen Vor- und Rücklauf durchführbar ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Recheneinheit (32) ein Adressversatz im Speicherelement (31) ermittelbar ist, bei dem die Kreuzkorrelation maximal wird.
Scanmikroskop nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Recheneinheit (32) ein Zeitversatz oder eine Zeitverzögerung errechenbar ist, mit dem oder mit der ein Verzögerungselement (33) für die Bilddaten (40) einstellbar ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement (31) mehrkanalig ausgebildet ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallele Implementierung der Kreuzkorrelationsfunktion für verschiedene Adressdistanzen oder -versätze in einem programmierbaren Baustein, insbesondere in einem FPGA, realisiert ist.