DE19906763B4 - Arrangement for calibrating a laser scanning microscope - Google Patents
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Abstract
Anordnung zum Kalibrieren eines Laserscanmikroskops, wobei ein Objekt (1) von einem Scanstrahl (2) abtastbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zwischenbildebene (1) außerhalb oder in dem das Bildfeld (13) begrenzenden Randbereich Kalibriermittel (12) angeordnet sind, die zum Kalibrieren einzelner oder mehrerer Systemparameter des Laserscanmikroskops ebenfalls von dem Scanstrahl (2) abtastbar sind.Arrangement for calibrating a laser scanning microscope, wherein an object (1) can be scanned by a scan beam (2), characterized in that calibration means (12) are arranged in an intermediate image plane (1) outside or in the edge area delimiting the image field (13) to calibrate individual or multiple system parameters of the laser scanning microscope can also be scanned by the scanning beam (2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kalibrieren eines Laserscanmikroskops, wobei ein Objekt von einem Scanstrahl abtastbar ist.The invention relates to an arrangement for calibrating a laser scanning microscope, an object from a scan beam can be scanned.
Zur Darstellung mikroskopischer Objekte kommen Laserscanmikroskope, insbesondere aber auch konfokale Laserscanmikroskope, immer mehr zur Anwendung. Aufgrund der konfokalen Anordnung eignen sich solche Systeme besonders gut zur dreidimensionalen Abbildung von Strukturen und führen insbesondere bei Fluoreszenzaufnahmen dicker Proben zu ungewohnt guten Bildqualitäten. Bei der Nutzung solcher Systeme zu quantitativen Analysen treten jedoch ganz erhebliche Schwierigkeiten in der Kalibrierung der Systeme auf, und zwar meist dann, wenn absolute Intensitäten zu messen sind.To represent microscopic objects Laser scanning microscopes, but in particular also confocal laser scanning microscopes, more and more to use. Suitable due to the confocal arrangement such systems are particularly good for three-dimensional imaging of structures and lead in particular with fluorescence images of thick samples to unusually good image quality. at however, the use of such systems for quantitative analysis occurs very considerable difficulties in the calibration of the systems mostly when absolute intensities are to be measured.
Die Intensität eines Lasers lässt sich üblicherweise durch Einstellung des Röhrenstroms über einen gewissen Bereich modifizieren. Bei Multiline-Lasern und Mischgaslasern können sich obendrein die Intensitätsverhältnisse der Linien zueinander verändern. Letztendlich treten bei allen Lasern langsame Veränderungen in der Intensität (Driften) und schnelle Veränderungen in der Intensität (Rauschen, Brummen, Modenschwankungen) auf. Eine automatische Lichtregelung des Lasers führt in der Regel zu verkürzten Lebensdauern, wenn nämlich intern Dejustagen auftreten, die wiederum durch einen höheren Strom kompensiert werden.The intensity of a laser can usually be adjusted by adjusting the tube current via a modify certain area. For multiline lasers and mixed gas lasers can on top of that the intensity ratios the lines change to each other. Ultimately, slow changes occur with all lasers in intensity (Drifting) and rapid changes in intensity (Noise, hum, fluctuations in mode). An automatic light control of the laser leads usually shortened Lifetimes, namely if Internal misalignments occur, which in turn are caused by a higher current be compensated.
Ein weiteres Problem ergibt sich wie folgt: Die Pupillenöffnung von Objektiven ist unterschiedlich groß. Da diese jedoch durch den Strahl überleuchtet werden muss, um eine beugungsbegrenzte hohe Auflösung des Mikroskops zu erreichen, gelangen in Abhängigkeit vom Objektiv unterschiedlich große Lichtmengen des aufgeweiteten Lasers zur Probe.Another problem arises as follows: The pupil opening of lenses is different in size. However, since this through the Beam overlit in order to achieve a diffraction-limited high resolution of the microscope, get dependent Different amounts of light from the lens of the expanded Lasers to test.
Das konfokale Pinhole vor dem Detektor bzw. vor den Detektoren ist üblicherweise mikromechanisch ausgeführt und bedarf einer Größenkalibrierung. Die Wirkung des Pinholes beim „Ausschneiden" eines Teils der Pointspread-Funktion ist jedoch wiederum von der jeweiligen Vergrößerung abhängig.The confocal pinhole in front of the detector or in front of the detectors is common micromechanically executed and requires a size calibration. The effect of the pinhole when "cutting out" part of the However, the pointspread function depends on the magnification.
Bei konfokalen Laserscanmikroskopen werden üblicherweise Photomultiplier als Detektoren verwendet. Wegen der hohen Dynamik der zu messenden Signale wird üblicherweise die Hochspannung über die Dynoden des Photomultipliers zur Verstärkungseinstellung verwendet. Während für eine bestimmte Hochspannung das Ausgangssignal eines PMT's sich linear zur Eingangsintensität verhält, ist die Verstärkung im PMT nichtlinear abhängig von der Hochspannung und variiert individuell stark.With confocal laser scanning microscopes are common Photomultiplier used as detectors. Because of the high dynamic of the signals to be measured is common the high voltage over the dynodes of the photomultiplier are used for gain adjustment. While for a certain High voltage the output signal of a PMT is linear to the input intensity is the reinforcement non-linearly dependent in the PMT of high voltage and varies individually.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass eine monomode Lichtleitfaser unterschiedliche Lasermoden selektieren kann und dadurch Modenschwankungen des Lasers zu Intensitätsschwankungen führen können. Rückreflexe in den Lasern können die laserinternen Regelmechanismen stören und damit zu Intensitätsschwankungen. führen.Another problem is that a single mode optical fiber select different laser modes can and thereby mode fluctuations of the laser to intensity fluctuations to lead can. retroreflections in the lasers the laser internal control mechanisms interfere and thus lead to fluctuations in intensity. to lead.
Auch treten beim schnellen Scannen des Strahls mit Spiegeln durch Trägheitskräfte und Reglerunvollkommenheiten Abweichungen des Scanstrahls von der Sollbahn auf, und zwar insbesondere für die am schnellsten gescannte Koordinate.Also occur when scanning quickly of the beam with mirrors due to inertial forces and regulator imperfections Deviations of the scan beam from the target path, especially for the fastest scanned coordinate.
Aus praktischen Gründen ist es äußerst aufwendig, die beteiligten Komponenten des Systems einzeln zu korrigieren und zu kalibrieren.For practical reasons it is extremely expensive correct the components of the system involved individually and to calibrate.
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Kalibrieren eines Laserscanmikroskops anzugeben, welche eine Kalibrierung sämtlicher Komponenten mit, einfachen Mitteln zulässt, wobei ein automatisches Kalibrieren möglich sein soll.The object of the invention is now based on an arrangement for calibrating a laser scanning microscope specify which calibration of all components with, simple Allows funds an automatic calibration should be possible.
Die erfindungsgemäße Anordnung der gattungsgemäßen Art löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Danach ist die gat- tungsgemäße Anordnung zum Kalibrieren eines Laserscanmikroskops dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zwischenbildebene außerhalb oder in dem das Bildfeld begrenzenden Randbereich Kalibriermittel angeordnet sind, die zum Kalibrieren einzelner oder mehrerer Systemparameter des Laserscanmikroskops ebenfalls von dem Scanstrahl abtastbar sind.The arrangement of the generic type according to the invention achieves the above object by means of the features of patent claim 1. Thereafter, the generic arrangement is a potash brier a laser scanning microscope, characterized in that calibration means are arranged in an intermediate image plane outside or in the edge area delimiting the image field, which are also scanned by the scan beam for calibrating individual or more system parameters of the laser scanning microscope.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass es keinen Sinn macht, sämtliche Komponenten des. Systems einzeln zu korrigieren und zu kalibrieren. Vielmehr ist es mit einfachen Mitteln möglich, das System insgesamt bzw. eine Mehrzahl der Komponenten gleichzeitig kalibrieren zu können, wobei Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle bei der Detektion berücksichtigbar sind. Ein solches Kalibrieren ist dadurch möglich, dass in einer Zwischenbildebene entsprechende Kalibriermittel angeordnet sind, die – wie das Objekt – ebenfalls von dem Scanstrahl anfahrbar bzw. abtastbar sind. Dadurch ist eine Kalibrierung während der eigentlichen Aufnahme bzw. vor und/oder nach dem Scannen des Objekts möglich.According to the invention, it has been recognized that it makes no sense, everyone Correct and calibrate components of the system individually. Much more it is possible with simple means the system as a whole or a plurality of the components simultaneously to be able to calibrate taking brightness fluctuations of the light source during detection berücksichtigbar are. Such a calibration is possible if there are corresponding ones in an intermediate image plane Calibration means are arranged, which - like the object - also can be approached or scanned by the scan beam. This is one Calibration during the actual recording or before and / or after scanning the Possible.
Die Kalibriermittel können in der Ebene der Zwischenabbildung in den Bereich des eigentlichen Bildfeldes einschwenkbar sein. Insoweit werden die Kalibriermittel an die Stelle des Zwischenbilds – in das Bildfeld – gesetzt.The calibration means can be in the level of the intermediate image in the area of the actual image field be pivotable. In this respect, the calibration means are in place of the intermediate image - into that Image field - set.
Bei den Kalibriermitteln kann es sich einerseits um Messmittel und andererseits um Referenzstrukturen handeln, je nach dem, welche Komponenten zu kalibrieren sind. Als Messmittel kommen wiederum Detektionsmittel in Frage, die zur Laserleistungsmessung und Laserkalibrierung dienen. Im Konkreten kann es sich bei den Detektionsmitteln um Photodioden handeln.With the calibration means it can on the one hand measuring equipment and on the other hand reference structures act depending on which components are to be calibrated. As Measuring means are in turn detection means in question for laser power measurement and laser calibration. In concrete terms, it can be with the Detection means are photodiodes.
Sofern es sich bei den Kalibriermitteln um Referenzstrukturen handelt, steht – je nach der zu kalibrierenden Komponente – eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen zur Verfügung. So können die Referenzstrukturen bspw. als Gitter ausgeführt sein, die zur Bildgrößenkalibrierung und/oder zur Linearitätskalibrierung dienen.If it is with the calibration means are reference structures, depending on the one to be calibrated Component - one Many different structures are available. So the reference structures For example, designed as a grid be used for image size calibration and / or for linearity calibration serve.
Ebenso ist es denkbar, dass die Referenzstrukturen als Striche ausgeführt sind, die wiederum zur Bildpositionskalibrierung dienen können.It is also conceivable that the reference structures executed as lines which in turn can be used for image position calibration.
Grundsätzlich können die Referenzstrukturen im Rahmen einer weiteren Ausführungsform als vorzugsweise flächige Muster ausgeführt sein, die zur Phasenkalibrierung von Hin- und Rücklauf des Scanners bzw. Scanstrahls dienen.Basically, the reference structures in the context of a further embodiment as preferably flat Pattern executed be used for the phase calibration of the return and return of the scanner or scan beam serve.
Bei den Referenzstrukturen kann es sich ebenso um dreidimensionale Strukturen handeln, die zur Kalibrierung der Optik, bspw. der Pinhole-Position, dienen. Bei den dreidimensionalen Strukturen (3-D-Strukturen) kann es sich um Stufen, Ausnehmungen oder dgl. handeln.With reference structures it can are also three-dimensional structures that are used for calibration the optics, for example the pinhole position. With the three-dimensional Structures (3-D structures) can be steps, recesses or the like.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Referenzstrukturen ist es möglich, diese aktiv auszugestalten, so bspw. als Leuchtmittel, die zur Kalibrierung der Detektoren dienen. Die Leuchtmittel können wiederum unterschiedliche Spektren aufweisen, wobei es sich bei den Leuchtmitteln im Konkreten um Leuchtdioden handeln kann.In a further embodiment of the Reference structures it is possible to actively design these, for example as illuminants, for calibration serve the detectors. The lamps can in turn be different Have spectra, with the illuminants in the concrete can be light emitting diodes.
Schließlich ist es möglich, dass die Referenzstrukturen als Wechselwirkungen mit dem Scanstrahl aufzeigende Mittel ausgeführt sind, wobei es sich dabei vorzugsweise um bekannt reflektierende, absorbierende, fluoreszierende oder polarisierende Mittel handeln kann.After all, it is possible that showing the reference structures as interactions with the scan beam Means executed are, which are preferably known reflecting, absorbing, fluorescent or polarizing agents can act.
Hinsichtlich der Anordnung der Kalibriermittel – Messmittel und/oder Referenzstrukturen – ist es von Vorteil, diese rasterförmig oder mäanderförmig anzuordnen. Dazu könnten die Kalibriermittel auf einer Kalibrierschablone angeordnet bzw. ausgebildet sein. Bei der Kalibrierschablone könnte es sich um eine Präzisionsplatine mit geätzten Strukturen handeln. Die Platine selbst könnte wiederum als Epoxidharzplatte ausgeführt sein, und zwar vorzugsweise mit einer Goldbeschichtung, um Langzeitänderungen vorzubeugen.With regard to the arrangement of the calibration means - measuring means and / or reference structures - is it is beneficial to grid this or meandering. To do this the calibration means arranged on a calibration template or be trained. The calibration template could be a precision board with etched Act structures. The board itself could in turn be used as an epoxy resin board accomplished preferably with a gold coating to prevent long-term changes.
Insbesondere im Hinblick auf eine stationäre Anordnung der Kalibrierschablone ist es von weiterem Vorteil, wenn diese eine der Größe des Bildfeldes entsprechende Ausnehmung aufweist, durch die der abtastende Scanstrahl ungehindert zur normalen Abbildung hindurchtreten kann. Die Kalibriermittel sind dabei entsprechend am Rand der Kalibrierschablone angeordnet. Die Ausnehmung könnte rund oder quadratisch ausgeführt sein. Entsprechend könnte die Kalibrierschablone eine die Kalibriermittel tragende, vorzugsweise feststehende Kreisringfläche oder – im Rahmen einer quadratischen Ausgestaltung der Kalibrierschablone – eine rahmenähnliche Fläche aufweisen, wobei die Kalibriermittel von den Rahmenschenkeln getragen sind.Especially with regard to a stationary arrangement the calibration template, it is of further advantage if this one the size of the image field has corresponding recess through which the scanning scan beam can freely pass through to normal imaging. The calibration means are arranged accordingly on the edge of the calibration template. The Recess could round or square his. Accordingly, could the calibration template preferably carries the calibration means fixed circular surface or - in the frame a square design of the calibration template - have a frame-like surface, the calibration means being carried by the frame legs.
Ebenso ist es denkbar, die Kalibrierschablone als in den Strahlengang des Scanstrahls einschwenkbare Scheibe auszuführen, wobei eine solche Ausgestaltung eine entsprechende Mechanik zum Verschwenken der Kalibrierschablone erforderlich macht.It is also conceivable to use the calibration template to be designed as a disk which can be swiveled into the beam path of the scanning beam, wherein such an embodiment a corresponding mechanism for pivoting the calibration template is required.
Zur optimalen Kalibrierung der Komponenten sollte die Kalibrierschablone möglichst nahe an dem zu scannenden Objekt angeordnet sein. In ganz besonders vorteilhafter Weise ist die Kalibrierschablone unmittelbar an bzw. vor dem zu scannenden Objekt angeordnet.For optimal calibration of the components the calibration template should be as possible be placed close to the object to be scanned. In a very special way The calibration template is advantageously directly on or arranged in front of the object to be scanned.
Die Kalibrierung kann manuell oder automatisch erfolgen. Dabei ist es denkbar, die Kalibrierung unmittelbar nach dem Einschalten der Laserlichtquelle vorzunehmen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, die Kalibrierung, vor und/oder nach der Objektabtastung bzw. Bildaufnahme durchzuführen, und zwar ebenfalls manuell oder automatisch.The calibration can be done manually or done automatically. It is conceivable to do the calibration immediately after switching on the laser light source. Likewise however, it is also possible to Calibration, before and / or after object scanning or image acquisition perform, also manually or automatically.
Auch könnte man die Kalibrierung zur automatischen Datenkorrektur nutzen, wobei einerseits die Kalibrierdaten und andererseits die Messwerte einem Rechner zuzuführen und dort zu verarbeiten sind.You could also use the calibration for use automatic data correction, whereby on the one hand the calibration data and on the other hand to supply the measured values to a computer and are to be processed there.
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 Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung die prinzipielle Anordnung eines konfokalen Laserscanmikroskops mit angedeutetem Zwischenbild.Now there are different ways to design the teaching of the present invention in an advantageous manner and educate. On the one hand, this is based on the claim 1 subordinate claims, on the other hand to the following explanation of an embodiment to refer to the invention with reference to the drawing. Combined with the explanation of the preferred embodiment The invention also generally becomes preferred embodiments and further training of teaching explained. In the drawing, the only figure in a schematic representation of the principle Arrangement of a confocal laser scanning microscope with indicated Intermediate image.
Die einzige Figur zeigt in schematischer
Darstellung eine Anordnung zum Kalibrieren eines konfokalen Laserscanmikroskops,
wobei ein Objekt
Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel sind die Kalibriermittel
12 am Rande der Zwischenbildebene
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.More advantageous in terms of Refinements are made to avoid repetitions on the general Part of the description referenced.
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