EP3610314A1 - Light sheet microscope - Google Patents

Light sheet microscope

Info

Publication number
EP3610314A1
EP3610314A1 EP18724461.1A EP18724461A EP3610314A1 EP 3610314 A1 EP3610314 A1 EP 3610314A1 EP 18724461 A EP18724461 A EP 18724461A EP 3610314 A1 EP3610314 A1 EP 3610314A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
illumination
objective
sample
focal plane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18724461.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Florian Fahrbach
Werner Knebel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leica Microsystems CMS GmbH
Original Assignee
Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leica Microsystems CMS GmbH filed Critical Leica Microsystems CMS GmbH
Publication of EP3610314A1 publication Critical patent/EP3610314A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes
    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0032Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
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    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052Optical details of the image generation
    • G02B21/006Optical details of the image generation focusing arrangements; selection of the plane to be imaged
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/06Means for illuminating specimens
    • GPHYSICS
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/34Microscope slides, e.g. mounting specimens on microscope slides
    • GPHYSICS
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/36Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • G02B21/367Control or image processing arrangements for digital or video microscopes providing an output produced by processing a plurality of individual source images, e.g. image tiling, montage, composite images, depth sectioning, image comparison

Definitions

  • the invention relates to a light-beam microscope comprising a detection objective for imaging a target region of a sample located in a focal plane of the detection objective, an illumination objective for focusing an illumination light beam into the sample, the detection objective and the illumination objective being aligned with their optical axes oriented perpendicular to the focal plane lie opposite and define between them a sample plane containing the focal plane, a sample holder with at least one disposed in the sample space support surface on which the sample is attachable, and a Lichtumlenkvoriques with a deflection surface laterally offset in the sample chamber to the optical axis of the detection lens and is formed, the deflected by the illumination lens - preferably focused - illuminating light beam in a direction perpendicular to the optical axis of the detection lens such that the deflected Bele
  • the light deflection device has a collision section facing the carrier surface, which defines a mechanical stop for the carrier surface on the light deflection device, which defines a coplanar arrangement of the light beam
  • light-sheet microscopes are used, in which only a thin layer is illuminated in the sample.
  • light-sheet microscopes thus enable higher resolution and lower light exposure, thereby reducing undesirable effects due to bleaching or light-induced stress in biological samples.
  • Light sheet microscopes are therefore particularly useful for fluorescence studies on living organisms.
  • the illumination objective and the detection objective face one another along the vertical axis, for example implemented in an inverted microscope stand.
  • the illuminating light bundle passing through the illuminating objective along the vertical tripod axis is directed onto a mirror system which deflects the illuminating light bundle at a right angle to the sample in the horizontally lying focal plane of the detection objective to illuminate in the usual way with a light sheet-like illumination light distribution.
  • the target area of the sample lying in the focal plane is then imaged onto a camera sensor by the detection objective.
  • the aforementioned mirror system consists of two mirror elements, which are arranged at an angle of 45 ° on both sides of the optical axis of the detection objective.
  • the dimension of the respective mirror element dimensioned along the optical axis is determined by the beam cross section which the illumination light beam has at the location of the mirror element. Since the illumination objective is designed to focus the illumination light bundle so that it has its smallest extension along the optical axis of the detection objective in the target region of the sample, the beam cross section of the illumination light bundle at the location of the respective mirror element is still significantly larger than in the target region of the sample.
  • the mirror element parallel to the optical axis of the detection lens has an extension which corresponds at least to the extent of the beam cross-section, which is a makes comparatively expensive sample preparation required.
  • the support surface of the sample holder used which is usually designed as a transparent cover glass, not exactly positioned in the illuminated with the light sheet focus plane of the detection lens, since the cover glass collides with its approach to the detection lens with the attached to the detection lens mirror system before it reaches the focal plane.
  • the sample In order to compensate for the resulting axial offset between the support surface of the sample holder and the focal plane, the sample must be prepared on a base arranged on the support surface. Although this base is only a few 100 ⁇ high, it still makes the sample preparation difficult, especially when switching from a socket-free preparation, as is customary in wide-field microscopy or in confocal microscopy.
  • the object of the invention is to develop a light sheet microscope of the type described above so that it allows a high-resolution imaging with a simple sample preparation.
  • a light-beam microscope comprising a detection objective for imaging a target region of a sample located in a focal plane of the detection objective, an illumination objective for focusing an illumination light beam into the sample, the detection objective and the illumination objective being aligned with their plane perpendicular to the focal plane optical axes face each other and define a sample space containing the focal plane, a sample holder with at least one support surface arranged in the sample space on which the sample can be attached, and a light deflection device with a deflection surface which is arranged and formed laterally offset from the optical axis of the detection objective in the sample space; to deflect the illuminating light bundle - preferably focused - in a direction perpendicular to the optical axis of the detection lens such that the deflected illuminating light beam forms a focused in the focal plane light sheet-like illumination light distribution, wherein the Lichtumlenkvoriques has a the carrier surface facing collision section, which is a mechanical surface for the support surface Defined
  • the invention therefore provides for tilting the support surface of the sample holder relative to the focal plane of the illumination objective and / or the detection objective coinciding with the illumination plane formed by the light-beam-like illumination light distribution in order to cover part of the support surface carrying the sample in the focal plane of the illumination objective and / or or the detection lens.
  • This makes it possible to prepare or arrange the sample without base directly on the support surface of the sample holder.
  • This considerably facilitates the work with the light-sheet microscope, in particular if the microscope at the same time as a wide-field microscope and / or as Confocal microscope is used, whereby usually a sample preparation takes place anyway directly on the support surface or a slide or a coverslip and without a pedestal.
  • the light deflection device is realized for example in the form of a single mirror element, which is laterally offset from the optical axis of the detection objective and thus arranged laterally offset from the target area of the sample to be imaged by the detection objective.
  • the light deflection device can also be designed so that it has a plurality of mirror facets, in order to be able to vary the illumination direction within the illumination plane and thus the focal plane as desired, for example to illuminate the sample from slightly different directions.
  • sample illumination according to the invention can be realized in a simple manner on already existing microscope systems without the aid of a sample socket. Required are only an inclined support surface and a trained light deflection device, which are easy to retrofit.
  • the support surface of the sample holder is at least partially transparent, wherein the illumination objective directs the illumination light bundle through the transparent part of the support surface on the deflection surface.
  • the sample holder apart from the inclination of its support surface in the manner of a Conventional coverslip, ie perform in its entirety transparent.
  • the at least partially transparent design of the carrier surface it is possible to guide the illuminating light bundle emerging from the illumination objective next to the sample resting on the carrier surface through the sample holder onto the deflecting surface of the light deflecting device, then perpendicularly to the latter for generating the light sheet from the side to direct the optical axis of the detection lens in the focal plane.
  • the carrier surface-optionally in cooperation with an immersion medium and / or a sample medium- is designed in such a way that the smallest possible part of the illumination light bundle is reflected on the carrier surface.
  • This is in particular intended for the fact that after the illumination light bundle has passed through the carrier surface and was deflected at the deflection surface, it again strikes the carrier surface.
  • This could be achieved by coating the support surface, for example with an anti-reflection coating, which is provided or optimized for the wavelengths of the illumination light used.
  • the use of immersion medium and / or a sample medium having a refractive index which is largely adapted to the refractive index of the sample holder can reduce the reflection components of the illumination light beam.
  • the illumination objective is designed to direct the illuminating light bundle onto the transparent part of the carrier surface in a perpendicular direction of incidence upon a first impingement of the illuminating light bundle on the sample holder or on the carrier surface. This embodiment takes into account the fact that, in the event that aberrations occur, the illumination light beam passes obliquely through the support surface of the sample holder.
  • the sample holder is designed for example as a microscope stage insert, which is adapted in its dimensions or substantially identical to other, provided for an existing microscope stage inserts and thus easily replaceable.
  • Such an insert has at its bottom, for example, one or more transparent, inclined support sections on which the samples can be arranged. It is also possible to carry out only a part of the respective support section transparent and to guide the illumination light bundle through this transparent part to the deflection surface.
  • the remaining part of the support section, in particular that part on which the sample is located can then be opaque and, for example, provided with markings or mold elements, for example to position, guide and / or guide the sample in the correct position To prevent slippage of the sample on the inclined support surface.
  • the support surface is provided in cooperation with the sample holder and / or the microscope stage with calibration or Kodiermarkeirungen so that a control device of the light sheet microscope knows the relative position of the support surface to the illumination lens and / or the detection lens and from this can calculate the current height of the cover glass or knows.
  • the control device knows on the one hand the position of the sample and on the other hand, a collision between deflecting mirror and support surface (and / or the illumination objective or the detection objective) can be avoided.
  • the light deflection device is preferably attached to a part of the detection objective facing the sample.
  • the light-deflecting device is e.g. executed in the form of a so-called mirror cap, which attach as in the prior art named mirror caps on the detection lens and can be solved by this.
  • the mirror cap has only a single mirror element in order to allow a certain inclination of the carrier surface without abutment against the mirror cap.
  • the illumination objective and the deflection surface preferably cooperate in such a way that the light-sheet-like illumination light distribution formed on the optical axis of the detection objective by the focused illumination light beam in the focal plane has its minimum axial extent having.
  • the predetermined inclination angle at which the support surface of the sample holder is inclined with respect to the focal plane is within an angular range ranging from a lower limit angle at which the support surface of the sample holder is in abutment with the collision portion of the light deflection to an upper limit angle.
  • the upper limit angle is also determined, for example, by a stop of the carrier surface on the light deflection device.
  • the vertex of the angle of inclination, under which the support surface intersects the focal plane is located on an edge of an image field facing the deflection surface, which defines the target area imaged by the detection objective.
  • the vertex can be marked accordingly in the above-mentioned calibration or coding of the support surface or the sample holder, so that the position of the vertex of the control unit of the light sheet microscope is known or can be made known.
  • the extent of the deflection surface is preferably dimensioned such that the projection of the deflection surface onto the optical axis of the detection objective is substantially equal to the beam cross section or the beam diameter which the illumination light bundle in the projection at the deflection surface having. This ensures that the axial extent of the deflection surface is limited to the beam cross section of the illumination light beam before deflection at the deflection surface, whereby the inclination angle at which the support surface of the sample holder is inclined relative to the focal plane, can be kept relatively low.
  • the light-sheet microscope includes a lighting unit upstream lighting unit with a light source and a light sheet generator, which is formed to generate from the light source bundle generated by the illumination light beam in cooperation with the illumination lens, the light sheet-like illumination light distribution.
  • the light sheet generator comprises a scanning unit.
  • This scanning unit is designed to deflect the illumination light beam generated by the light source in such a way that it performs a scanning movement in the focal plane of the detection objective through which the light beam is built up.
  • the scanning unit has one or more scanning mirrors, which deflect the illumination light beam in the desired manner.
  • a confocal scanner with three scanning mirrors can be used as the scanning unit, of which a first and a second scanning mirror provide, for example, for a tilting of the illumination light beam in the x direction and a third scanning mirror for a tilting in the y direction.
  • the first and the second x-scanning mirror are used to tilt the illuminating light bundle about a point which is located on the y-axis. Scanning mirror is located.
  • the second x scanning mirror partially compensates for tilting by the first x scanning mirror so that the illuminating light beam on the third scanning mirror, which is tilted in the y direction, remains at a fixed position, typically on the optical axis.
  • the mirrors can also cooperate in such a way that the illumination beam is offset both along the x-direction and tilted about the y-direction and perpendicular to the first upon impact of the illumination beam on the carrier surface or the sample holder opposite the optical axis of the illumination lens tilted support surface hits, (possibly below:
  • the optical axis of the illumination objective is laterally offset with respect to the optical axis of the detection objective.
  • the abovementioned lateral offset of the illumination objective takes into account the fact that without such an offset, the magnification of the illumination objective must be comparatively small in order to ensure that the illumination objective with the illumination light beam strikes the laterally offset deflection surface. If, on the other hand, a lateral offset is made possible for the illumination objective, the requirements for enlarging the illumination objective can thus be significantly reduced.
  • the fact that with a laterally offset Illumination lens whose entrance pupil can not be fully illuminated with the illumination beam, is problematic in the preferred application, since preferably an under-illumination of the entrance pupil takes place, so that it comes to the desired tilting of the illumination light beam with respect to the optical axis of the illumination objective.
  • the light sheet generator is preferably configured to direct the illumination light beam on a partial area of an entrance pupil of the illumination objective, which is laterally offset from the optical axis of the illumination objective from the center of the entrance pupil.
  • the light-leaf generator is preferably designed to tilt the illuminating light bundle with respect to the optical axis of the illumination objective onto the said subarea.
  • the carrier surface is movable along an axis in order to displace the focal plane within the sample, said axis being defined by the optical axis of the detection objective, by an axis perpendicular to the optical axis of the detection objective, or by an axis perpendicular to the carrier surface can. It is particularly preferred in this case to move the support surface along an axis which is perpendicular to the support surface. This displacement movement can be achieved by a superposition of an axial displacement and a lateral displacement. It leads to image volumes that have a trapezoidal cross-section.
  • One Another advantage of the displacement of the support surface along the propagation direction of the illumination light beam is that the illumination light beam always strikes the same point of the deflection surface. This also applies if the carrier surface is moved perpendicular to the propagation direction of the illumination light beam.
  • a retrofit kit for a light sheet microscope having a sample holder insert and a Lichtumlenkvoriques.
  • the sample holder insert and the Lichtumlenkvoriques are in this case according to the above embodiments and in particular according to one of claims 1 to 15 formed and are such in a microscope or in a light sheet microscope retrofitted that the support surface relative to the focal plane at a predetermined inclination angle is inclined so that a part the support surface is arranged in the focal plane of the detection objective (and / or the illumination objective).
  • the retrofit kit according to the invention is suitable for forming an existing conventional microscope or light-sheet microscope into a light-sheet microscope according to the invention. The person skilled in the art will form such a retrofit kit in accordance with the above statements, so that reference is made to avoid repetition of the preceding part of the description.
  • Figure 1 is a schennatic representation of a light sheet microscope according to the invention.
  • FIG. 2 shows a light deflection device in cooperation with a support surface of the sample holder oriented horizontally in a conventional manner
  • FIG. 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 with the support surface of the sample holder inclined in accordance with the invention
  • FIG. 4 is a schematic representation of the carrier surface in a conventional 45 ° arrangement
  • FIG. 5 shows a representation corresponding to FIG. 4 with the support surface tilted according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation for illustrating how a lateral offset of the illuminating light bundle in the objective pupil leads to a tilting of the illuminating light bundle in the focal plane;
  • FIG. 7 shows a schematic representation for illustrating how a tilting of the illumination light beam in the objective pupil leads to a lateral offset of the illumination light bundle in the focal plane
  • Fig. 8 is a representation corresponding to Figure 7, wherein the illumination lens and the detection lens are aligned coaxially to each other;
  • FIG. 9 shows a schematic illustration for illustrating the image volumes which are generated by displacing the support surface arranged at a minimal inclination angle
  • Fig. 10 is a representation corresponding to Figure 9, wherein the support surface is set at a maximum inclination angle
  • FIG. 11 shows a schematic representation for illustrating the various possibilities of displacing the carrier surface for volume imaging
  • FIG. 13 each show an embodiment of a conventional and a sample holder according to the invention with a microscope stage insert.
  • Figure 1 shows a light-sheet microscope 10, which represents an embodiment of the present invention.
  • the light-sheet microscope 10 includes a lighting unit 12, which includes a light source 14, a scanning unit 16, a tube lens 18 and a Illumination lens 20 includes.
  • the scanning unit 16 is formed of three scanning mirrors 22, 24 and 26 and a Abtastlinse 28.
  • the light-sheet microscope 10 further includes a detection unit 30, which has a detection objective 32, an eyepiece 34 and a camera 36.
  • a sample space 38 is defined, in which a sample holder 40 is located.
  • the sample holder 40 which is embodied for example as a plane-parallel, transparent plate, has a support surface 42 facing the detection objective 32, on which a sample 44 to be imaged is arranged.
  • the light-sheet microscope 10 further comprises e.g. designed as a mirror cap light deflecting device 46 which is attached to the detection objective 32, that its deflecting surface 48 formed in the form of a mirror offset laterally relative to the optical axis Oi of the detection objective 32.
  • the light deflection device 46 serves to deflect an illumination light bundle 50, which irradiates the illumination unit 16 into the sample space 38 in the manner described below.
  • the illumination light beam 50 generated by the light source 14 is first supplied to the scanning unit 16.
  • the scanning unit 16 forms a confocal scanner, which is formed from the three scanning mirrors 22, 24 and 26.
  • the two scanning mirrors 22 and 24 serve to to deflect the illumination light beam 50 in a first direction, which is parallel to the x-axis with reference to the coordinate system of Figure 1.
  • the scanning mirror 26 arranged downstream of the two x scanning mirrors 22, 24 in the light propagation direction deflects the illuminating light beam 50 in a direction which is parallel to the y axis.
  • the three scanning mirrors 22, 24 and 26 cooperate such that the two x scanning mirrors 22, 24 tilt the illuminating light beam 50 by a point located on the y scanning mirror 26.
  • the second x-scanning mirror 24 compensates to some extent for the tilting of the illuminating light beam 50 caused by the first x-scanning mirror 22, so that the latter is tilted on the y-scanning mirror 26, which is tilted in the y-direction (perpendicular to the plane of the drawing). remains at a fixed position. This position is not necessarily on the optical axis 0 2 .
  • the y-scanning mirror 26 directs the illuminating light beam 50 onto the scanning lens 28, which directs the illuminating light beam 50 onto the tube lens 18.
  • the illumination light beam 50 in this exemplary embodiment does not illuminate completely when it enters the illumination objective 20 of its entrance pupil.
  • the illumination light beam 50 is laterally offset relative to the optical axis O 2 of the illumination objective 20 and tilted in the entrance pupil of the illumination objective 20 with respect to the optical axis O 2 .
  • the illuminating light beam 50 incident as a parallel beam into the illumination objective 20 is focused by the latter and directed onto the deflection surface 48 of the light deflection device 46.
  • the side of the the optical axis Oi of the detection lens 32 arranged deflection surface 48 then directs the illumination light beam 50 in the sample space 38 substantially perpendicular to the optical axis Oi inwardly.
  • a light-sheet-like illumination light distribution 52 perpendicular to the optical axis Oi of the detection objective 32, in particular in cooperation with the scanning mirrors 22, 24, is produced within the sample space 38, which is also referred to simply as a light sheet.
  • the light sheet 52 defines an illumination plane which coincides with the focal plane of the detection objective 32.
  • a target area of the sample 44 illuminated with the light sheet 52 is thus imaged sharply on the camera 36 by the detection objective 32.
  • the light sheet 52 in FIG. 1 lies outside the sample 44.
  • the light sheet 52 in the actual imaging is focussed into the sample 44 to illuminate the target area to be imaged.
  • FIG. 2 shows the light deflection device 46 with its mirror surface 48, which is offset laterally relative to the optical axis Oi of the detection objective 32 (not shown in FIG. 2).
  • the mirror flap 46 has an end face 86 which faces the carrier surface 42 of the sample holder 40 shown purely schematically in FIG. 2 as a dashed line.
  • the end face 86 forms a stop for the support surface 42, which prevents a coplanar positioning of the support surface 42 in the focal plane 54 of the detection objective 32 in the case of horizontal alignment of the support surface 42.
  • FIG. 2 also shows an image field 56 which has a width d F ov perpendicular to the optical axis Oi of the detection objective 32.
  • the target region of the specimen designated by 58 in FIG. 1 is located in the focal plane 54 and thus imaged by the detection objective 32 onto the camera 36 shown in FIG.
  • the distance which the laterally offset deflection mirror 48 has from the center of the image field 56 lying on the optical axis Oi is denoted by d S i ⁇ / 2 in FIG.
  • the quantity AA indicates the working distance of the detection objective 32 from the focal plane 54.
  • the deflection mirror 48 Since the deflection mirror 48 has the function of reflecting the illumination light beam 50 as possible without loss of light in the direction of the center of the image field 56, its axial extent, ie its extension in projection onto the optical axis Oi of the detection objective 32, must not be smaller than the beam cross section the illumination light beam 50 at the location of Deflecting mirror 48 has. However, since the illumination light beam 50 is focussed into the center of the image field 56, the beam cross section of the illumination light beam 50 at the Unnschapt 48 is significantly larger than in the center of the image field 56.
  • FIG. 3 illustrates how, by means of the oblique position of the support surface 42 according to the invention, a socket-free sample preparation is made possible in an arrangement otherwise identical to FIG.
  • the support surface 42 is tilted relative to the focal plane 54 by an inclination angle that is within an angular range of from a lower limit angle Ymin to an upper limit angle Y ma x ranges.
  • the said angle of inclination with respect to the focal plane 54 is in this case a Vertex B, which is defined by the intersection between the support surface 42 and the focal plane 54.
  • the minimum angle of inclination Y m i n is defined by a marked in Figure 2 with A stop the support surface 42 to the end face 86 of the Lichtumlenkvortechnisch 46.
  • the maximum angle of inclination Y max is determined by a stop C in FIG.
  • the support surface 42 can be tilted relative to the optical axis Oi of the detection objective 32 within an angular range which is limited by the two mechanical stops A and C to the light deflection device 46.
  • the light deflection device 46 has only one deflection element, namely the deflection mirror 48 arranged on the left of FIG. 3 on the optical axis Oi. Only then is it possible to remove the stop C located on the other side of the optical axis Oi as far from the focal plane 54, that a sufficient maximum inclination angle may be Y m a x provided.
  • the illuminating light bundle 50 is preferably inclined with respect to the optical axis Oi in such a way that it falls perpendicularly onto the inclined support surface 42.
  • the illuminating light beam 50 is shown in Figure 3 in two different directions of incidence, one to the minimum inclination angle Y m i n and the other to the maximum Tilt angle Y m a x is related.
  • This tilting of the illumination light beam 50 serves to avoid aberrations that always occur when the illumination light beam 50 otherwise impacts on the carrier surface 42, in particular when the medium between the detection objective 32 and the carrier surface 42 has a refractive index that differs from the refractive index of the medium, which is located between the support surface 42 and the illumination objective 20.
  • the deflection mirror 48 In order for the illumination light bundle 50, as explained above, to be inclined perpendicular to the support surface 42 in order to avoid aberrations with respect to the optical axis Oi of the detection objective, the deflection mirror 48 must be tilted accordingly in order to ensure that the aberration is applied to the deflection mirror 48 reflected illumination light beam 50 is irradiated perpendicular to the optical axis Oi in the direction of the image field 56. This is illustrated in FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 4 shows, purely schematically, the alignment of the deflection mirror 48 in a conventional arrangement, in which the illumination light beam 50 falls onto the deflection mirror 48 parallel to the optical axis Oi.
  • the deflection mirror 48 is inclined by 45 ° relative to the optical axis Oi.
  • Figure 5 shows an arrangement corresponding to Figure 3, in which the illumination light beam 50 by the angle ⁇ , which is equal to the inclination angle of the support surface 42, relative to the optical axis Oi is inclined.
  • This jet inclination by the angle ⁇ has the consequence that the deflecting mirror 48 is inclined by the angle ⁇ / 2 in relation to the usual 45 ° orientation.
  • the result for Y min is 9.1 °. If, on the other hand, d S K is about 3.5 mm, the result for Y min is 15.1 °.
  • suitable illumination objectives have a relatively large free working distance and can have a nominal aperture of up to 0.4 or greater.
  • the illumination objective 20 should have a comparatively small magnification, in order to ensure that the illuminating light bundle 50 emerging from the illumination objective 20 strikes the deflection mirror 48 of the light deflection device 46.
  • the field of view number of the confocal scanner or the scanning unit 16 is about 20 mm
  • Illumination objectives having a magnification of about 2.5 typically have only small numerical apertures of, for example, 0.07.
  • the illumination objective 20 is laterally displaced relative to the optical axis Oi of the detection objective 32, for example by means of a suitable adapter, in order to reduce the requirement for the objective magnification.
  • a corresponding embodiment is shown purely schematically in FIG. In the arrangement according to FIG. 6, the optical axis O 2 of the illumination objective 20 is laterally offset with respect to the optical axis Oi of the detection objective 32.
  • an entrance pupil 84 of the illumination objective 20 has illuminating illumination light bundles 50 opposite the optical axis O 2 having a lateral offset, which is indicated in FIG. 6 by the arrow PI.
  • This lateral offset in the entrance pupil 84 which is located in the rear focal plane of the illumination objective 20, leads to a tilting of the illumination light bundle 50 in the image plane and thus the focal plane of the detection objective 32.
  • This beam tilting is indicated by the arrow P2 in FIG.
  • the tilt of the illumination light beam 50 is just adjusted so that the illumination light beam 50 falls perpendicular to the sample holder 40.
  • FIG. 8 shows an alternative arrangement which manages without lateral offset of the illumination objective 20 relative to the detection objective 32. This is achieved in that the beam offset indicated by the arrow PI and the beam tilting indicated by the arrow P3 in the objective pupil 84 are chosen to be correspondingly larger than in the arrangement according to FIG.
  • FIG 8 corresponds to that of the embodiment of Figure 1, wherein the there shown, formed from the three scanning mirrors 22, 24 and 26 scanning unit 16 ensures that the illumination light beam 50 according to Figure 8 in the desired manner in the entrance pupil or the objective pupil 84 of the illumination objective 20 is laterally displaced and tilted.
  • FIGS. 9 and 10 show how the sample holder 40 can be displaced in the sample space 38 in order to successively record a series of individual images for the purpose of volume imaging.
  • FIG. 9 an arrangement is shown in which the carrier surface 42 is inclined at a minimum angle of inclination Y min with respect to the focal plane 54. In this arrangement, therefore, the stop A also shown in Figure 3 comes into effect.
  • the support surface 42 is positioned below the maximum inclination angle Y ma x with respect to the focal plane 54, whereby the stop C is effective.
  • FIGS. 9 show how the sample holder 40 can be displaced in the sample space 38 in order to successively record a series of individual images for the purpose of volume imaging.
  • Figures 9 and 10 illustrate on the one hand a displacement of the support surface 42 along the x ' axis, ie parallel to the support surface 42, and secondly a displacement along the z ' axis, ie perpendicular to the support surface 42 (respectively indicated by the two arrows).
  • the displacement of the support surface 42 along the x ' axis results in individual images which in their entirety result in a captured image volume 60.
  • the displacement of the support surface 42 along the z ' axis results in individual images which in their entirety result in an image volume 62.
  • FIG. 11 is a purely schematic representation in which four different possibilities for recording a stack of individual images 64 are illustrated.
  • FIG. 11 shows in the partial image a) an arrangement in which the support surface 42 in the z-direction, i. along the optical axis Oi of the detection lens 32 is moved.
  • the area of the image volume lying above the support surface 42 is 66 and the region of the image volume below the support surface 42 is designated 68.
  • an image stack lying perpendicularly to the carrier surface 42 can be produced, from the data of which data can be obtained by means of a suitable data processing, for example using a so-called reslice method, images lying parallel to the carrier surface 42 whose position along the x-axis differs from the case shown in the drawing a) does not depend on z ' .
  • FIG. 12 shows a sample holder 70 which, for example, forms an insert for a microscope stage and has a plurality of inclined carrier surfaces 72, 74, 76. On each of these support surfaces 72, 74, 76, a sample 78, 80 and 82 can be arranged.
  • the sample holder 70 is designed, for example, so that it can be easily inserted into an existing microscope stage.
  • the sample holder 70 is formed in its entirety or even partially transparent. For example, it is possible to make transparent only that part of the respective slanted support surface 72, 74, 76, through which the illumination light beam 50 passes, while the remaining part is opaque. This makes it possible to apply to the opaque part of the sample holder 70, for example, markings or moldings through which the respective sample 78, 80, 82 is guided mechanically in order to avoid slippage of the sample on the inclined support surface.
  • Fig. 13 shows in part a) a conventional microscope stage insert 90 for a sample holder in the center in a plan view, left in a sectional view along the line A-A shown in plan view and right in a perspective view.
  • a microscope stage insert 90 according to the invention for a sample holder according to the invention (not shown) is shown in the middle in a plan view, left in a sectional view along the line A-A shown in plan view and on the right in a perspective view.
  • a slide or a cover glass - with standard dimensions - can be inserted into the recessed edge area 92 and easily exchanged.
  • the slide is on the slide or coverslip.
  • the microscope stage insert 90 has a side wall 94, which serves, for example, to add an aqueous sample medium in the interior of the microscope stage insert 90, so that the sample (not shown in FIG. 13) is in a preferably lifelike environment during the microscopic examination.
  • the recessed edge region 92 is formed essentially parallel to the surface of the part-circular insert region 96.
  • the part-circular insert area 96 serves for inserting the microscope stage insert 90 in one correspondingly formed recess on the microscope stage (not shown in FIG. 13).
  • a slide or a cover glass, on which the sample is located can likewise be inserted into the recessed edge region 92.
  • this microscope stage insert 90 has a sidewall 94 which serves, e.g. To add an aqueous sample medium in the interior of the microscope stage insert 90, so that the sample (not shown in Fig. 13) is in the closest possible environment during the microscopic examination.
  • the recessed edge portion 92 is formed substantially at an inclination angle ⁇ with respect to the surface of the part-circular insert portion 96. In that regard, an inserted into the recessed edge portion 92 coverslip or slide with a support surface relative to the focal plane of the detection lens at the predetermined inclination angle ⁇ is arranged.
  • the two lateral regions 98 of the microscope stage insert 90 which project beyond the circumference of the part-circular insert region 96, can ensure that the microscope stage insert 90 is always inserted in a predetermined orientation into a microscope stage with a corresponding recess.
  • the microscope stage and the microscope stage insert 90 is suitably calibrated so that the height of the cover glass of a control device of the light-sheet microscope is known at a predetermined microscope stage position, in particular to avoid collisions between deflecting mirror and cover glass.

Abstract

The invention relates to a light sheet microscope (10), comprising a detection lens (32) for imaging a target region (58) of a sample (44), which is located in a focal plane (54) of the detection lens (32), an illumination lens (20) for focusing an illumination light bundle (50) into the sample (44), wherein the detection lens (32) and the illumination lens (20) lie opposite each other by the optical axes thereof (O2, O1), aligned perpendicular to the focal plane, (54) and define a sample space (38) therebetween containing the focal plane (54), a sample holder (40) having at least one carrier surface (42) arranged in the sample space (38), on which the sample can be attached (44), and a light deflection device (46) having a deflection surface (48), which is arranged in the sample space (38) laterally offset relative to the optical axis (O1) of the detection lens (32) and is designed to deflect the illumination light bundle (50) focused through the illumination lens (20) in a direction perpendicular to the optical axis (O1) of the detection lens (32) such that the deflected illumination light bundle (50) forms a light-sheet-like illumination light distribution (52) focused in the focal plane (54), wherein the light deflection device (46) has a collision portion (86) facing the carrier surface (42), which defines a mechanical stop for the carrier surface (42) on the light deflection device (46), preventing a coplanar arrangement of the carrier surface (42) in the focal plane (54). According to the invention, the carrier surface (42) is inclined relative to the focal plane (54) at a predetermined inclination angle such that a portion of the carrier surface (42) is arranged in the focal plane (54).

Description

Lichtblattmikroskop  Light sheet microscope
Die Erfindung betrifft ein Lichtblattmikroskop, umfassend ein Detektionsobjektiv zum Abbilden eines Zielbereichs einer Probe, der sich in einer Fokusebene des Detektionsobjektivs befindet, ein Beleuchtungsobjektiv zum Fokussieren eines Beleuchtungslichtbündels in die Probe, wobei das Detektionsobjektiv und das Beleuchtungsobjektiv mit ihren senkrecht zur Fokusebene ausgerichteten optischen Achsen einander gegenüber liegen und zwischen sich einen die Fokusebene enthaltenen Probenraum definieren, einen Probenhalter mit mindestens einer in dem Probenraum angeordneten Trägerfläche, auf der die Probe anbringbar ist, und eine Lichtumlenkvorrichtung mit einer Umlenkfläche, die in dem Probenraum seitlich versetzt zur optischen Achse des Detektionsobjektivs angeordnet und ausgebildet ist, das durch das Beleuchtungsobjektiv - vorzugsweise fokussierte - Beleuchtungslichtbündel in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des Detektionsobjektivs derart umzulenken, dass das umgelenkte Beleuchtungslichtbündel eine in die Fokusebene fokussierte lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung bildet, wobei die Lichtumlenkvorrichtung einen der Trägerfläche zugewandten Kollisionsabschnitt hat, der für die Trägerfläche einen mechanischen Anschlag an die Lichtumlenkvorrichtung definiert, der eine koplanare Anordnung der Trägerfläche in der Fokusebene verhindert. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Nachrüstsatz für ein Lichtblattmikroskop. The invention relates to a light-beam microscope comprising a detection objective for imaging a target region of a sample located in a focal plane of the detection objective, an illumination objective for focusing an illumination light beam into the sample, the detection objective and the illumination objective being aligned with their optical axes oriented perpendicular to the focal plane lie opposite and define between them a sample plane containing the focal plane, a sample holder with at least one disposed in the sample space support surface on which the sample is attachable, and a Lichtumlenkvorrichtung with a deflection surface laterally offset in the sample chamber to the optical axis of the detection lens and is formed, the deflected by the illumination lens - preferably focused - illuminating light beam in a direction perpendicular to the optical axis of the detection lens such that the deflected Bele The light deflection device has a collision section facing the carrier surface, which defines a mechanical stop for the carrier surface on the light deflection device, which defines a coplanar arrangement of the light beam Carrier surface prevented in the focal plane. Furthermore, the present invention relates to a retrofit kit for a light sheet microscope.
In jüngerer Vergangenheit kommen insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie sogenannte Lichtblatt- oder Lichtscheibenmikroskope zur Anwendung, bei denen nur eine dünne Schicht in der Probe beleuchtet wird. Verglichen mit herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopen ermöglichen Lichtblattmikroskope so eine höhere Auflösung und eine geringere Lichtbelastung, wodurch unerwünschte Effekte durch Bleichen oder lichtinduzierten Stress in biologischen Proben vermindert werden. Lichtblattmikroskope sind deshalb besonders gewinnbringend für Fluoreszenzuntersuchungen an lebenden Organismen einsetzbar. In the recent past, especially in fluorescence microscopy so-called light-sheet or optical disc microscopes are used, in which only a thin layer is illuminated in the sample. Compared with conventional fluorescence microscopes, light-sheet microscopes thus enable higher resolution and lower light exposure, thereby reducing undesirable effects due to bleaching or light-induced stress in biological samples. Light sheet microscopes are therefore particularly useful for fluorescence studies on living organisms.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige optische Anordnungen zur Realisierung eines Lichtblattmikroskops bekannt. Im Kontext der vorliegenden Erfindung sind hierbei insbesondere Anordnungen zu nennen, bei denen Beleuchtung und Detektion über zwei separate Objektive erfolgen. Dabei sind das Beleuchtungsobjektiv und das Detektionsobjektiv üblicherweise senkrecht zueinander angeordnet. Diese senkrechte Anordnung der Objektive hat jedoch insbesondere den Nachteil, dass sie sich nicht ohne weiteres in schon bestehenden Mikroskopsysteme, z.B. Konfokalsysteme oder Rastermikroskope integrieren lässt. Various optical arrangements for the realization of a light-sheet microscope are known from the prior art. In the context of the present invention, particular mention should be made here of arrangements in which illumination and detection take place via two separate objectives. In this case, the illumination objective and the detection objective are usually arranged perpendicular to one another. However, this vertical arrangement of the lenses has the particular disadvantage that they do not readily exist in already existing microscope systems, e.g. Integrate confocal or scanning microscopes.
Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde von der Anmelderin mit der DE 10 2012 109 577 AI eine Anordnung vorgeschlagen, bei der sich das Beleuchtungsobjektiv und das Detektionsobjektiv in Abkehr von der vorgenannten rechtwinkligen Anordnung einander längs der vertikalen Achse - z.B. in einem inversen Mikroskopstativ implementiert - gegenüberstehen. Um auch in dieser Anordnung ein senkrecht zur Detektionsachse liegendes Lichtblatt erzeugen zu können, wird das längs der vertikalen Stativachse durch das Beleuchtungsobjektiv tretende Beleuchtungslichtbündel auf ein Spiegelsystem gerichtet, welches das Beleuchtungslichtbündel in einem rechten Winkel ablenkt, um die Probe in der horizontal liegenden Fokusebene des Detektionsobjektivs in gewohnter Weise mit einer lichtblattartigen Beleuchtungslichtverteilung zu beleuchten. Der in der Fokusebene liegende Zielbereich der Probe wird dann durch das Detektionsobjektiv auf einen Kamerasensor abgebildet. To avoid this disadvantage, an arrangement was proposed by the applicant with DE 10 2012 109 577 AI, in which the In contrast to the above-mentioned right-angled arrangement, the illumination objective and the detection objective face one another along the vertical axis, for example implemented in an inverted microscope stand. In order to be able to produce a light sheet perpendicular to the detection axis in this arrangement, the illuminating light bundle passing through the illuminating objective along the vertical tripod axis is directed onto a mirror system which deflects the illuminating light bundle at a right angle to the sample in the horizontally lying focal plane of the detection objective to illuminate in the usual way with a light sheet-like illumination light distribution. The target area of the sample lying in the focal plane is then imaged onto a camera sensor by the detection objective.
Das vorgenannte Spiegelsystem besteht aus zwei Spiegelelementen, die unter einem Winkel von 45° beiderseits der optischen Achse des Detektionsobjektivs angeordnet sind. Die längs der optischen Achse bemessene Ausdehnung des jeweiligen Spiegelelementes ist durch den Strahlquerschnitt festgelegt, den das Beleuchtungslichtbündel am Ort des Spiegelelementes aufweist. Da das Beleuchtungsobjektiv darauf ausgelegt ist, das Beleuchtungslichtbündel so zu fokussieren, dass dieses im Zielbereich der Probe seine geringste Ausdehnung längs der optischen Achse des Detektionsobjektivs hat, ist der Strahlquerschnitt des Beleuchtungslichtbündels am Ort des jeweiligen Spiegelelementes noch deutlich größer als im Zielbereich der Probe. Somit weist das Spiegelelement parallel zur optischen Achse des Detektionsobjektivs eine Ausdehnung auf, die mindestens der Ausdehnung des Strahlquerschnitts entspricht, was eine vergleichsweise aufwändige Probenpräparation erforderlich macht. So kann nämlich die Trägerfläche des verwendeten Probenhalters, der üblicherweise als transparentes Deckglas ausgeführt ist, nicht exakt in der mit dem Lichtblatt beleuchteten Fokusebene des Detektionsobjektivs positioniert werden, da das Deckglas bei seiner Annäherung an das Detektionsobjektiv mit dem an dem Detektionsobjektiv angebrachten Spiegelsystem kollidiert, bevor es die Fokusebene erreicht. Um den daraus resultierenden axialen Versatz zwischen der Trägerfläche des Probenhalters und der Fokusebene zu kompensieren, muss die Probe auf einem auf der Trägerfläche angeordneten Sockel präpariert werden. Obgleich dieser Sockel zwar nur wenige 100 μηη hoch ist, erschwert er dennoch die Probenpräparation, insbesondere beim Umstieg von einer sockelfreien Präparation, wie sie etwa in der Weitfeldmikroskopie oder in der konfokalen Mikroskopie üblich ist. The aforementioned mirror system consists of two mirror elements, which are arranged at an angle of 45 ° on both sides of the optical axis of the detection objective. The dimension of the respective mirror element dimensioned along the optical axis is determined by the beam cross section which the illumination light beam has at the location of the mirror element. Since the illumination objective is designed to focus the illumination light bundle so that it has its smallest extension along the optical axis of the detection objective in the target region of the sample, the beam cross section of the illumination light bundle at the location of the respective mirror element is still significantly larger than in the target region of the sample. Thus, the mirror element parallel to the optical axis of the detection lens has an extension which corresponds at least to the extent of the beam cross-section, which is a makes comparatively expensive sample preparation required. Thus, namely, the support surface of the sample holder used, which is usually designed as a transparent cover glass, not exactly positioned in the illuminated with the light sheet focus plane of the detection lens, since the cover glass collides with its approach to the detection lens with the attached to the detection lens mirror system before it reaches the focal plane. In order to compensate for the resulting axial offset between the support surface of the sample holder and the focal plane, the sample must be prepared on a base arranged on the support surface. Although this base is only a few 100 μηη high, it still makes the sample preparation difficult, especially when switching from a socket-free preparation, as is customary in wide-field microscopy or in confocal microscopy.
Zum weiteren Stand der Technik wird verwiesen auf die Veröffentlichungen Chen, B.-C. et al., Lattice light-sheet microscopy: imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution. Science 346, 1257998 (2014); Planchon, T. A. et al., Rapid three-dimensional isotropic imaging ofliving cells using Besse I beam plane Illumination., Nat. Methods 8, 417 (2011); und Wu, Y. et al. Inverted selective plane illumination microscopy (iSPIM) enables coupled cell identity lineaging and neurodevelopmental imaging in Caenorhabditis elegans. PNAS 108, 17708 (2011). Aus diesen Veröffetnlichtungen sind Anordnungen offenbart, bei denen das Beleuchtungsobjektiv und das Detektionsobjektiv jeweils auf derselben Seite des Deckglases liegen und gegenüber diesem unter einem Winkel von 45° angeordnet sind. ln der DE 10 2013 107 297 AI ist ein Lichtblattmikroskop offenbart, bei dem das Beleuchtungsobjektiv und das Detektionsobjektiv ebenfalls auf einer Seite des Deckglases angeordnet sind, wobei der jeweilige Winkel, unter dem das Beleuchtungsobjektiv bzw. das Detektionsobjektiv bezüglich des Deckglases ausgerichtet ist, anhand der numerischen Apertur des jeweiligen Objektivs vorgegeben ist. For further prior art reference is made to the publications Chen, B.-C. et al., Lattice light-sheet microscopy: imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution. Science 346, 1257998 (2014); Planchon, TA et al., Rapid three-dimensional isotropic imaging ofliving cells using Besse I beam plane illumination., Nat. Methods 8, 417 (2011); and Wu, Y. et al. Inverted selective plane illumination microscopy (iSPIM) enables coupled cell identity lineage and neurodevelopmental imaging in Caenorhabditis elegans. PNAS 108, 17708 (2011). Arrangements are disclosed from these opening recesses, in which the illumination objective and the detection objective each lie on the same side of the cover glass and are arranged at an angle of 45 ° with respect to it. DE 10 2013 107 297 A1 discloses a light-sheet microscope in which the illumination objective and the detection objective are likewise arranged on one side of the cover glass, the respective angle at which the illumination objective or the detection objective is aligned with respect to the cover glass being determined on the basis of FIG numerical aperture of the respective lens is predetermined.
Schließlich ist aus der DE 10 2012 110 077 AI ein Lichtblattmikroskop bekannt, bei dem sich das Beleuchtungsobjektiv und das Detektionsobjektiv auf entgegengesetzten Seiten des Deckglases befinden. Dabei ist das Detektionsobjektiv wie üblich senkrecht zum Deckglas ausgerichtet. Demgegenüber ist das Beleuchtungsobjektiv gegenüber dem Deckglas schräg gestellt. Finally, from DE 10 2012 110 077 AI a light sheet microscope is known in which the illumination lens and the detection lens are on opposite sides of the cover glass. As usual, the detection objective is oriented perpendicular to the cover glass. In contrast, the illumination lens is inclined relative to the cover glass.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtblattmikroskop eingangs beschriebener Art so weiterzubilden, dass es eine hochaufgelöste Bildgebung mit einer einfachen Probenpräparation ermöglicht. The object of the invention is to develop a light sheet microscope of the type described above so that it allows a high-resolution imaging with a simple sample preparation.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Lichtblattmikroskop, umfassend ein Detektionsobjektiv zum Abbilden eines Zielbereichs einer Probe, der sich in einer Fokusebene des Detektionsobjektivs befindet, ein Beleuchtungsobjektiv zum Fokussieren eines Beleuchtungslichtbündels in die Probe, wobei das Detektionsobjektiv und das Beleuchtungsobjektiv mit ihrem senkrecht zur Fokusebene ausgerichteten optischen Achsen einander gegenüber liegen und zwischen sich einen die Fokusebene enthaltenen Probenraum definieren, einen Probenhalter mit mindestens einer in dem Probenraum angeordneten Trägerfläche, auf der die Probe anbringbar ist, und eine Lichtumlenkvorrichtung mit einer Umlenkfläche, die in dem Probenraum seitlich versetzt zur optischen Achse des Detektionsobjektivs angeordnet und ausgebildet ist, das durch das Beleuchtungsobjektiv - vorzugsweise fokussierte - Beleuchtungslichtbündel in eine Richtung senkrecht zur optischen Achse des Detektionsobjektivs derart umzulenken, dass das umgelenkte Beleuchtungslichtbündel eine in die Fokusebene fokussierte lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung bildet, wobei die Lichtumlenkvorrichtung einen der Trägerfläche zugewandten Kollisionsabschnitt hat, der für die Trägerfläche einen mechanischen Anschlag an die Lichtumlenkvorrichtung definiert, der eine koplanare Anordnung der Trägerfläche in der Fokusebene verhindert. Erfindungsgemäß ist die Trägerfläche gegenüber der Fokusebene unter einem vorbestimmten Neigungswinkel derart geneigt, dass ein Teil der Trägerfläche in der Fokusebene angeordnet ist. The invention achieves this object by a light-beam microscope comprising a detection objective for imaging a target region of a sample located in a focal plane of the detection objective, an illumination objective for focusing an illumination light beam into the sample, the detection objective and the illumination objective being aligned with their plane perpendicular to the focal plane optical axes face each other and define a sample space containing the focal plane, a sample holder with at least one support surface arranged in the sample space on which the sample can be attached, and a light deflection device with a deflection surface which is arranged and formed laterally offset from the optical axis of the detection objective in the sample space; to deflect the illuminating light bundle - preferably focused - in a direction perpendicular to the optical axis of the detection lens such that the deflected illuminating light beam forms a focused in the focal plane light sheet-like illumination light distribution, wherein the Lichtumlenkvorrichtung has a the carrier surface facing collision section, which is a mechanical surface for the support surface Defined stop on the Lichtumlenkvorrichtung, which prevents a coplanar arrangement of the support surface in the focal plane. According to the invention, the carrier surface is inclined relative to the focal plane at a predetermined angle of inclination such that a part of the carrier surface is arranged in the focal plane.
Die Erfindung sieht also vor, die Trägerfläche des Probenhalters gegenüber der Fokusebene des Beleuchtungsobjektivs und/oder des Detektionsobjektivs, die mit der durch die lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung gebildeten Beleuchtungsebene zusammenfällt, zu verkippen, um einen Teil der die Probe tragenden Trägerfläche in der Fokusebene des Beleuchtungsobjektivs und/oder des Detektionsobjektivs zu positionieren. Dadurch wird es möglich, die Probe ohne Sockel direkt auf der Trägerfläche des Probenhalters zu präparieren bzw. anzuordnen. Dies erleichtert die Arbeit mit dem Lichtblattmikroskop erheblich, insbesondere wenn das Mikroskop zugleich als Weitfeldmikroskop und/oder als Konfokalmikroskop genutzt wird, wobei üblicherweise eine Probenpräparation ohnehin direkt auf der Trägerfläche bzw. einem Objektträger oder einem Deckglas und ohne einen Sockel erfolgt. The invention therefore provides for tilting the support surface of the sample holder relative to the focal plane of the illumination objective and / or the detection objective coinciding with the illumination plane formed by the light-beam-like illumination light distribution in order to cover part of the support surface carrying the sample in the focal plane of the illumination objective and / or or the detection lens. This makes it possible to prepare or arrange the sample without base directly on the support surface of the sample holder. This considerably facilitates the work with the light-sheet microscope, in particular if the microscope at the same time as a wide-field microscope and / or as Confocal microscope is used, whereby usually a sample preparation takes place anyway directly on the support surface or a slide or a coverslip and without a pedestal.
Die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung ist beispielsweise in Form eines einzigen Spiegelelementes realisiert, das seitlich versetzt zur optischen Achse des Detektionsobjektivs und damit seitlich versetzt zu dem durch das Detektionsobjektiv abzubildenden Zielbereich der Probe angeordnet ist. Dabei kann die Lichtumlenkvorrichtung auch so ausgeführt sein, dass sie mehrere Spiegelfacetten aufweist, um die Beleuchtungsrichtung innerhalb der Beleuchtungsebene und damit der Fokusebene nach Wunsch variieren zu können, beispielsweise um die Probe aus geringfügig unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. The light deflection device according to the invention is realized for example in the form of a single mirror element, which is laterally offset from the optical axis of the detection objective and thus arranged laterally offset from the target area of the sample to be imaged by the detection objective. In this case, the light deflection device can also be designed so that it has a plurality of mirror facets, in order to be able to vary the illumination direction within the illumination plane and thus the focal plane as desired, for example to illuminate the sample from slightly different directions.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sich die erfindungsgemäße Probenbeleuchtung ohne Zuhilfenahme eines Probensockels in einfacher Weise auch an schon bestehenden Mikroskopsystemen realisieren lässt. Erforderlich sind lediglich eine schräggestellte Trägerfläche sowie eine entsprechend ausgebildete Lichtumlenkvorrichtung, die leicht nachrüstbar sind. One advantage of the invention is that the sample illumination according to the invention can be realized in a simple manner on already existing microscope systems without the aid of a sample socket. Required are only an inclined support surface and a trained light deflection device, which are easy to retrofit.
Vorzugsweise ist die Trägerfläche des Probenhalters zumindest teilweise transparent ausgebildet, wobei das Beleuchtungsobjektiv das Beleuchtungslichtbündel durch den transparenten Teil der Trägerfläche hindurch auf die Umlenkfläche richtet. Insbesondere ist es möglich, den Probenhalter abgesehen von der Schrägstellung seiner Trägerfläche nach Art eines herkömmlichen Deckglases, d.h. in seiner Gesamtheit transparent auszuführen. Durch die zumindest teilweise transparente Ausbildung der Trägerfläche ist es möglich, das aus dem Beleuchtungsobjektiv austretende Beleuchtungslichtbündel neben der auf der Trägerfläche aufliegenden Probe durch den Probenhalter hindurch auf die Umlenkfläche der Lichtumlenkvorrichtung zu führen, um ihn dann zur Erzeugung des Lichtblatts von der Seite her senkrecht auf die optische Achse des Detektionsobjektivs in dessen Fokusebene zu lenken. Preferably, the support surface of the sample holder is at least partially transparent, wherein the illumination objective directs the illumination light bundle through the transparent part of the support surface on the deflection surface. In particular, it is possible, the sample holder apart from the inclination of its support surface in the manner of a Conventional coverslip, ie perform in its entirety transparent. As a result of the at least partially transparent design of the carrier surface, it is possible to guide the illuminating light bundle emerging from the illumination objective next to the sample resting on the carrier surface through the sample holder onto the deflecting surface of the light deflecting device, then perpendicularly to the latter for generating the light sheet from the side to direct the optical axis of the detection lens in the focal plane.
Alternativ oder zusätzlich ist die Trägerfläche - gegebenenfalls in Zusammenwirkung mit einem Immersionsmedium und/oder einem Probenmedium - derart ausgebildet, dass ein möglichst geringer Teil des Beleuchtungslichtbündels an der Trägerfläche reflektiert wird. Dies ist insbesondere dafür gedacht, dass nachdem das Beleuchtungslichtbündel durch die Trägerfläche verlaufen und an der Umlenkfläche umgelenkt wurde wieder auf die Trägerfläche auftrifft. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass die Trägerfläche beispielsweise mit einer Anti-Reflexionsbeschichtung beschichtet ist, die für die verwendeten Wellenlängen des Beleuchtungslichts vorgesehen bzw. optimiert ist. Auch die Verwendung von Immersionsmedium und/oder einem Probenmedium mit einem Brechungsindex, der weitgehend an den Brechungsindex des Probenhalters angepasst ist (oder umgekehrt, ein Probenhalter dessen Brechungsindex an die Probe und das Immersionsmedium angepasst ist), kann die Reflexionsanteile des Beleuchtungslichtbündels reduzieren. ln einer bevorzugten Ausführungsform ist das Beleuchtungsobjektiv ausgebildet, das Beleuchtungslichtbündel - bei einem ersten Auftreffen des Beleuchtungslichtbündels auf dem Probenhalter bzw. auf der Trägerfläche - in senkrechter Einfallsrichtung auf den transparenten Teil der Trägerfläche zu richten. Diese Ausführungsform berücksichtigt den Umstand, dass für den Fall, dass Aberrationen auftreten, wenn das Beleuchtungslichtbündel schräg durch die Trägerfläche des Probenhalters hindurchtritt. Diese werden noch verstärkt, wenn ein Probenmedium zwischen dem Detektionsobjektiv und der Trägerfläche einen anderen Brechungsindex hat als ein zwischen der Trägerfläche und dem Beleuchtungsobjektiv vorhandenes Medium. Durch den in dieser Ausführungsform vorgesehenen senkrechten Lichteinfall auf die Trägerfläche können solche Aberrationen reduziert oder vermieden werden. Alternatively or additionally, the carrier surface-optionally in cooperation with an immersion medium and / or a sample medium-is designed in such a way that the smallest possible part of the illumination light bundle is reflected on the carrier surface. This is in particular intended for the fact that after the illumination light bundle has passed through the carrier surface and was deflected at the deflection surface, it again strikes the carrier surface. This could be achieved by coating the support surface, for example with an anti-reflection coating, which is provided or optimized for the wavelengths of the illumination light used. Also, the use of immersion medium and / or a sample medium having a refractive index which is largely adapted to the refractive index of the sample holder (or vice versa, a sample holder whose refractive index is adapted to the sample and the immersion medium), can reduce the reflection components of the illumination light beam. In a preferred embodiment, the illumination objective is designed to direct the illuminating light bundle onto the transparent part of the carrier surface in a perpendicular direction of incidence upon a first impingement of the illuminating light bundle on the sample holder or on the carrier surface. This embodiment takes into account the fact that, in the event that aberrations occur, the illumination light beam passes obliquely through the support surface of the sample holder. These are even more pronounced if a sample medium has a different refractive index between the detection objective and the carrier surface than a medium present between the carrier surface and the illumination objective. By the vertical incidence of light on the carrier surface provided in this embodiment, such aberrations can be reduced or avoided.
Der Probenhalter ist beispielsweise als Mikroskoptischeinsatz ausgebildet, der in seinen Abmessungen angepasst oder im Wesentlichen identisch mit anderen, für einen vorhandenen Mikroskoptisch vorgesehenen Einsätzen und somit leicht austauschbar ist. Ein solcher Einsatz weist an seinem Boden beispielsweise einen oder mehrere transparente, schräggestellte Trägerabschnitte, auf denen die Proben angeordnet werden können. Möglich ist auch, nur einen Teil des jeweiligen Trägerabschnitts transparent auszuführen und das Beleuchtungslichtbündel durch diesen transparenten Teil auf die Umlenkfläche zu führen. Der übrige Teil des Trägerabschnitts, insbesondere derjenige Teil, auf dem sich die Probe befindet, kann dann undurchsichtig ausgebildet und beispielsweise mit Markierungen oder Formelementen versehen sein, um etwa die Probe lagerichtig zu positionieren, mechanisch zu führen und/oder ein Verrutschen der Probe auf der schrägen Trägerfläche zu verhindern. Bevorzugt ist die Trägerfläche in Zusammenwirkung mit dem Probenhalter und/oder dem Mikroskoptisch mit Kalibrier- bzw. Kodiermarkeirungen versehen, damit eine Steuereinrichtung des Lichtblattmikroskops die Relativposition der Trägerfläche zum Beleuchtungsobjektiv und/oder zum Detektionsobjektiv kennt und hieraus die aktuelle Höhe des Deckglases errechnen kann bzw. kennt. Damit kennt die Steuereinrichtung einerseits die Position der Probe und andererseits kann eine Kollision zwischen Umlenkspiegel und Trägerfläche (und/oder dem Beleuchtungsobjektiv oder dem Detektionsobjektiv) vermeiden werden. The sample holder is designed for example as a microscope stage insert, which is adapted in its dimensions or substantially identical to other, provided for an existing microscope stage inserts and thus easily replaceable. Such an insert has at its bottom, for example, one or more transparent, inclined support sections on which the samples can be arranged. It is also possible to carry out only a part of the respective support section transparent and to guide the illumination light bundle through this transparent part to the deflection surface. The remaining part of the support section, in particular that part on which the sample is located, can then be opaque and, for example, provided with markings or mold elements, for example to position, guide and / or guide the sample in the correct position To prevent slippage of the sample on the inclined support surface. Preferably, the support surface is provided in cooperation with the sample holder and / or the microscope stage with calibration or Kodiermarkeirungen so that a control device of the light sheet microscope knows the relative position of the support surface to the illumination lens and / or the detection lens and from this can calculate the current height of the cover glass or knows. Thus, the control device knows on the one hand the position of the sample and on the other hand, a collision between deflecting mirror and support surface (and / or the illumination objective or the detection objective) can be avoided.
Vorzugsweise ist die Lichtumlenkvorrichtung an einem der Probe zugewandten Teil des Detektionsobjektivs angebracht. So ist die Lichtumlenkvorrichtung z.B. in Form einer sogenannten Spiegelkappe ausgeführt, die sich wie aus dem Stand der Technik benannte Spiegelkappen an dem Detektionsobjektiv anbringen und von diesem lösen lassen. Im Unterschied zu herkömmlichen Spiegelkappen, die zwei zur optischen Achse des Detektionsobjektivs seitlich versetzte Spiegelelemente aufweisen, verfügt jedoch in dieser Weiterbildung die Spiegelkappe nur über ein einziges Spiegelelement, um eine gewisse Schrägstellung der Trägerfläche ohne Anschlag an die Spiegelkappe zu ermöglichen. The light deflection device is preferably attached to a part of the detection objective facing the sample. Thus, the light-deflecting device is e.g. executed in the form of a so-called mirror cap, which attach as in the prior art named mirror caps on the detection lens and can be solved by this. In contrast to conventional mirror caps, which have two mirror elements laterally offset from the optical axis of the detection objective, however, in this development, the mirror cap has only a single mirror element in order to allow a certain inclination of the carrier surface without abutment against the mirror cap.
Vorzugsweise wirken das Beleuchtungsobjektiv und die Umlenkfläche derart zusammen, dass die durch das fokussierte Beleuchtungslichtbündel in der Fokusebene gebildete lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung auf der optischen Achse des Detektionsobjektivs ihre minimale axiale Ausdehnung aufweist. Je geringer die genannte axiale Ausdehnung des Lichtblatts entlang der optischen Achse des Detektionsobjektivs ist, desto höher ist die in der Bildgebung erzielbare Auflösung. The illumination objective and the deflection surface preferably cooperate in such a way that the light-sheet-like illumination light distribution formed on the optical axis of the detection objective by the focused illumination light beam in the focal plane has its minimum axial extent having. The smaller the axial extent of the light sheet along the optical axis of the detection objective, the higher the resolution achievable in the imaging.
Vorzugsweise liegt der vorbestimmte Neigungswinkel, unter dem die Trägerfläche des Probenhalters gegenüber der Fokusebene geneigt ist, innerhalb eines Winkelbereichs, der von einem unteren Grenzwinkel, bei dem die Trägerfläche des Probenhalters mit dem Kollisionsabschnitt der Lichtumlenkvorrichtung in Anschlag ist, bis zu einem oberen Grenzwinkel reicht. Auch der obere Grenzwinkel ist beispielsweise durch einen Anschlag der Trägerfläche an der Lichtumlenkvorrichtung festgelegt. Preferably, the predetermined inclination angle at which the support surface of the sample holder is inclined with respect to the focal plane is within an angular range ranging from a lower limit angle at which the support surface of the sample holder is in abutment with the collision portion of the light deflection to an upper limit angle. The upper limit angle is also determined, for example, by a stop of the carrier surface on the light deflection device.
Vorzugsweise befindet sich der Scheitelpunkt des Neigungswinkels, unter dem die Trägerfläche die Fokusebene schneidet, an einem der Umlenkfläche zugewandten Rand eines Bildfeldes, das den durch das Detektionsobjektiv abgebildeten Zielbereich definiert. Der Scheitelpunkt kann bei den oben erwähnten Kalibrier- bzw. Kodiermarkeirungen der Trägerfläche bzw. des Probenhalters entsprechend gekennzeichnet werden, so dass die Position des Scheitelpunkts der Steuereinheit des Lichtblattmikroskops bekannt ist bzw. bekannt gemacht werden kann. Preferably, the vertex of the angle of inclination, under which the support surface intersects the focal plane, is located on an edge of an image field facing the deflection surface, which defines the target area imaged by the detection objective. The vertex can be marked accordingly in the above-mentioned calibration or coding of the support surface or the sample holder, so that the position of the vertex of the control unit of the light sheet microscope is known or can be made known.
Vorzugsweise ist die Ausdehnung der Umlenkfläche derart dimensioniert, dass die Projektion der Umlenkfläche auf die optische Achse des Detektionsobjektivs im Wesentlichen gleich dem Strahlquerschnitt bzw. dem Strahldurchmesser, den das Beleuchtungslichtbündel in der genannten Projektion an der Umlenkfläche aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass die axiale Ausdehnung der Umlenkfläche auf den Strahlquerschnitt des Beleuchtungslichtbündels vor Umlenkung an der Umlenkfläche beschränkt ist, wodurch der Neigungswinkel, unter dem die Trägerfläche des Probenhalters gegenüber der Fokusebene geneigt ist, vergleichsweise gering gehalten werden kann. The extent of the deflection surface is preferably dimensioned such that the projection of the deflection surface onto the optical axis of the detection objective is substantially equal to the beam cross section or the beam diameter which the illumination light bundle in the projection at the deflection surface having. This ensures that the axial extent of the deflection surface is limited to the beam cross section of the illumination light beam before deflection at the deflection surface, whereby the inclination angle at which the support surface of the sample holder is inclined relative to the focal plane, can be kept relatively low.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Lichtblattmikroskop eine dem Beleuchtungsobjektiv vorgeordnete Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle und einem Lichtblattgenerator, der ausgebildet ist, aus dem von der Lichtquelle erzeugten Beleuchtungslichtbündel im Zusammenwirken mit dem Beleuchtungsobjektiv die lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung zu generieren. In a preferred embodiment, the light-sheet microscope includes a lighting unit upstream lighting unit with a light source and a light sheet generator, which is formed to generate from the light source bundle generated by the illumination light beam in cooperation with the illumination lens, the light sheet-like illumination light distribution.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Lichtblattgenerator eine Abtasteinheit. Diese Abtasteinheit ist ausgebildet, das von der Lichtquelle erzeugte Beleuchtungslichtbündel so abzulenken, dass dieses in der Fokusebene des Detektionsobjektivs eine Abtastbewegung ausführt, durch die das Lichtblatt aufgebaut wird. Hierzu verfügt die Abtasteinheit einen oder mehrere Abtastspiegel, die das Beleuchtungslichtbündel in der gewünschten Weise ablenken. Beispielsweise kann als Abtasteinheit ein Konfokalscanner mit drei Abtastspiegeln eingesetzt werden, von denen ein erster und ein zweiter Abtastspiegel z.B. für eine Verkippung des Beleuchtungslichtbündels in x- Richtung und ein dritter Abtastspiegel für eine Verkippung in y-Richtung sorgen. Dabei werden der erste und der zweite x-Abtastspiegel eingesetzt, um das Beleuchtungslichtbündel um einen Punkt zu verkippen, der auf dem y- Abtastspiegel liegt. Der zweite x-Abtastspiegel kompensiert also teilweise die Verkippung durch den ersten x-Abtastspiegel, so dass das Beleuchtungslichtbündel auf dem dritten Abtastspiegel, der in y-Richtung verkippt, an einer festen Position verbleibt, typischerweise auf der optischen Achse. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Spiegel auch so zusammenwirken, dass der Beleuchtungsstrahl sowohl entlang der x-Richtung versetzt wird, als auch um die y-Richtung verkippt wird und bei einem ersten Auftreffen des Beleuchtungsstrahls auf der Trägerfläche bzw. dem Probenhalter senkrecht auf die gegenüber der optischen Achse des Beleuchtungsobjektivs verkippte Trägerfläche trifft, (eventuell weiter unten: In a particularly preferred embodiment, the light sheet generator comprises a scanning unit. This scanning unit is designed to deflect the illumination light beam generated by the light source in such a way that it performs a scanning movement in the focal plane of the detection objective through which the light beam is built up. For this purpose, the scanning unit has one or more scanning mirrors, which deflect the illumination light beam in the desired manner. For example, a confocal scanner with three scanning mirrors can be used as the scanning unit, of which a first and a second scanning mirror provide, for example, for a tilting of the illumination light beam in the x direction and a third scanning mirror for a tilting in the y direction. In this case, the first and the second x-scanning mirror are used to tilt the illuminating light bundle about a point which is located on the y-axis. Scanning mirror is located. Thus, the second x scanning mirror partially compensates for tilting by the first x scanning mirror so that the illuminating light beam on the third scanning mirror, which is tilted in the y direction, remains at a fixed position, typically on the optical axis. In the context of the present invention, the mirrors can also cooperate in such a way that the illumination beam is offset both along the x-direction and tilted about the y-direction and perpendicular to the first upon impact of the illumination beam on the carrier surface or the sample holder opposite the optical axis of the illumination lens tilted support surface hits, (possibly below:
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Achse des Beleuchtungsobjektivs gegenüber der optischen Achse des Detektionsobjektivs seitlich versetzt. So ist es beispielsweise möglich, das Beleuchtungsobjektiv mittels eines geeigneten Adapters in einem Objektivrevolver seitlich zu verschieben. In a preferred embodiment, the optical axis of the illumination objective is laterally offset with respect to the optical axis of the detection objective. Thus, it is possible, for example, to move the illumination objective laterally by means of a suitable adapter in a nosepiece.
Der vorstehend genannte seitliche Versatz des Beleuchtungsobjektivs trägt dem Umstand Rechnung, dass ohne einen solchen Versatz die Vergrößerung des Beleuchtungsobjektivs vergleichsweise gering sein muss, um zu gewährleisten, dass das Beleuchtungsobjektiv mit dem Beleuchtungslichtbündel die seitlich versetzte Umlenkfläche trifft. Ermöglicht man demgegenüber dem Beleuchtungsobjektiv einen seitlichen Versatz, so können damit die Anforderungen an die Vergrößerung des Beleuchtungsobjektivs deutlich gemindert werden. Die Tatsache, dass bei einem seitlich versetzten Beleuchtungsobjektiv dessen Eintrittspupille nicht voll mit dem Beleuchtungsbündel ausgeleuchtet werden kann, ist in der bevorzugten Anwendung unproblematisch, da bevorzugt eine Unterleuchtung der Eintrittspupille stattfindet, damit es zur erwünschten Verkippung des Beleuchtungslichtbündels gegenüber der optischen Achse des Beleuchtungsobjektivs kommt. The abovementioned lateral offset of the illumination objective takes into account the fact that without such an offset, the magnification of the illumination objective must be comparatively small in order to ensure that the illumination objective with the illumination light beam strikes the laterally offset deflection surface. If, on the other hand, a lateral offset is made possible for the illumination objective, the requirements for enlarging the illumination objective can thus be significantly reduced. The fact that with a laterally offset Illumination lens whose entrance pupil can not be fully illuminated with the illumination beam, is problematic in the preferred application, since preferably an under-illumination of the entrance pupil takes place, so that it comes to the desired tilting of the illumination light beam with respect to the optical axis of the illumination objective.
Dementsprechend ist der Lichtblattgenerator vorzugsweise so ausgebildet, das Beleuchtungslichtbündel auf einem Teilbereich einer Eintrittspupille des Beleuchtungsobjektivs zu richten, der gegenüber der optischen Achse des Beleuchtungsobjektivs aus der Mitte der Eintrittspupille seitlich versetzt ist. Accordingly, the light sheet generator is preferably configured to direct the illumination light beam on a partial area of an entrance pupil of the illumination objective, which is laterally offset from the optical axis of the illumination objective from the center of the entrance pupil.
Weiterhin ist der Lichtblattgenerator vorzugsweise ausgebildet, das Beleuchtungslichtbündel gegenüber der optischen Achse des Beleuchtungsobjektivs verkippt auf den genannten Teilbereich zu richten. Furthermore, the light-leaf generator is preferably designed to tilt the illuminating light bundle with respect to the optical axis of the illumination objective onto the said subarea.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Trägerfläche längs einer Achse bewegbar, um die Fokusebene innerhalb der Probe zu verschieben, wobei die genannte Achse durch die optische Achse des Detektionsobjektivs, durch eine zur optischen Achse des Detektionsobjektivs senkrechte Achse oder durch eine zur Trägerfläche senkrechte Achse definiert sein kann. Besonders bevorzugt ist hierbei, die Trägerfläche längs einer Achse zu verschieben, die senkrecht zur Trägerfläche liegt. Diese Verschiebebewegung kann durch eine Überlagerung einer axialen Verschiebung und einer lateralen Verschiebung erreicht werden. Sie führt zu Bildvolumina, die einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Ein weiterer Vorteil der Verschiebung der Trägerfläche längs der Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtbündels besteht darin, dass das Beleuchtungslichtbündel stets auf dieselbe Stelle der Umlenkfläche trifft. Dies gilt auch, wenn die Trägerfläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtbündels bewegt wird. In an advantageous embodiment, the carrier surface is movable along an axis in order to displace the focal plane within the sample, said axis being defined by the optical axis of the detection objective, by an axis perpendicular to the optical axis of the detection objective, or by an axis perpendicular to the carrier surface can. It is particularly preferred in this case to move the support surface along an axis which is perpendicular to the support surface. This displacement movement can be achieved by a superposition of an axial displacement and a lateral displacement. It leads to image volumes that have a trapezoidal cross-section. One Another advantage of the displacement of the support surface along the propagation direction of the illumination light beam is that the illumination light beam always strikes the same point of the deflection surface. This also applies if the carrier surface is moved perpendicular to the propagation direction of the illumination light beam.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch einen Nachrüstsatz für ein Lichtblattmikroskop gelöst, der einen Probenhaltereinsatz und eine Lichtumlenkvorrichtung aufweist. Der Probenhaltereinsatz und die Lichtumlenkvorrichtung sind hierbei entsprechend der obigen Ausführungen und insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet und sind derart in ein Mikroskop oder in ein Lichtblattmikroskop nachrüstbar, dass die Trägerfläche gegenüber der Fokusebene unter einem vorbestimmten Neigungswinkel derart geneigt ist, dass ein Teil der Trägerfläche in der Fokusebene des Detektionsobjektivs (und/oder des Beleuchtungsobjektivs) angeordnet ist. Letztendlich ist der erfindungsgemäße Nachrüstsatz dazu geeignet, ein bestehendes konventionelles Mikroskop oder Lichtblattmikroskop zu einem erfindungsgemäßen Lichtblattmikroskop auszubilden. Der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann wird einen solchen Nachrüstsatz in Kenntnis der oben gemachten Ausführungen entsprechend ausbilden, so dass zur Vermeidung auf Wiederholungen auf den vorangegangenen Teil der Beschreibung verwiesen wird. The above object is further achieved by a retrofit kit for a light sheet microscope having a sample holder insert and a Lichtumlenkvorrichtung. The sample holder insert and the Lichtumlenkvorrichtung are in this case according to the above embodiments and in particular according to one of claims 1 to 15 formed and are such in a microscope or in a light sheet microscope retrofitted that the support surface relative to the focal plane at a predetermined inclination angle is inclined so that a part the support surface is arranged in the focal plane of the detection objective (and / or the illumination objective). Finally, the retrofit kit according to the invention is suitable for forming an existing conventional microscope or light-sheet microscope into a light-sheet microscope according to the invention. The person skilled in the art will form such a retrofit kit in accordance with the above statements, so that reference is made to avoid repetition of the preceding part of the description.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 eine schennatische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lichtblattmikroskops; The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show: Figure 1 is a schennatic representation of a light sheet microscope according to the invention.
Fig. 2 eine Lichtumlenkvorrichtung im Zusammenwirken mit einer in herkömmlicher Weise horizontal ausgerichteten Trägerfläche des Probenhalters; FIG. 2 shows a light deflection device in cooperation with a support surface of the sample holder oriented horizontally in a conventional manner; FIG.
Fig. 3 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung mit der erfindungsgemäß schräggestellten Trägerfläche des Probenhalters; FIG. 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 with the support surface of the sample holder inclined in accordance with the invention; FIG.
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Trägerfläche in einer üblichen 45°- Anordnung; 4 is a schematic representation of the carrier surface in a conventional 45 ° arrangement;
Fig. 5 eine der Figur 4 entsprechende Darstellung mit der erfindungsgemäß verkippten Trägerfläche; 5 shows a representation corresponding to FIG. 4 with the support surface tilted according to the invention;
Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung, wie ein seitlicher Versatz des Beleuchtungslichtbündels in der Objektivpupille zu einer Verkippung des Beleuchtungslichtbündels in der Fokusebene führt; 6 shows a schematic representation for illustrating how a lateral offset of the illuminating light bundle in the objective pupil leads to a tilting of the illuminating light bundle in the focal plane;
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung, wie eine Verkippung des Beleuchtungslichtbündels in der Objektivpupille zu einem seitlichen Versatz des Beleuchtungslichtbündels in der Fokusebene führt; Fig. 8 eine der Figur 7 entsprechende Darstellung, wobei das Beleuchtungsobjektiv und das Detektionsobjektiv koaxial aufeinander ausgerichtet sind; 7 shows a schematic representation for illustrating how a tilting of the illumination light beam in the objective pupil leads to a lateral offset of the illumination light bundle in the focal plane; Fig. 8 is a representation corresponding to Figure 7, wherein the illumination lens and the detection lens are aligned coaxially to each other;
Fig. 9 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Bildvolumina, die durch Verschieben der in einem minimalen Neigungswinkel angeordneten Trägerfläche erzeugt werden; 9 shows a schematic illustration for illustrating the image volumes which are generated by displacing the support surface arranged at a minimal inclination angle;
Fig. 10 eine der Figur 9 entsprechende Darstellung, wobei die Trägerfläche in einem maximalen Neigungswinkel eingestellt ist; Fig. 10 is a representation corresponding to Figure 9, wherein the support surface is set at a maximum inclination angle;
Fig. 11 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der verschiedenen Möglichkeiten, die Trägerfläche zur Volumenbildgebung zu verschieben; 11 shows a schematic representation for illustrating the various possibilities of displacing the carrier surface for volume imaging;
Fig. 12 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Probenhalters, und 12 shows an embodiment of the sample holder according to the invention, and
Fig. 13 jeweils eine Ausführungsform eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Probenhalters mit einem Mikroskoptischeinsatz. 13 each show an embodiment of a conventional and a sample holder according to the invention with a microscope stage insert.
Figur 1 zeigt ein Lichtblattmikroskop 10, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Figure 1 shows a light-sheet microscope 10, which represents an embodiment of the present invention.
Das Lichtblattmikroskop 10 enthält eine Beleuchtungseinheit 12, die eine Lichtquelle 14, eine Abtasteinheit 16, eine Tubuslinse 18 und ein Beleuchtungsobjektiv 20 umfasst. Die Abtasteinheit 16 ist aus drei Abtastspiegeln 22, 24 und 26 sowie einer Abtastlinse 28 gebildet. The light-sheet microscope 10 includes a lighting unit 12, which includes a light source 14, a scanning unit 16, a tube lens 18 and a Illumination lens 20 includes. The scanning unit 16 is formed of three scanning mirrors 22, 24 and 26 and a Abtastlinse 28.
Das Lichtblattmikroskop 10 enthält ferner eine Detektionseinheit 30, die ein Detektionsobjektiv 32, ein Okular 34 und eine Kamera 36 aufweist. The light-sheet microscope 10 further includes a detection unit 30, which has a detection objective 32, an eyepiece 34 and a camera 36.
Zwischen dem Detektionsobjektiv 32 und dem Beleuchtungsobjektiv 20, die mit ihren optischen Achsen Oi und 02 einander koaxial gegenüberliegend angeordnet sind, ist ein Probenraum 38 definiert, in dem sich ein Probenhalter 40 befindet. Der Probenhalter 40, der beispielsweise als planparallele, transparente Platte ausgeführt ist, hat eine dem Detektionsobjektiv 32 zugewandte Trägerfläche 42, auf der eine abzubildende Probe 44 angeordnet ist. Between the detection objective 32 and the illumination objective 20, which are arranged coaxially opposite one another with their optical axes Oi and O 2 , a sample space 38 is defined, in which a sample holder 40 is located. The sample holder 40, which is embodied for example as a plane-parallel, transparent plate, has a support surface 42 facing the detection objective 32, on which a sample 44 to be imaged is arranged.
Das Lichtblattmikroskop 10 weist ferner eine z.B. als Spiegelkappe ausgeführte Lichtumlenkvorrichtung 46 auf, die so an dem Detektionsobjektiv 32 angebracht ist, dass ihre in Form eines Spiegels ausgebildete Umlenkfläche 48 lateral gegenüber der optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 versetzt ist. Die Lichtumlenkvorrichtung 46 dient der Umlenkung eines Beleuchtungslichtbündels 50, das die Beleuchtungseinheit 16 in nachfolgend beschriebener Weise in den Probenraum 38 einstrahlt. The light-sheet microscope 10 further comprises e.g. designed as a mirror cap light deflecting device 46 which is attached to the detection objective 32, that its deflecting surface 48 formed in the form of a mirror offset laterally relative to the optical axis Oi of the detection objective 32. The light deflection device 46 serves to deflect an illumination light bundle 50, which irradiates the illumination unit 16 into the sample space 38 in the manner described below.
Das von der Lichtquelle 14 erzeugte Beleuchtungslichtbündel 50 wird zunächst der Abtasteinheit 16 zugeführt. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 bildet die Abtasteinheit 16 einen Konfokalscanner, der aus den drei Abtastspiegeln 22, 24 und 26 gebildet ist. Die beiden Abtastspiegel 22 und 24 dienen dabei dazu, das Beleuchtungslichtbündel 50 in eine erste Richtung abzulenken, die unter Bezugnahme auf das Koordinatensystem nach Figur 1 parallel zur x-Achse liegt. Demgegenüber lenkt der den beiden x-Abtastspiegeln 22, 24 in Lichtausbreitungsrichtung nachgeordnete Abtastspiegel 26 das Beleuchtungslichtbündel 50 in eine Richtung ab, die parallel zur y-Achse liegt. Die drei Abtastspiegel 22. 24 und 26 wirken so zusammen, dass die beiden x- Abtastspiegel 22, 24 das Beleuchtungslichtbündel 50 um einen Punkt verkippen, der auf dem y-Abtastspiegel 26 liegt. Auf diese Weise kompensiert der zweite x- Abtastspiegel 24 zu einem gewissen Teil die durch den ersten x-Abtastspiegel 22 verursachte Verkippung des Beleuchtungslichtbündels 50, so dass Letzteres auf dem y-Abtastspiegel 26, der in y-Richtung (senkrecht zur Zeichenebene) verkippt, an einer festen Position verbleibt. Diese Position liegt nicht notwendigerweise auf der optischen Achse 02. The illumination light beam 50 generated by the light source 14 is first supplied to the scanning unit 16. In the embodiment of Figure 1, the scanning unit 16 forms a confocal scanner, which is formed from the three scanning mirrors 22, 24 and 26. The two scanning mirrors 22 and 24 serve to to deflect the illumination light beam 50 in a first direction, which is parallel to the x-axis with reference to the coordinate system of Figure 1. On the other hand, the scanning mirror 26 arranged downstream of the two x scanning mirrors 22, 24 in the light propagation direction deflects the illuminating light beam 50 in a direction which is parallel to the y axis. The three scanning mirrors 22, 24 and 26 cooperate such that the two x scanning mirrors 22, 24 tilt the illuminating light beam 50 by a point located on the y scanning mirror 26. In this way, the second x-scanning mirror 24 compensates to some extent for the tilting of the illuminating light beam 50 caused by the first x-scanning mirror 22, so that the latter is tilted on the y-scanning mirror 26, which is tilted in the y-direction (perpendicular to the plane of the drawing). remains at a fixed position. This position is not necessarily on the optical axis 0 2 .
Der y-Abtastspiegel 26 lenkt das Beleuchtungslichtbündel 50 auf die Abtastlinse 28, die das Beleuchtungslichtbündel 50 auf die Tubuslinse 18 richtet. Das Beleuchtungslichtbündel 50 leuchtet in diesem Ausführungsbeispiel beim Eintritt in das Beleuchtungsobjektiv 20 dessen Eintrittspupille nicht vollständig aus. Außerdem ist das Beleuchtungslichtbündel 50 gegenüber der optischen Achse 02 des Beleuchtungsobjektivs 20 seitlich versetzt und in der Eintrittspupille des Beleuchtungsobjektivs 20 gegenüber der optischen Achse 02 verkippt. The y-scanning mirror 26 directs the illuminating light beam 50 onto the scanning lens 28, which directs the illuminating light beam 50 onto the tube lens 18. The illumination light beam 50 in this exemplary embodiment does not illuminate completely when it enters the illumination objective 20 of its entrance pupil. In addition, the illumination light beam 50 is laterally offset relative to the optical axis O 2 of the illumination objective 20 and tilted in the entrance pupil of the illumination objective 20 with respect to the optical axis O 2 .
Das als paralleles Strahlenbündel in das Beleuchtungsobjektiv 20 einfallende Beleuchtungslichtbündel 50 wird durch Letzteres fokussiert und auf die Umlenkfläche 48 der Lichtumlenkvorrichtung 46 gerichtet. Die seitlich der optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 angeordnete Umlenkfläche 48 lenkt dann das Beleuchtungslichtbündel 50 in den Probenraum 38 im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse Oi nach innen. Durch die fokussierende Wirkung des Beleuchtungsobjektivs 20 wird so innerhalb des Probenraums 38 eine senkrecht zur optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 - insbesondere in Zusammenwirkung mit den Abtastspiegeln 22, 24 - liegende lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung 52 erzeugt, die im Weiteren auch einfach als Lichtblatt bezeichnet wird. Das Lichtblatt 52 definiert eine Beleuchtungsebene, die mit der Fokusebene des Detektionsobjektivs 32 zusammenfällt. Ein mit dem Lichtblatt 52 beleuchteter Zielbereich der Probe 44 wird so durch das Detektionsobjektiv 32 scharf auf die Kamera 36 abgebildet. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass aus Gründen einer übersichtlicheren Darstellung das Lichtblatt 52 in Figur 1 außerhalb der Probe 44 liegt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass das Lichtblatt 52 in der tatsächlichen Bildgebung in die Probe 44 hineinfokussiert wird, um den abzubildenden Zielbereich zu beleuchten. The illuminating light beam 50 incident as a parallel beam into the illumination objective 20 is focused by the latter and directed onto the deflection surface 48 of the light deflection device 46. The side of the the optical axis Oi of the detection lens 32 arranged deflection surface 48 then directs the illumination light beam 50 in the sample space 38 substantially perpendicular to the optical axis Oi inwardly. As a result of the focusing effect of the illumination objective 20, a light-sheet-like illumination light distribution 52 perpendicular to the optical axis Oi of the detection objective 32, in particular in cooperation with the scanning mirrors 22, 24, is produced within the sample space 38, which is also referred to simply as a light sheet. The light sheet 52 defines an illumination plane which coincides with the focal plane of the detection objective 32. A target area of the sample 44 illuminated with the light sheet 52 is thus imaged sharply on the camera 36 by the detection objective 32. In this connection, it should be pointed out that, for reasons of a clearer representation, the light sheet 52 in FIG. 1 lies outside the sample 44. However, it will be understood that the light sheet 52 in the actual imaging is focussed into the sample 44 to illuminate the target area to be imaged.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist der Probenhalter 40 in dem Lichtblattmikroskop 10 so positioniert, dass seine Trägerfläche 42 gegenüber der Beleuchtungsebene und damit der Fokusebene des Detektionsobjektivs 32 geneigt ist. Diese Neigung der Trägerfläche 42 stellt einen wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Zur Erläuterung dieses Aspekts wird zunächst jedoch auf die schematische Darstellung nach Figur 2 verwiesen, welche die im Stand der Technik bisher übliche horizontale Ausrichtung der Trägerfläche 42 und die damit einhergehenden Nachteile veranschaulicht. Figur 2 zeigt die Lichtumlenkvorrichtung 46 mit ihrer Spiegelfläche 48, die gegenüber der optischen Achse Oi des in Figur 2 nicht dargestellten Detektionsobjektivs 32 seitlich versetzt ist. Die Spiegelklappe 46 hat eine Stirnfläche 86, die der in Figur 2 rein schematisch als gestrichelte Linie dargestellten Trägerfläche 42 des Probenhalters 40 zugewandt ist. Die Stirnfläche 86 bildet für die Trägerfläche 42 einen Anschlag, der bei horizontaler Ausrichtung der Trägerfläche 42 eine koplanare Positionierung der Trägerfläche 42 in der Fokusebene 54 des Detektionsobjektivs 32 verhindert. As shown in FIG. 1, the sample holder 40 is positioned in the light-sheet microscope 10 such that its carrier surface 42 is inclined with respect to the illumination plane and thus the focal plane of the detection objective 32. This tendency of the support surface 42 represents an essential aspect of the present invention. To illustrate this aspect, however, reference is first made to the schematic representation of Figure 2, which illustrates the hitherto conventional in the prior art horizontal orientation of the support surface 42 and the associated disadvantages. FIG. 2 shows the light deflection device 46 with its mirror surface 48, which is offset laterally relative to the optical axis Oi of the detection objective 32 (not shown in FIG. 2). The mirror flap 46 has an end face 86 which faces the carrier surface 42 of the sample holder 40 shown purely schematically in FIG. 2 as a dashed line. The end face 86 forms a stop for the support surface 42, which prevents a coplanar positioning of the support surface 42 in the focal plane 54 of the detection objective 32 in the case of horizontal alignment of the support surface 42.
In Figur 2 ist ferner ein Bildfeld 56 gezeigt, das senkrecht zur optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 eine Breite dFov aufweist. Innerhalb des Bildfeldes 56 befindet sich der in Figur 1 mit 58 bezeichnete Zielbereich der Probe, der in der Fokusebene 54 liegt und so durch das Detektionsobjektiv 32 auf die in Figur 1 gezeigte Kamera 36 abgebildet wird. Der Abstand, den der seitlich versetzte Umlenkspiegel 48 von der auf der optischen Achse Oi liegenden Mitte des Bildfeldes 56 hat, ist in Figur 2 mit dSi</2 bezeichnet. Außerdem gibt in Figur 2 die Größe AA den Arbeitsabstand des Detektionsobjektivs 32 von der Fokusebene 54 an. FIG. 2 also shows an image field 56 which has a width d F ov perpendicular to the optical axis Oi of the detection objective 32. Within the image field 56, the target region of the specimen designated by 58 in FIG. 1 is located in the focal plane 54 and thus imaged by the detection objective 32 onto the camera 36 shown in FIG. The distance which the laterally offset deflection mirror 48 has from the center of the image field 56 lying on the optical axis Oi is denoted by d S i </ 2 in FIG. In addition, in FIG. 2, the quantity AA indicates the working distance of the detection objective 32 from the focal plane 54.
Da der Umlenkspiegel 48 die Funktion hat, das Beleuchtungslichtbündel 50 möglichst ohne Lichtverlust in Richtung der Mitte des Bildfeldes 56 zu reflektieren, darf seine axiale Ausdehnung, d.h. seine Ausdehnung in Projektion auf die optische Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 nicht kleiner sein als der Strahlquerschnitt, den das Beleuchtungslichtbündel 50 am Ort des Umlenkspiegels 48 hat. Da nun jedoch das Beleuchtungslichtbündel 50 in die Mitte des Bildfeldes 56 hineinfokussiert wird, ist der Strahlquerschnitt des Beleuchtungslichtbündels 50 an dem Unnlenkspiegel 48 deutlich größer als in der Mitte des Bildfeldes 56. Dies hat zur Folge, dass die durch das fokussierte Beleuchtungslichtbündel 50 definierte und mit der Fokusebene 54 zusammenfallende Beleuchtungsebne längs der optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 gegenüber der horizontalen Stirnfläche 86 der Lichtumlenkvorrichtung 46 (in Figur 2 nach oben) versetzt ist. Da die Stirnfläche 86 der Lichtumlenkvorrichtung 46 die nächste Annäherung der Trägerfläche 42 an die Fokusebene 54 definiert, kommt es hierdurch zwischen der Trägerfläche 42 und der Fokusebene 54 zu einem axialen Versatz, der in Figur 2 mit CSK bezeichnet ist. Im Stand der Technik wird der Versatz CSK im Rahmen der Probenpräparation mithilfe eines auf der Trägerfläche 42 angeordneten Sockels (nicht gezeigt) kompensiert, dessen Höhe in Richtung der optischen Achse Oi gerade dem axialen Versatz CSK entspricht. Since the deflection mirror 48 has the function of reflecting the illumination light beam 50 as possible without loss of light in the direction of the center of the image field 56, its axial extent, ie its extension in projection onto the optical axis Oi of the detection objective 32, must not be smaller than the beam cross section the illumination light beam 50 at the location of Deflecting mirror 48 has. However, since the illumination light beam 50 is focussed into the center of the image field 56, the beam cross section of the illumination light beam 50 at the Unnlenkspiegel 48 is significantly larger than in the center of the image field 56. This has the consequence that defined by the focused illumination light beam 50 and the focal plane 54 coincident Beleuchtungsebne along the optical axis Oi of the detection lens 32 relative to the horizontal end face 86 of the Lichtumlenkvorrichtung 46 (in Figure 2 upwards) is offset. Since the end face 86 of the light deflection device 46 defines the next approach of the carrier surface 42 to the focal plane 54, this results in an axial offset between the carrier surface 42 and the focal plane 54, which is designated C S K in FIG. In the prior art, the offset C S K in the context of the sample preparation is compensated for by means of a base (not shown) arranged on the support surface 42 whose height in the direction of the optical axis Oi corresponds exactly to the axial offset C S K.
In der schematischen Darstellung nach Figur 3 ist veranschaulicht, wie durch die erfindungsgemäße Schrägstellung der Trägerfläche 42 bei einer ansonsten mit Figur 2 identischen Anordnung eine sockelfreie Probenpräparation ermöglicht wird. The schematic representation according to FIG. 3 illustrates how, by means of the oblique position of the support surface 42 according to the invention, a socket-free sample preparation is made possible in an arrangement otherwise identical to FIG.
Wie in Figur 2 gezeigt, ist die Trägerfläche 42 gegenüber der Fokusebene 54 um einen Neigungswinkel verkippt, der innerhalb eines Winkelbereichs liegt, der von einem unteren Grenzwinkel Ymin bis zu einem oberen Grenzwinkel Ymax reicht. Der genannte Neigungswinkel bezüglich der Fokusebene 54 ist dabei auf einen Scheitelpunkt B bezogen, der durch den Schnittpunkt zwischen der Trägerfläche 42 und der Fokusebene 54 definiert ist. Der minimale Neigungswinkel Ymin ist durch einen in Figur 2 mit A bezeichneten Anschlag der Trägerfläche 42 an die Stirnfläche 86 der Lichtumlenkvorrichtung 46 festgelegt. Demgegenüber ist der maximale Neigungswinkel Ymax durch einen in Figur 3 mit C bezeichneten Anschlag der Trägerfläche 42 an einen Abschnitt der Lichtumlenkvorrichtung 46 festgelegt, der sich auf der von dem Umlenkspiegel 48 abgewandten Seite der Lichtumlenkvorrichtung 46 befindet. Dies bedeutet, dass die Trägerfläche 42 gegenüber der optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 innerhalb eines Winkelbereichs verkippt bzw. angeordnet werden kann, der durch die beiden mechanischen Anschläge A und C an die Lichtumlenkvorrichtung 46 beschränkt ist. As shown in Figure 2, the support surface 42 is tilted relative to the focal plane 54 by an inclination angle that is within an angular range of from a lower limit angle Ymin to an upper limit angle Y ma x ranges. The said angle of inclination with respect to the focal plane 54 is in this case a Vertex B, which is defined by the intersection between the support surface 42 and the focal plane 54. The minimum angle of inclination Y m i n is defined by a marked in Figure 2 with A stop the support surface 42 to the end face 86 of the Lichtumlenkvorrichtung 46. In contrast, the maximum angle of inclination Y max is determined by a stop C in FIG. 3 of the carrier surface 42 against a section of the light deflection device 46 which is located on the side of the light deflection device 46 facing away from the deflection mirror 48. This means that the support surface 42 can be tilted relative to the optical axis Oi of the detection objective 32 within an angular range which is limited by the two mechanical stops A and C to the light deflection device 46.
Aus der Darstellung aus Figur 3 wird insbesondere mit Blick auf den Anschlag C unmittelbar deutlich, dass die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung 46 nur ein einziges Umlenkelement, nämlich den in Figur 3 links der optischen Achse Oi angeordneten Umlenkspiegel 48 aufweist. Nur so ist es möglich, den auf der anderen Seite der optischen Achse Oi befindlichen Anschlag C soweit von der Fokusebene 54 zu entfernen, dass ein hinreichend maximaler Neigungswinkel Ymax vorgesehen werden kann. In Figur 3 ist zudem angedeutet, dass das Beleuchtungslichtbündel 50 gegenüber der optischen Achse Oi vorzugsweise so geneigt ist, dass es senkrecht auf die schräggestellte Trägerfläche 42 fällt. Dementsprechend ist das Beleuchtungslichtbündel 50 in Figur 3 in zwei unterschiedlichen Einfallsrichtungen dargestellt, von denen eine auf den minimalen Neigungswinkel Ymin und die andere auf den maximalen Neigungswinkel Ymax bezogen ist. Diese Verkippung des Beleuchtungslichtbündels 50 dient der Vermeidung von Aberrationen, die bei einenn ansonsten schrägen Einfall des Beleuchtungslichtbündels 50 auf die Trägerfläche 42 immer auftreten, insbesondere dann, wenn das Medium zwischen dem Detektionsobjektiv 32 und der Trägerfläche 42 einen Brechungsindex hat, der verschieden von dem Brechungsindex des Mediums ist, das sich zwischen der Trägerfläche 42 und dem Beleuchtungsobjektiv 20 befindet. From the illustration in FIG. 3, in particular with a view to the stop C, it becomes immediately clear that the light deflection device 46 according to the invention has only one deflection element, namely the deflection mirror 48 arranged on the left of FIG. 3 on the optical axis Oi. Only then is it possible to remove the stop C located on the other side of the optical axis Oi as far from the focal plane 54, that a sufficient maximum inclination angle may be Y m a x provided. In addition, it is indicated in FIG. 3 that the illuminating light bundle 50 is preferably inclined with respect to the optical axis Oi in such a way that it falls perpendicularly onto the inclined support surface 42. Accordingly, the illuminating light beam 50 is shown in Figure 3 in two different directions of incidence, one to the minimum inclination angle Y m i n and the other to the maximum Tilt angle Y m a x is related. This tilting of the illumination light beam 50 serves to avoid aberrations that always occur when the illumination light beam 50 otherwise impacts on the carrier surface 42, in particular when the medium between the detection objective 32 and the carrier surface 42 has a refractive index that differs from the refractive index of the medium, which is located between the support surface 42 and the illumination objective 20.
Damit das Beleuchtungslichtbündel 50, wie vorstehend erläutert, zur Vermeidung von Aberrationen gegenüber der optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs so geneigt, dass es senkrecht auf die Trägerfläche 42 fällt, so muss der Umlenkspiegel 48 entsprechend verkippt werden, um zu gewährleisten, dass das an dem Umlenkspiegel 48 reflektierte Beleuchtungslichtbündel 50 senkrecht zur optischen Achse Oi in Richtung des Bildfeldes 56 eingestrahlt wird. Dies ist in den Figuren 4 und 5 veranschaulicht. In order for the illumination light bundle 50, as explained above, to be inclined perpendicular to the support surface 42 in order to avoid aberrations with respect to the optical axis Oi of the detection objective, the deflection mirror 48 must be tilted accordingly in order to ensure that the aberration is applied to the deflection mirror 48 reflected illumination light beam 50 is irradiated perpendicular to the optical axis Oi in the direction of the image field 56. This is illustrated in FIGS. 4 and 5.
Figur 4 zeigt rein schematisch die Ausrichtung des Umlenkspiegels 48 in einer herkömmlichen Anordnung, in der das Beleuchtungslichtbündel 50 parallel zur optischen Achse Oi auf den Umlenkspiegel 48 fällt. In dieser Anordnung ist der Umlenkspiegel 48 gegenüber der optischen Achse Oi um 45° geneigt. FIG. 4 shows, purely schematically, the alignment of the deflection mirror 48 in a conventional arrangement, in which the illumination light beam 50 falls onto the deflection mirror 48 parallel to the optical axis Oi. In this arrangement, the deflection mirror 48 is inclined by 45 ° relative to the optical axis Oi.
Demgegenüber zeigt Figur 5 eine der Figur 3 entsprechende Anordnung, bei der das Beleuchtungslichtbündel 50 um den Winkel γ, der gleich dem Neigungswinkel der Trägerfläche 42 ist, gegenüber der optischen Achse Oi geneigt ist. Diese Strahlneigung um den Winkel γ hat zur Folge, dass der Umlenkspiegel 48 gegenüber der üblichen 45°-Ausrichtung um den Winkel γ/2 geneigt ist. In contrast, Figure 5 shows an arrangement corresponding to Figure 3, in which the illumination light beam 50 by the angle γ, which is equal to the inclination angle of the support surface 42, relative to the optical axis Oi is inclined. This jet inclination by the angle γ has the consequence that the deflecting mirror 48 is inclined by the angle γ / 2 in relation to the usual 45 ° orientation.
Im Folgenden werden für die in Figur 3 angegebenen Größen rein beispielhaft gewisse Anforderungen an das zu verwendende Beleuchtungsobjektiv 20 veranschaulicht. In the following, certain requirements for the illumination objective 20 to be used are illustrated purely by way of example for the variables indicated in FIG.
Der minimale Neigungswinkel Ymin ergibt sich aus: Si nYmin = CSK / ((dsK - dF0V)/2) The minimum inclination angle Ymin is given by: Si nYmin = CSK / ((dsK-d F0V ) / 2)
Nimmt man beispielhaft für CSK den Wert 500 μηη, für dFov den Wert 330 μηη und für dSk den Wert 6 mm an, so ergibt sich für Ymin der Wert 9,1 °. Beträgt dagegen dSK etwa 3,5 mm, so ergibt sich für Ymin ein Wert von 15,1°. Assuming for example the value 500 μηη for C S K, the value 330 μηη for d F ov and the value 6 mm for d S k, the result for Y min is 9.1 °. If, on the other hand, d S K is about 3.5 mm, the result for Y min is 15.1 °.
Für die numerische Apertur NA|0 und den Arbeitsabstand AA des Beleuchtungsobjektivs folgen daraus folgende Bedingungen: For the numerical aperture NA | 0 and the working distance AA of the illumination lens follow the following conditions:
= arcsin(0,15/l,33)=6,5° ist NAro > 0;27 m = arcsin(0,15/l,33)=6,5° ist NAio > 0;37 = arcsin (0.15 / l, 33) = 6.5 °, NA ro >0; 27 m = arcsin (0,15 / l, 33) = 6,5 ° is NAio> 0, 37
AA > dsK/2 + x mit x = dsi /2 siny AA> dsK / 2 + x with x = dsi / 2 siny
bei dsK ~ 6mm, y=ymin = 9,1° ist x = 0,47mm - AA > 3mm+0,47mm ~ 3,5mm bei dsK ~ 3,5mm, ymin = 15,1° ist x = 0,46mm - AA > l,75mm+0,46mm ^ 2,25mm DSK ~ y = y m = 9.1 ° is 6mm x = 0,47mm - AA> 3mm + 0,47mm ~ 3.5mm at dsK ~ 3.5mm, y m i n = 15.1 °, x = 0.46mm - AA> 1, 75mm + 0.46mm ^ 2.25mm
Geeignete Beleuchtungsobjektive weisen demnach einen relativ großen freien Arbeitsabstand auf und können eine nunnerische Apertur von bis zu 0,4 oder größer aufweisen. Accordingly, suitable illumination objectives have a relatively large free working distance and can have a nominal aperture of up to 0.4 or greater.
Außerdem sollte das Beleuchtungsobjektiv 20 eine vergleichsweise geringe Vergrößerung haben, damit sichergestellt ist, dass das aus dem Beleuchtungsobjektiv 20 austretende Beleuchtungslichtbündel 50 den Umlenkspiegel 48 der Lichtumlenkvorrichtung 46 trifft. Nimmt man wiederum rein beispielhaft an, dass die Sehfeldzahl des Konfokalscanners bzw. der Abtasteinheit 16 (vgl. Figur 1) etwa 20mm beträgt, so können Spiegel in einem Abstand von dSK=8 mm oder mehr nur dann vom Beleuchtungsstrahl getroffen werden, wenn das Beleuchtungsobjektiv 20 eine Vergrößerung von maximal 2,5 hat. Beleuchtungsobjektive mit einer Vergrößerung von etwa 2,5 weisen typischerweise nur kleine Numerischen Aperturen von z.B.0,07 auf. Andererseits weisen Objektive mit höheren Aperturen von 0,3 typischerweise auch höhere Vergrößerungen auf und können daher bei vorgegebener Sehfeldzahl des Konfokalscanners nur Lichtumlenkvorrichtungen treffen, die in einem kleineren Abstand dSK zu einander stehen. Daher ist vorliegend vorgesehen, das Beleuchtungsobjektiv 20 gegenüber der optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 beispielsweise mittels eines geeigneten Adapters seitlich zu verschieben, um die Anforderung an die Objektivvergrößerung zu mindern. Eine entsprechende Ausführungsform ist rein schematisch in Figur 6 gezeigt. ln der Anordnung nach Figur 6 ist die optische Achse 02 des Beleuchtungsobjektivs 20 gegenüber der optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 seitlich versetzt. Somit hat das eine Eintrittspupille 84 des Beleuchtungsobjektivs 20 unterleuchtende Beleuchtungslichtbündel 50 gegenüber der optischen Achse 02 einen seitlichen Versatz, der in Figur 6 durch den Pfeil PI angedeutet ist. Dieser seitliche Versatz in der Eintrittspupille 84, die sich in der hinteren Fokusebene des Beleuchtungsobjektivs 20 befindet, führt zu einer Verkippung des Beleuchtungslichtbündels 50 in der Bildebene und damit der Fokusebene des Detektionsobjektivs 32. Diese Strahlverkippung ist in Figur 6 durch den Pfeil P2 angedeutet. Die Verkippung des Beleuchtungslichtbündels 50 ist gerade so eingestellt, dass das Beleuchtungslichtbündel 50 senkrecht auf den Probenhalter 40 fällt. In addition, the illumination objective 20 should have a comparatively small magnification, in order to ensure that the illuminating light bundle 50 emerging from the illumination objective 20 strikes the deflection mirror 48 of the light deflection device 46. Assuming again purely by way of example that the field of view number of the confocal scanner or the scanning unit 16 (see Figure 1) is about 20 mm, then mirrors at a distance of d S K = 8 mm or more can only be hit by the illumination beam, if the illumination lens 20 has a magnification of 2.5 or less. Illumination objectives having a magnification of about 2.5 typically have only small numerical apertures of, for example, 0.07. On the other hand, lenses with higher apertures of 0.3 typically also have higher magnifications and therefore, with a given field of view number of the confocal scanner, can only meet light deflecting devices that are at a smaller distance d S K from each other. Therefore, it is provided in the present case that the illumination objective 20 is laterally displaced relative to the optical axis Oi of the detection objective 32, for example by means of a suitable adapter, in order to reduce the requirement for the objective magnification. A corresponding embodiment is shown purely schematically in FIG. In the arrangement according to FIG. 6, the optical axis O 2 of the illumination objective 20 is laterally offset with respect to the optical axis Oi of the detection objective 32. Thus, an entrance pupil 84 of the illumination objective 20 has illuminating illumination light bundles 50 opposite the optical axis O 2 having a lateral offset, which is indicated in FIG. 6 by the arrow PI. This lateral offset in the entrance pupil 84, which is located in the rear focal plane of the illumination objective 20, leads to a tilting of the illumination light bundle 50 in the image plane and thus the focal plane of the detection objective 32. This beam tilting is indicated by the arrow P2 in FIG. The tilt of the illumination light beam 50 is just adjusted so that the illumination light beam 50 falls perpendicular to the sample holder 40.
Um sicherzustellen, dass das Beleuchtungslichtbündel 50 auf den Umlenkspiegel 48 der Lichtumlenkvorrichtung 46 trifft, die gemäß der Darstellung nach Figur 3 typischerweise am Rand des Bildfeldes 56 liegt, ist es günstig, das Beleuchtungslichtbündel 50 zusätzlich in der Eintrittspupille des Beleuchtungsobjektivs 20 zu verkippen. Diese zusätzliche Strahlverkippung in der Objektivpupille ist in Figur 7 durch einen Pfeil P3 veranschaulicht. Sie führt in der Fokusebene zu einem seitlichen Versatz des Beleuchtungslichtbündels 50, der in Figur 7 durch einen Pfeil P4 angedeutet ist. In order to ensure that the illumination light beam 50 strikes the deflection mirror 48 of the light deflection device 46, which according to the representation of FIG. 3 is typically located at the edge of the image field 56, it is favorable to additionally tilt the illumination light beam 50 in the entrance pupil of the illumination objective 20. This additional beam tilting in the objective pupil is illustrated in FIG. 7 by an arrow P3. It leads in the focal plane to a lateral offset of the illumination light beam 50, which is indicated in Figure 7 by an arrow P4.
Die in Figur 7 dargestellte Verkippung mit Versatz des Beleuchtungslichtbündels 50 ist natürlich nicht an den Versatz der optischen Achse 02 gegen Oi gebunden. Ob das Beleuchtungsobjektiv 20 gegenüber dem Detektionsobjektiv 32 versetzt werden muss, ist, wie weiter oben beschrieben, maßgeblich dadurch bestimmt, dass die Umlenkfläche 48 im Bildfeld des Beleuchtungsobjektivs 20 in Verbindung mit der Abtasteinheit 16 liegen muss. In Figur 8 ist eine alternative Anordnung gezeigt, die ohne seitlichen Versatz des Beleuchtungsobjektivs 20 relativ zu dem Detektionsobjektiv 32 auskommt. Dies wird dadurch erreicht, dass der durch den Pfeil PI angedeutete Strahlversatz sowie die durch den Pfeil P3 angedeutete Strahlverkippung in der Objektivpupille 84 entsprechend größer als in der Anordnung nach Figur 7 gewählt sind. Die in Figur 8 gezeigte Anordnung entspricht insoweit der Ausführungsform nach Figur 1, wobei die dort gezeigte, aus den drei Abtastspiegeln 22, 24 und 26 gebildete Abtasteinheit 16 dafür sorgt, dass das Beleuchtungslichtbündel 50 gemäß Figur 8 in der gewünschten Weise in der Eintrittspupille bzw. die Objektivpupille 84 des Beleuchtungsobjektivs 20 seitlich versetzt und verkippt wird. The tilting shown in Figure 7 with offset of the illumination light beam 50 is of course not bound to the offset of the optical axis 0 2 against Oi. Whether the illumination objective 20 is offset relative to the detection objective 32 must be, as described above, significantly determined by the fact that the deflection 48 must be in the field of view of the illumination lens 20 in conjunction with the scanning unit 16. FIG. 8 shows an alternative arrangement which manages without lateral offset of the illumination objective 20 relative to the detection objective 32. This is achieved in that the beam offset indicated by the arrow PI and the beam tilting indicated by the arrow P3 in the objective pupil 84 are chosen to be correspondingly larger than in the arrangement according to FIG. The arrangement shown in Figure 8 corresponds to that of the embodiment of Figure 1, wherein the there shown, formed from the three scanning mirrors 22, 24 and 26 scanning unit 16 ensures that the illumination light beam 50 according to Figure 8 in the desired manner in the entrance pupil or the objective pupil 84 of the illumination objective 20 is laterally displaced and tilted.
In den Figuren 9 und 10 ist dargestellt, wie der Probenhalter 40 in dem Probenraum 38 verschoben werden kann, um zum Zwecke der Volumenbildgebung sukzessive eine Reihe von Einzelbildern aufzunehmen. Unter Bezugnahme auf Figur 3 ist dabei in Figur 9 eine Anordnung gezeigt, in der die Trägerfläche 42 unter dem minimalen Neigungswinkel Ymin gegenüber der Fokusebene 54 geneigt ist. In dieser Anordnung kommt also der auch in Figur 3 gezeigte Anschlag A zur Wirkung. Demgegenüber ist in Figur 10 die Trägerfläche 42 unter dem maximalen Neigungswinkel Ymax gegenüber der Fokusebene 54 positioniert, wodurch der Anschlag C wirksam wird. ln den Figuren 9 und 10 wird jeweils auf ein Koordinatensystem Bezug genommen, dessen x'-Achse parallel und dessen z'-Achse senkrecht zur Trägerfläche 42 des Probenhalters 40 ausgerichtet ist. Dementsprechend veranschaulichen die Figuren 9 und 10 zum einen eine Verschiebung der Trägerfläche 42 längs der x'-Achse, d.h. parallel zur Trägerfläche 42, und zum anderen eine Verschiebung längs der z'-Achse, d.h. senkrecht zur Trägerfläche 42 (jeweils angedeutet durch die beiden Pfeile). Aus der Verschiebung der Trägerfläche 42 längs der x'-Achse resultieren Einzelbilder, die in ihrer Gesamtheit ein erfasstes Bildvolumen 60 ergeben. Dementsprechend resultieren aus der Verschiebung der Trägerfläche 42 längs der z'-Achse Einzelbilder, die in ihrer Gesamtheit ein Bildvolumen 62 ergeben. FIGS. 9 and 10 show how the sample holder 40 can be displaced in the sample space 38 in order to successively record a series of individual images for the purpose of volume imaging. With reference to FIG. 3, an arrangement is shown in FIG. 9 in which the carrier surface 42 is inclined at a minimum angle of inclination Y min with respect to the focal plane 54. In this arrangement, therefore, the stop A also shown in Figure 3 comes into effect. In contrast, in Figure 10, the support surface 42 is positioned below the maximum inclination angle Y ma x with respect to the focal plane 54, whereby the stop C is effective. In FIGS. 9 and 10, reference is made in each case to a coordinate system whose x ' axis is oriented parallel and whose z ' axis is oriented perpendicular to the carrier surface 42 of the sample holder 40. Accordingly, Figures 9 and 10 illustrate on the one hand a displacement of the support surface 42 along the x ' axis, ie parallel to the support surface 42, and secondly a displacement along the z ' axis, ie perpendicular to the support surface 42 (respectively indicated by the two arrows). The displacement of the support surface 42 along the x ' axis results in individual images which in their entirety result in a captured image volume 60. Accordingly, the displacement of the support surface 42 along the z ' axis results in individual images which in their entirety result in an image volume 62.
Figur 11 ist eine rein schematische Darstellung, in der im Überblick vier verschiedene Möglichkeiten illustriert sind, einen Stapel von Einzelbildern 64 aufzunehmen. Dabei zeigt Figur 11 in dem Teilbild a) eine Anordnung, bei der die Trägerfläche 42 in z-Richtung, d.h. längs der optischen Achse Oi des Detektionsobjektivs 32 verschoben wird. Der oberhalb der Trägerfläche 42 liegende Bereich des Bildvolumens ist mit 66 und der unterhalb der Trägerfläche 42 liegende Bereich des Bildvolumens ist mit 68 bezeichnet. FIG. 11 is a purely schematic representation in which four different possibilities for recording a stack of individual images 64 are illustrated. FIG. 11 shows in the partial image a) an arrangement in which the support surface 42 in the z-direction, i. along the optical axis Oi of the detection lens 32 is moved. The area of the image volume lying above the support surface 42 is 66 and the region of the image volume below the support surface 42 is designated 68.
In dem Teilbild b) der Figur 11 ist eine Verschiebung der Trägerfläche 42 in x- Richtung, d.h. parallel zur Fokusebene 64 gezeigt. Eine solche Verschiebung ist nicht bevorzugt, da sich durch sie sich keine Volumendaten gewinnen lassen. Bei der in dem Teilbild c) der Figur 11 gezeigten Anordnung wird die Trägerfläche 42 in z'-Richtung, d.h. in einer Richtung senkrecht zur Trägerfläche 42 verschoben. Dadurch lässt sich ein senkrecht zur Trägerfläche 42 liegender Bildstapel erzeugen, aus dessen Daten im Wege einer geeigneten Datenverarbeitung, z.B. unter Anwendung eines sogenannten Reslice- Verfahrens, parallel zur Trägerfläche 42 liegende Bilder gewonnen werden können, deren Position längs der x-Achse im Unterschied zu dem in dem Teilbild a) gezeigten Fall nicht von z' abhängen. In the partial image b) of FIG. 11, a displacement of the carrier surface 42 in the x direction, ie, parallel to the focal plane 64, is shown. Such a shift is not preferred because it can not gain volume data through it. In the arrangement shown in the partial image c) of FIG. 11, the carrier surface 42 is displaced in the z ' direction, ie in a direction perpendicular to the carrier surface 42. As a result, an image stack lying perpendicularly to the carrier surface 42 can be produced, from the data of which data can be obtained by means of a suitable data processing, for example using a so-called reslice method, images lying parallel to the carrier surface 42 whose position along the x-axis differs from the case shown in the drawing a) does not depend on z ' .
In dem Teilbild d) ist schließlich eine Verschiebung der Trägerfläche 42 längs der x'-Achse gezeigt. Diese Art der Verschiebung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die konkret vorliegenden geometrischen Verhältnisse derart sind, dass eine Kollision der auf der Trägerfläche 42 angeordnete Probe mit der Lichtumlenkvorrichtung 46 nicht zu befürchten ist. In the partial image d), finally, a displacement of the support surface 42 along the x ' axis is shown. This type of displacement is particularly advantageous if the concretely present geometric relationships are such that a collision of the sample arranged on the carrier surface 42 with the light deflection device 46 is not to be feared.
Figur 12 zeigt einen Probenhalter 70, der beispielsweise einen Einsatz für einen Mikroskoptisch bildet und mehrere schräggestellte Trägerflächen 72, 74, 76 aufweist. Auf jeder dieser Trägerflächen 72, 74, 76 lässt sich eine Probe 78, 80 bzw. 82 anordnen. Der Probenhalter 70 ist beispielsweise so ausgeführt, dass er sich einfach in einen vorhandenen Mikroskoptisch einsetzen lässt. Um den Durchtritt des Beleuchtungslichtbündels 50 zu ermöglichen, ist der Probenhalter 70 in seiner Gesamtheit oder auch nur teilweise transparent ausgebildet. Beispielsweise ist es möglich, nur denjenigen Teil der jeweiligen schräggestellten Trägerfläche 72, 74, 76 transparent auszuführen, durch den das Beleuchtungslichtbündel 50 tritt, während der übrige Teil undurchsichtig ist. Dadurch ist es möglich, an dem undurchsichtigen Teil des Probenhalters 70 beispielsweise Markierungen oder Formteile aufzubringen, durch die die jeweilige Probe 78, 80, 82 mechanisch geführt ist, um ein Verrutschen der Probe auf der schrägen Trägerfläche zu vermeiden. FIG. 12 shows a sample holder 70 which, for example, forms an insert for a microscope stage and has a plurality of inclined carrier surfaces 72, 74, 76. On each of these support surfaces 72, 74, 76, a sample 78, 80 and 82 can be arranged. The sample holder 70 is designed, for example, so that it can be easily inserted into an existing microscope stage. In order to allow the passage of the illumination light beam 50, the sample holder 70 is formed in its entirety or even partially transparent. For example, it is possible to make transparent only that part of the respective slanted support surface 72, 74, 76, through which the illumination light beam 50 passes, while the remaining part is opaque. This makes it possible to apply to the opaque part of the sample holder 70, for example, markings or moldings through which the respective sample 78, 80, 82 is guided mechanically in order to avoid slippage of the sample on the inclined support surface.
Fig. 13 zeigt im Teil a) einen herkömmlichen Mikroskoptischeinsatz 90 für einen Probenhalter in der Mitte in einer Draufsicht, links in einer Schnittansicht entlang der in der Draufsicht gezeigten Linie A-A und rechts in einer perspektivischen Ansicht. Im Teil b) der Fig. 13 ist ein erfindungsgemäßer Mikroskoptischeinsatz 90 für einen erfindungsgemäßen Probenhalter (nicht gezeigt) in der Mitte in einer Draufsicht, links in einer Schnittansicht entlang der in der Draufsicht gezeigten Linie A-A und rechts in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Fig. 13 shows in part a) a conventional microscope stage insert 90 for a sample holder in the center in a plan view, left in a sectional view along the line A-A shown in plan view and right in a perspective view. In part b) of FIG. 13, a microscope stage insert 90 according to the invention for a sample holder according to the invention (not shown) is shown in the middle in a plan view, left in a sectional view along the line A-A shown in plan view and on the right in a perspective view.
In dem in Fig. 13 a) gezeigten herkömmlichen Mikroskoptischeinsatz 90 kann in den vertieft ausgeführten Randbereich 92 ein Objektträger oder ein Deckglas - mit Standardmaßen - eingesetzt und leicht ausgetauscht werden. Auf dem Objektträger oder dem Deckglas befindet sich die Probe. Der Mikroskoptischeinsatz 90 weist eine Seitenwand 94 auf, welche dazu dient, z.B. ein wässriges Probenmedium im Innenbereich des Mikroskoptischeinsatzes 90 zuzugeben, damit die Probe (in Fig. 13 nicht gezeigt) sich bei der mikroskopischen Untersuchung in einer möglichst lebensnahen Umgebung befindet. Der vertieft ausgeführte Randbereich 92 ist im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des teilkreisförmigen Einsatzbereiches 96 ausgebildet. Der teilkreisförmige Einsatzbereiches 96 dient zum Einsetzen des Mikroskoptischeinsatzes 90 in eine entsprechend ausgebildete Aussparung am (in Fig. 13 nicht gezeigten) Mikroskoptisch. In the conventional microscope stage insert 90 shown in FIG. 13 a), a slide or a cover glass - with standard dimensions - can be inserted into the recessed edge area 92 and easily exchanged. The slide is on the slide or coverslip. The microscope stage insert 90 has a side wall 94, which serves, for example, to add an aqueous sample medium in the interior of the microscope stage insert 90, so that the sample (not shown in FIG. 13) is in a preferably lifelike environment during the microscopic examination. The recessed edge region 92 is formed essentially parallel to the surface of the part-circular insert region 96. The part-circular insert area 96 serves for inserting the microscope stage insert 90 in one correspondingly formed recess on the microscope stage (not shown in FIG. 13).
In dem in Fig. 13 b) gezeigten erfindungsgemäßen Mikroskoptischeinsatz 90 kann ebenfalls in den vertieft ausgeführten Randbereich 92 ein Objektträger oder ein Deckglas eingelegt werden, auf welchem sich die Probe befindet. Auch dieser Mikroskoptischeinsatz 90 weist eine Seitenwand 94 auf, welche dazu dient, z.B. ein wässriges Probenmedium im Innenbereich des Mikroskoptischeinsatzes 90 zuzugeben, damit die Probe (in Fig. 13 nicht gezeigt) sich bei der mikroskopischen Untersuchung in einer möglichst lebensnahen Umgebung befindet. Der vertieft ausgeführte Randbereich 92 ist im Wesentlichen unter einem Neigungswinkel γ gegenüber der Oberfläche des teilkreisförmigen Einsatzbereiches 96 ausgebildet. Insoweit ist ein in den vertieft ausgeführten Randbereich 92 eingelegtes Deckglas bzw. Objektträger mit einer Trägerfläche gegenüber der Fokusebene des Detektionsobjektivs unter dem vorbestimmten Neigungswinkel γ angeordnet. In the microscope stage insert 90 according to the invention shown in FIG. 13 b), a slide or a cover glass, on which the sample is located, can likewise be inserted into the recessed edge region 92. Also, this microscope stage insert 90 has a sidewall 94 which serves, e.g. To add an aqueous sample medium in the interior of the microscope stage insert 90, so that the sample (not shown in Fig. 13) is in the closest possible environment during the microscopic examination. The recessed edge portion 92 is formed substantially at an inclination angle γ with respect to the surface of the part-circular insert portion 96. In that regard, an inserted into the recessed edge portion 92 coverslip or slide with a support surface relative to the focal plane of the detection lens at the predetermined inclination angle γ is arranged.
Durch die beiden seitlichen Bereiche 98 des Mikroskoptischeinsatzes 90, die über den Kreisumfang des teilkreisförmige Einsatzbereiches 96 überstehen, kann sichergestellt werden, dass der Mikroskoptischeinsatz 90 stets in einer vorgegebenen Orientierung in einen Mikroskoptisch mit entsprechender Ausnehmung eingesetzt wird. Bevorzugt ist der Mikroskoptisch und der Mikroskoptischeinsatz 90 geeignet kalibriert, damit bei einer vorgegebenen Mikroskoptischposition die Höhe des Deckglases einer Steuereinrichtung des Lichtblattmikroskops bekannt ist, insbesondere um eine Kollisionen zwischen Umlenkspiegel und Deckglas zu vermeiden. Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken. Insbesondere sind sämtliche, in dieser Beschreibung enthaltenen Merkmale und/oder deren Funktionen, Wirkungen und Eigenschaften für sich gesehen und/oder in Kombination miteinander als hierin offenbart anzusehen, die ein auf dem vorliegenden Gebiet tätiger Fachmann ggf. unter Hinzuziehung seines Fachwissens einzeln oder in Kombination zur Lösung der objektiven Aufgabe oder damit zusammenhängenden Problemstellungen vorsehen würde. The two lateral regions 98 of the microscope stage insert 90, which project beyond the circumference of the part-circular insert region 96, can ensure that the microscope stage insert 90 is always inserted in a predetermined orientation into a microscope stage with a corresponding recess. Preferably, the microscope stage and the microscope stage insert 90 is suitably calibrated so that the height of the cover glass of a control device of the light-sheet microscope is known at a predetermined microscope stage position, in particular to avoid collisions between deflecting mirror and cover glass. Finally, it should be particularly noted that the embodiments discussed above are merely for the purpose of describing the claimed teaching, but do not limit it to the exemplary embodiments. In particular, all features contained in this description and / or their functions, effects and properties are to be considered in isolation and / or in combination with each other as disclosed herein, which one skilled in the art may, individually or in combination thereof, possibly taking into account his or her expertise to solve the objective task or related problems.
Bezugszeichenliste Lichtblattmikroskop Luminous sheet microscope
Beleuchtungseinheit lighting unit
Lichtquelle light source
Abtasteinheit scanning
Tubuslinse tube lens
Beleuchtungsobjektiv lighting lens
Abtastspiegel scanning
Abtastspiegel scanning
Abtastspiegel scanning
Abtastlinse scanning
Detektionseinheit detection unit
Detektionsobjektiv detection objective
Okular eyepiece
Kamera camera
Probenraum sample space
Probenhalter sample holder
Trägerfläche support surface
Probe sample
Lichtumlenkvorrichtung optical deflecting
Umlenkfläche deflection
Beleuchtungslichtbündel Illumination light beam
Lichtblatt light sheet
Fokusebene von (32) 6 BildfeldFocal plane of (32) 6 image field
8 Zielbereich 8 target area
0 Bildvolumen 0 image volume
2 Bildvolumen  2 image volumes
64 Einzelbilder  64 frames
66 Teil des Bildvolumens 66 part of the image volume
68 Teil des Bildvolumens68 part of the image volume
70 Probenhalter 70 sample holders
72 Trägerfläche  72 carrier surface
74 Trägerfläche  74 carrier surface
76 Trägerfläche  76 carrier surface
78 Probe  78 sample
80 Probe  80 sample
82 Probe  82 sample
84 Eintrittspupille  84 entrance pupil
86 Stirnfläche von (46) 86 face of (46)
90 Mikroskoptischeinsatz90 Microscope table insert
92 Randbereich von (90)92 border area of (90)
94 Seitenwand von (90)94 sidewall of (90)
96 Einsatzbereich von (90)96 application range of (90)
98 seitlicher Bereich von (90)98 lateral area of (90)
01 Optische Achse 0 1 Optical axis
02 Optische Achse 0 2 Optical axis
A Anschlag A stop
B Scheitelpunkt Anschlag B vertex attack
Arbeitsabstand von (32)  Working distance of (32)

Claims

Ansprüche claims
1. Lichtblattmikroskop (10), umfassend: A light-sheet microscope (10) comprising:
ein Detektionsobjektiv (32) zum Abbilden eines Zielbereichs (58) einer Probe (44), der sich in einer Fokusebene (54) des Detektionsobjektivs (32) befindet,  a detection objective (32) for imaging a target region (58) of a sample (44) located in a focal plane (54) of the detection objective (32),
ein Beleuchtungsobjektiv (20) zum Fokussieren eines Beleuchtungslichtbündels (50) in die Probe (44),  an illumination objective (20) for focusing an illumination light beam (50) into the sample (44),
wobei das Detektionsobjektiv (32) und das Beleuchtungsobjektiv (20) mit ihren senkrecht zur Fokusebene (54) ausgerichteten optischen wherein the detection objective (32) and the illumination objective (20) with their perpendicular to the focal plane (54) aligned optical
Achsen (02, Oi) einander gegenüber liegen und zwischen sich einen dieAxes (0 2 , Oi) lie opposite each other and between them one
Fokusebene (54) enthaltenden Probenraum (38) definieren, Define the sample plane (38) containing the focal plane (54),
einen Probenhalter (40) mit mindestens einer in dem Probenraum (38) angeordneten Trägerfläche (42), auf der die Probe anbringbar (44) ist, und  a sample holder (40) with at least one in the sample space (38) arranged support surface (42) on which the sample is attachable (44), and
eine Lichtumlenkvorrichtung (46) mit einer Umlenkfläche (48), die in dem Probenraum (38) seitlich versetzt zur optischen Achse (Oi) des Detektionsobjektivs (32) angeordnet und ausgebildet ist, das durch das Beleuchtungsobjektiv (20) Beleuchtungslichtbündel (50) in eine Richtung senkrecht zur optischen Achse (Oi) des Detektionsobjektivs (32) derart umzulenken, dass das umgelenkte Beleuchtungslichtbündel (50) eine in die Fokusebene (54) fokussierte lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung (52) bildet,  a light deflection device (46) having a deflection surface (48) which is arranged and formed laterally offset from the optical axis (Oi) of the detection objective (32) in the sample space (38), illuminating light bundle (50) through the illumination objective (20) Direction perpendicular to the optical axis (Oi) of the detection lens (32) deflect such that the deflected illumination light beam (50) forms a concentrated in the focal plane (54) light sheet-like illumination light distribution (52),
wobei die Lichtumlenkvorrichtung (46) einen der Trägerfläche (42) zugewandten Kollisionsabschnitt (86) hat, der für die Trägerfläche (42) einen mechanischen Anschlag an die Lichtumlenkvorrichtung (46) definiert, der eine koplanare Anordnung der Trägerfläche (42) in der Fokusebene (54) verhindert, wherein the light deflection device (46) has a collision section (86) facing the carrier surface (42), which for the carrier surface (42). defines a mechanical abutment against the light deflection device (46), which prevents a coplanar arrangement of the support surface (42) in the focal plane (54),
dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfläche (42) gegenüber der Fokusebene (54) unter einem vorbestimmten Neigungswinkel derart geneigt ist, dass ein Teil der Trägerfläche (42) in der Fokusebene (54) angeordnet ist. characterized in that the support surface (42) relative to the focal plane (54) is inclined at a predetermined inclination angle such that a part of the support surface (42) in the focal plane (54) is arranged.
Lichtblattmikroskop (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfläche (42) zumindest teilweise transparent ausgebildet ist, wobei das Beleuchtungsobjektiv (20) das Beleuchtungslichtbündel (50) durch den transparenten Teil der Trägerfläche (42) hindurch auf die Umlenkfläche (48) richtet und/oder dass die Trägerfläche (42) - gegebenenfalls in Zusammenwirkung mit einem Immersionsmedium und/oder einem Probenmedium - derart ausgebildet ist, dass ein möglichst geringer Teil des Beleuchtungslichtbündels (50) an der Trägerfläche (42) reflektiert wird, beispielsweise durch eine Anti- Reflexionsbeschichtung. Light-sheet microscope (10) according to claim 1, characterized in that the support surface (42) is at least partially transparent, wherein the illumination objective (20) passes the illumination light bundle (50) through the transparent part of the support surface (42) onto the deflection surface (48). directed and / or that the support surface (42) - optionally in cooperation with an immersion medium and / or a sample medium - is designed such that the smallest possible part of the illumination light beam (50) on the support surface (42) is reflected, for example by an anti - Reflection coating.
Lichtblattmikroskop (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsobjektiv (20) ausgebildet ist, das Beleuchtungslichtbündel (50) in senkrechter Einfallsrichtung auf den transparenten Teil der Trägerfläche (42) zu richten. Light-sheet microscope (10) according to claim 2, characterized in that the illumination objective (20) is adapted to direct the illumination light beam (50) in the direction of vertical incident on the transparent part of the support surface (42).
4. Lichtblattmikroskop (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter als Mikroskoptischeinsatz ausgebildet ist. 4. Light sheet microscope (10) according to claim 3, characterized in that the sample holder is designed as a microscope stage insert.
5. Lichtblattmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtumlenkvorrichtung (46) an einem der Probe (44) zugewandten Teil des Detektionsobjektivs (32) oder am Beleuchtungsobjektiv (20) angebracht ist. 5. light sheet microscope (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the Lichtumlenkvorrichtung (46) on one of the sample (44) facing part of the detection objective (32) or on the illumination objective (20) is mounted.
6. Lichtblattmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsobjektiv (20) und die Umlenkfläche (48) derart zusammenwirken, dass die durch das fokussierte Beleuchtungslichtbündel (50) in der Fokusebene (54) gebildete lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung (52) auf der optischen Achse (Oi) des Detektionsobjektivs (32) ihre minimale axiale Ausdehnung aufweist. 6. light-sheet microscope (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the illumination objective (20) and the deflection surface (48) cooperate such that the formed by the focused illuminating light beam (50) in the focal plane (54) light sheet-like illumination light distribution (52 ) has its minimum axial extent on the optical axis (Oi) of the detection objective (32).
7. Lichtblattmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Neigungswinkel innerhalb eines Winkelbereichs liegt, der von einem unteren Grenzwinkel, bei dem die Trägerfläche (42) mit dem Kollisionsabschnitt (86) in Anschlag ist, bis zu einem oberen Grenzwinkel reicht. The light sheet microscope (10) of any one of the preceding claims, wherein the predetermined inclination angle is within an angular range ranging from a lower limit angle at which the support surface (42) abuts the collision portion (86) to an upper limit angle ,
8. Lichtblattmikroskop (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Scheitelpunkt des Neigungswinkels, unter dem die Trägerfläche (42) die Fokusebene (54) schneidet, an einem der Umlenkfläche (48) zugewandten Rand eines Bildfeldes (56) befindet, das den durch das Detektionsobjektiv (32) abgebildeten Zielbereich (58) definiert. 8. light-sheet microscope (10) according to claim 7, characterized in that the apex of the angle of inclination, under which the support surface (42) intersects the focal plane (54), at one of Deflection surface (48) facing edge of an image field (56) which defines the by the detection objective (32) imaged target area (58).
9. Lichtblattmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Umlenkfläche (48) in Projektion auf die optische Achse (Oi) des Detektionsobjektivs (32) im Wesentlichen gleich dem Strahlquerschnitt ist, den das Beleuchtungslichtbündel (50) in der genannten Projektion an der Umlenkfläche (48) aufweist. 9. light-sheet microscope (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the extension of the deflection surface (48) in projection on the optical axis (Oi) of the detection objective (32) is substantially equal to the beam cross-section, the illumination light beam (50) in said projection on the deflection surface (48).
10. Lichtblattmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dem Beleuchtungsobjektiv (20) vorgeordnete Beleuchtungseinheit (12) mit einer Lichtquelle (14) und einem Lichtblattgenerator (16), der ausgebildet ist, aus dem von der Lichtquelle (14) erzeugten Beleuchtungslichtbündel (50) im Zusammenwirken mit dem Beleuchtungsobjektiv (20) die lichtblattartige Beleuchtungslichtverteilung (52) zu generieren. 10. Light sheet microscope (10) according to one of the preceding claims, characterized by a lighting objective (20) upstream lighting unit (12) having a light source (14) and a light sheet generator (16) which is formed from that of the light source (14). generated illumination light beam (50) in cooperation with the illumination objective (20) to generate the light sheet-like illumination light distribution (52).
11. Lichtblattmikroskop (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtblattgenerator eine Abtasteinheit (16) umfasst. 11. Light sheet microscope (10) according to claim 10, characterized in that the light sheet generator comprises a scanning unit (16).
12. Lichtblattmikroskop (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (02) des Beleuchtungsobjektivs (20) gegenüber der optischen Achse (Oi) des Detektionsobjektivs (32) seitlich versetzt ist. 12. Light sheet microscope (10) according to claim 10 or 11, characterized in that the optical axis (0 2 ) of the illumination objective (20) relative to the optical axis (Oi) of the detection objective (32) is laterally offset.
13. Lichtblattmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtblattgenerator (16) ausgebildet ist, das Beleuchtungslichtbündel (50) auf einen Teilbereich einer Eintrittspupille (84) des Beleuchtungsobjektivs (20) zu richten, der gegenüber der optischen Achse (02) des Beleuchtungsobjektivs (20) aus der Mitte der Eintrittspupille (84) seitlich versetzt ist. 13. Light sheet microscope (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the light sheet generator (16) is adapted to direct the illumination light beam (50) on a partial region of an entrance pupil (84) of the illumination objective (20), with respect to the optical axis (0 2 ) of the illumination objective (20) from the center of the entrance pupil (84) is laterally offset.
14. Lichtblattmikroskop (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtblattgenerator (16) ausgebildet ist, das Beleuchtungslichtbündel (50) gegenüber der optischen Achse (02) des Beleuchtungsobjektivs (20) verkippt auf den genannten Teilbereich der Eintrittspupille (84) zu richten. 14 light-sheet microscope (10) according to claim 13, characterized in that the light sheet generator (16) is formed, the illumination light beam (50) relative to the optical axis (0 2 ) of the illumination lens (20) tilted on said portion of the entrance pupil (84). to judge.
15. Lichtblattmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschieben der Fokusebene (54) innerhalb der Probe (44) die Trägerfläche (42) längs einer Achse bewegbar ist, die durch die optische Achse des Detektionsobjektivs (32), durch eine zur optischen Achse (Oi) des Detektionsobjektivs (32) senkrechten Achse oder durch eine zur Trägerfläche (42) senkrechten Achse definiert ist. 15. light-sheet microscope (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that for moving the focal plane (54) within the sample (44) the support surface (42) along an axis is movable, which through the optical axis of the detection objective (32) is defined by an axis perpendicular to the optical axis (Oi) of the detection objective (32) or by an axis perpendicular to the support surface (42).
16. Nachrüstsatz für ein Lichtblattmikroskop (10) mit einem Probenhaltereinsatz und einer Lichtumlenkvorrichtung (46), wobei der Probenhaltereinsatz und die Lichtumlenkvorrichtung (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und derart in ein Mikroskop oder in ein Lichtblattmikroskop nachrüstbar ist, dass die Trägerfläche (42) gegenüber der Fokusebene (54) unter einem vorbestimmten Neigungswinkel derart geneigt ist, dass ein Teil der Trägerfläche (42) in der Fokusebene (54) angeordnet ist. 16. Retrofit kit for a light sheet microscope (10) with a sample holder insert and a Lichtumlenkvorrichtung (46), wherein the sample holder insert and the Lichtumlenkvorrichtung (46) after a of the preceding claims is formed and can be retrofitted into a microscope or in a light sheet microscope, that the support surface (42) relative to the focal plane (54) at a predetermined inclination angle is inclined so that a part of the support surface (42) in the focal plane (54 ) is arranged.
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