WO2015110250A2 - Method for creating an image of an object, and optical apparatus - Google Patents

Method for creating an image of an object, and optical apparatus Download PDF

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WO2015110250A2
WO2015110250A2 PCT/EP2015/000034 EP2015000034W WO2015110250A2 WO 2015110250 A2 WO2015110250 A2 WO 2015110250A2 EP 2015000034 W EP2015000034 W EP 2015000034W WO 2015110250 A2 WO2015110250 A2 WO 2015110250A2
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optical
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geometric
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Markus Morrin
Hendrik Spahr
Gereon Hüttmann
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Euroimmun Medizinische Labordiagnostika Ag
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    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes
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    • G02B21/0052Optical details of the image generation
    • G02B21/0056Optical details of the image generation based on optical coherence, e.g. phase-contrast arrangements, interference arrangements
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    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/0209Low-coherence interferometers

Definitions

  • the present invention relates to a method for imaging an object located within a three-dimensional sample area, in particular a biochip, and an optical device designed to carry out the method.
  • the method relates to imaging fluorophores bound on a biochip.
  • Such superior methods include immunofluorescence.
  • a liquid sample obtained from the human or animal body with antibodies to be detected is applied to a biochip which is coated with an antigen-containing biological reagent and fluorescently labeled antibody is added. If the sample contains antibodies, a fluorescent complex of antigen, antibody from the sample and labeled antibody is formed on the biological reagent. It is then not possible to make a reliable diagnosis on the biochip merely by way of quantification of the fluorescence signal as with other methods, but with the aid of a characteristic pattern recognizable under the microscope.
  • US20100124750 describes a device for carrying out analyzes with grooves, wherein a slide and a reagent carrier are moved in the connected state by means of a movement such that liquid located in the grooves moves alternately in the two longitudinal directions of the grooves.
  • DE 10 2013 017802 describes a device for contacting an immobilized reactant with at least one liquid, wherein the liquid is supplied to a downwardly facing immobilized reactant via a close-fitting survey, so that the volume required for contacting the liquid with the reactant is minimized ,
  • WO 2012/025220 describes a device suitable for this purpose with a cross table for the automated examination of a biological sample, which is characterized in that the biochip, on the surface of which the sample is located, a visually recognizable marking (for example, a target, the high-contrast Having rings).
  • a visually recognizable marking for example, a target, the high-contrast Having rings.
  • the sample must be exposed several times before the actual analysis. It can not be just one Bleaching of the fluorophore in the fluorescent label come, but also to a deterioration of the sample, which may suffer from the image quality, with the result that the diagnosis is made difficult or even impossible.
  • the biochip must be provided with an identification only for focusing. This increases the manufacturing effort and takes up space on the chip, which can not be used for sample material.
  • taking and evaluating the series of images requires a relatively long time and a large memory footprint, which can complicate a high-throughput process.
  • DE 10 2010 033 249 A1 discloses a microscopic device for imaging a sample substance, wherein short-coherence interferometry is used for determining the Z position of the sample substance in order to move the sample substance into the focal plane.
  • a relevant information on a drive unit to actuators passed to either cause movement of the lens or the slide a shift of the focal plane in the Z direction so far that this in the Depth position is in which extends the male sample substance.
  • a relevant information on a drive unit to actuators passed to either cause movement of the lens or the slide a shift of the focal plane in the Z direction so far that this in the Depth position is in which extends the male sample substance.
  • Document DE 10 2006 027 836 A1 discloses an autofocus device for microscopy, in which a light modulator generates a two-dimensional intensity-modulated modulation object which lies in the autofocusing beam path in a plane conjugate to the focal plane of the objective and is imaged into the focal plane of the objective.
  • the light modulator increases the complexity of the device.
  • US 2009/0279052 A1 describes an operation microscopy system which has an OCT measuring device in order to enable automatic focusing on cell structures. Based on a detected OCT signal, a main lens is automatically adjusted. This document does not disclose details of how an OCT signal is used for focusing, especially if there is still a highly reflective layer over the sample. Thus, there is a need for a method and apparatus for imaging an object within a sample area for focusing is improved over the prior art in terms of accuracy, speed and required resources.
  • a method for optically imaging an object located within a three-dimensional sample area comprising the following steps: a) determining, at least at a lateral point (or two-dimensional area), a depth profile of the sample area by means of optical short coherence interferometry; b) detecting a peak in the depth profile resulting from a reflection at an object point; c) determining an optical path length position of the peak representing the optical path length of the object point from a reference point; d) calculating, based on the optical path length position and at least one known optical property of the sample area, a geometric path length position of the object point representing a geometric path length of the object point from the reference point; and e) focusing a microscope on the object point based on the geometric path length position for imaging the object.
  • the method can be carried out in particular by means of an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • the three-dimensional sample area may include a plurality of partial areas each having (group and phase) refractive indices different from a corresponding refractive index for air in a wavelength range (specifically, fluorescent light) used for microscopic imaging.
  • the three-dimensional sample area can be delimited by at least one partial area, which has a refractive index which deviates from that of the air, from a spatial area which has only air.
  • the three-dimensional sample area can comprise solid and / or liquid partial areas, in particular at room temperature. One of these subareas may include the object to be imaged.
  • the lateral point may have an extension in two dimensions which corresponds to a cross-sectional dimension of a measuring beam which is suitable for the short-coherence Interferometry is used. The extent of the lateral point may be, for example, 5 ⁇ m to 10 m in each of the two dimensions.
  • the depth profile is based on an interference signal which results from interference of reference light with light which is reflected from the sample area at the lateral point at different depths.
  • the sample area is illuminated with light which has a short coherence length.
  • a constructive interference of the reference light with light originating from the sample area can occur only if the optical path length which has traveled the reference light coincides exactly with the optical path length up to the coherence length, which has traveled the light which originates from the sample area , Due to different partial regions within the sample area, which have different (phase) refractive indices, reflections occur at intermediate layers between different partial regions, which can be detected in the interference signal.
  • Short-coherence optical interferometry in this embodiment of the present invention is understood to be an optical interferometric method for determining structural information within a volume range of an object.
  • short-coherence interferometry within this application is also referred to as optical coherence tomography (OCT) or white-light interferometry, although the short-coherence interferometry employed within the method of the invention need not necessarily perform tomography.
  • OCT optical coherence tomography
  • Short-coherence interferometry requires, according to the method according to the invention, a recording of a depth profile at least at a lateral point.
  • OCT optical coherence tomography
  • an object arranged in the object or sample area is illuminated with a first part of the OCT measuring light generated by the light source.
  • the first part of the measurement light interacts with matter within a volume region of the object, with part of the first part of the OCT measurement light returning from the object.
  • the part of the OCT measuring light which has returned from the object is superimposed interferometrically with a second part of the OCT measuring light and registered by a detector.
  • Various implementations of OCT all of which can be applied by the method, differ in the way the object is scanned along a depth direction of the object and also in the way the overlaid light is registered.
  • an intensity of OCT measurement light entering the object decreases exponentially, which can be characterized by a certain penetration depth.
  • a degree of reflectivity within the sample region may depend on a refractive index and / or a gradient of the refractive index of the material within that sample region.
  • the OCT measuring light can have a small coherence length which is approximately in the range of a few micrometers.
  • the coherence length of the OCT measuring light represents an average length of a wave train in which different sections of the wave train are in a defined phase relationship.
  • the first part of the OCT measuring light which returns from the object, is only capable of interfering with the second part of the OCT measuring light if a difference in the optical path lengths passed by the two parts of the OCT measuring light is smaller than the coherence length of the OCT measuring light is. Due to this principle, the OCT system can obtain structural information about the sample area at a defined depth.
  • Embodiments of the invention include various variants of a short-coherence interferometry apparatus provided in the optical device adjacent to the microscopy system. These variations of an OCT system differ in how different depths within the object are scanned and how the overlaid light is detected.
  • TD-OCT time-domain OCT
  • the sampling of the sample area is performed at different depths by changing the optical path length which is passed through by the second part of the OCT measurement light (also called reference light).
  • a reflecting surface such as a mirror
  • an intensity of the superimposed light is detected.
  • a disadvantage of this method is that a mechanical displacement of the reflective surface must be performed, resulting in inaccuracies of a
  • Amount of the displacement of the reflective surface as well as inaccuracies in the correct orientation of the reflective surface may be afflicted.
  • Frequency Domain OCT is another variant of an OCT system that may be provided in the optical device according to an embodiment of the present invention.
  • the second part of the OCT measuring light reference light
  • the second part of the OCT measuring light reference light
  • the second part of the OCT measuring light reference light
  • the second part of the OCT measuring light reference light
  • structural information about the sample area at different depths is obtained by detecting intensities of the superimposed light as a function of a wavelength of the superimposed light.
  • various embodiments of frequency domain OCT may be used in the method and the optical device.
  • frequency domain OCT spectral domain OCT sometimes also called Fourier domain OCT, and swept source OCT (SS-OCT)
  • spectral domain OCT the superimposed light from the reference light and the OCT measurement light returning from the object is spectrally decomposed using a spectrometer to spatially separate a plurality of spectral portions of the superimposed light. Intensities of these spatially separated multiple spectral portions of the superimposed light are detected, for example, by a spatially resolving detector, such as a CCD camera / line detector.
  • the spatially resolving detector may comprise a plurality of detector segments, each of these detector segments receiving a spectral portion of the superimposed light.
  • the spatially resolving detector then provides electrical signals corresponding to the intensities of the multiple spectral portions representing a spectrum of the superimposed light.
  • a distribution of reflectivities within the object along the depth direction, ie, an axial direction can be obtained, thus determining a depth profile.
  • a superluminescent diode can be used as the light source for generating the OCT measurement light.
  • the light source for generating OCT measuring light can produce OCT measuring light with a peak wavelength between 800 nm and 1300 nm and with a spectral width between 5 nm and 100 nm, in particular between 15 nm and 30 nm.
  • a coherence length of the OCT measuring light is inversely proportional to the spectral width of the OCT measuring light.
  • spectral domain OCT affects the spectral width of the OCT measuring light with which the object is illuminated, an achievable axial resolution, ie a resolution along the depth direction.
  • a diffraction grating or a plurality of diffraction gratings with further optical components can be used as the spectrometer for spatially separating the multiple spectral parts of the superimposed light.
  • FIG. 1 For embodiments of the present invention, use another embodiment of Frequency Domain OCT, Swept Source OCT (SS-OCT).
  • SS-OCT Swept Source OCT
  • the object is illuminated with OCT measuring light, which has a much smaller spectral width, and thus a much longer coherence length than in time domain OCT or spectral domain OCT.
  • the central wavelength of the illuminating OCT measuring light is changed over a range of wavelengths from about 10 nm up to 200 nm or more.
  • the OCT measuring light returning from the sample area, which is superimposed with reference light is detected by a detector such as a photodiode.
  • a spectrum of the superposed light can be obtained by temporally changing the center wavelength of the OCT measuring light and detecting the superimposed light.
  • structural information about the object can be obtained by analyzing the received spectrum of the superimposed light, such as Fourier transform.
  • no spectrometer is necessary and no spatially resolving detector.
  • Determining the depth profile l ann may include detecting interference light, in particular by means of a line detector, and evaluating the detected interference light, in particular performing a Fourier transformation.
  • the depth profile may represent the intensity of reflectivity at various optical path length positions within the sample area. At a certain optical path length position, the OCT light originating from the sample area has traveled a certain optical path length, which however does not correspond to the geometric path length, since the conversion still has the refractive index or the refractive indices (in particular group refractive indices) of the materials or subregions within the sample area must be taken into account, which are traversed by the OCT light.
  • a peak in the depth profile can be characterized by a (locally) high reflectivity at a certain depth compared to other positions in the depth profile.
  • the peak can be detected by evaluating a characteristic, in particular a profile of the depth profile, in particular by determining one or more local maxima in the depth profile and associating them with previously known subregions or sublayers of subregions within the sample region.
  • the reflection at the object point may in particular correspond to a reflection at a biochip to be imaged at a point.
  • Determining the optical path length position of the peak may include determining a position of a local maximum in the depth profile.
  • the depth profile can be formed by a plurality of measured values which each have a reflectivity value and an optical path length position. Different measured values can be separated from each other by a specific sampling interval. Intermediate values can be interpolated.
  • an adaptation of a function to the plurality of measured values can be carried out. The calculation of the geometrical path length position of the object point can be based on prior knowledge of the construction and / or the previously known optical property of the sample area.
  • the at least one previously known optical property may in particular comprise one or more refractive indices (in particular phase refractive indices and / or group refractive indices) of one or more subregions within the sample area up to the object point.
  • the depth profile may contain information about reflectivity, which is even beyond the object point.
  • An area of the sample area lying on this side of the object point is understood to be a region which is traversed by the OCT light from an OCT light source within the sample area to the object point.
  • An area of the sample area lying beyond the object point is understood to be an area which is traversed by the OCT light after reaching the object point within the sample area.
  • the portion of the sample area beyond the object point may be considered in the depth profile to detect the peak, ie, to detect that increased reflectivity at a particular position in the depth profile results from reflection from the object point.
  • This area lying beyond the object point becomes however, not needed for calculating the optical path length position of the object point.
  • the bottom of the slide may be used to calculate the refractive indices or as a reference.
  • the focusing of the microscope may include a method of a main objective of the microscope along an optical axis (parallel to the depth direction) of the main objective, wherein the optical axis of the main objective is preferably parallel to a beam path of the OCT light, for short-coherence interferometry is used.
  • the object comprises a biological sample, preferably cell structure and / or tissue and / or tissue section with fluorescently labeled antibody, on a, in particular planar, biochip, the biological sample preferably comprising at least one from the following group: Thin section of biological tissue, preferably paraffinized and / or formalin-fixed or frozen section, cell smear, bacterial smear, viruses, protozoa and parasites, applied in solution, dried or coupled antigen drops, other antigens coupled to a surface and any nucleotide sequences.
  • the object may be sensitive to light, which is why excessive irradiation of the object with light, in particular fluorescence excitation light, should be avoided.
  • the determination of the geometric-pathlength position of the peak by means of short-coherence optical interferometry may comprise irradiation with OCT light, which does not have to have fluorescence excitation light and in respect of which the object does not have to be photosensitive. Therefore, damage to the object during the determination of the geometrical path length position of the object point (in particular of a point on the biochip) can be reduced according to the method according to the invention.
  • the detection of the peak comprises registering a pattern in the depth profile and associating, preferably based on relative optical path length positions, pattern details to previously known structures in the sample area. In the depth profile, a distance or distances between maxima can or can be determined.
  • These distances can be used to detect from which previously known boundary surface or intermediate layers results in a reflection which leads to a (local) maximum in the depth profile.
  • the arrangement of different maxima in the depth profile can be considered as a pattern. The more maxima (other than the maximum associated with the peak) can be observed in the depth profile, the more reliably the peak can be recognized as being the local maximum resulting from a reflection from the object point.
  • an image plane offset is calculated from a depth dimension and a refractive index of the sample area to the object point, and the focusing is based on, in particular, a difference between, the geometric path position and the image plane offset.
  • the area of the sample area lying on the side of the object point may have a refractive index (in particular phase refractive index) which is greater than the refractive index of air. Therefore, light emanating from the object point used to image the object may be broken away from the solder as it passes from the sample area into air before it enters the lens. Therefore, for focusing, an object located in a sample area having a refractive index greater than that of air on the other side of the object point must be moved farther away from the objective along the optical axis of the objective, than an object located on that side of the object point Area of the sample area, which has a refractive index which is greater than that of air.
  • a refractive index in particular phase refractive index
  • the refractive index or the refractive indices (in particular phase refractive indices) of the materials or partial regions of the sample area must be known and taken into account on this side of the object together with their respective depth extents.
  • the sample area comprises subregions up to the object point and the image plane offset is determined according to FIG where the d i are geometric depth extents of the respective partial regions / up to the object point and the n j are the phase refractive indices, preferably at a Central wavelength of the light used for imaging by means of the microscope, the respective partial areas are up to the object point.
  • the geometric depth expansions may be known at least approximately beforehand.
  • the phase refractive indices and the aperture angle of the lens may be known.
  • the image plane offset can be calculated without the use of short-coherence interferometry results by using at least approximately known depth dimensions.
  • the geometric depth extents may be calculated based on differences in optical pathlength positions determined by short-coherence interferometry, the phase refractive indices being assumed to be known.
  • the above formula (*) for calculating the image plane offset can be applied to lenses with a small aperture angle of the lens (small numerical aperture (NA)).
  • NA numerical aperture
  • the focus is elongated in the axial direction (depth direction, ie, z-direction) (spherical aberration) since the image plane displacement is increased
  • a lens with high NA may therefore have, for example, a so-called cover glass correction ring (in particular a motorized correction ring).
  • the strength of the cover glass correction (strength of the spherical aberration) can be adapted to different coverslip thicknesses and additionally through refractive media (such as glass and / or glycerin).
  • the optimal setting for such a correction ring can be calculated.
  • the correction ring can be adjusted in particular as a function of the optical path length from the top of the cover glass to the object point.
  • the focus distance of the lens may vary depending on the setting of the correction ring. This can be taken into account when focusing.
  • a short-coherence interferometry apparatus used for optical short-coherence interferometry has an axial resolution of 1 pm to 15 pm, preferably 3 pm to 10 pm preferably 8 ⁇ to 10 ⁇ , wherein the geometric path length position of the object point with higher accuracy, preferably 0.03 ⁇ to 1 ⁇ , more preferably 0.1 ⁇ to 0.5 microns, as the axial resolution of the short-coherence interferometry Apparatus is determined.
  • the sample area may have boundary layers or intermediate layers between partial regions with different refractive indices, which have a greater mutual distance to achieve this accuracy of an absolute position determination than the resolution capability of the short-coherence interferometry apparatus.
  • the imaging comprises exciting fluorescence of a fluorophore included in the object and detecting the emitted fluorescent light from the object.
  • the exciting of fluorescence can be achieved by illuminating the object with fluorescence excitation light.
  • Suitable fluorophores are fluorescent molecules or groups of molecules which have a sufficiently narrow extinction and emission spectrum, are intense and stable. Numerous suitable fluorophores with their respective extinction or emission spectra are known to the person skilled in the art, for example the fluorophores from the group comprising hydroxycoumarin (325 or 386 nm), Cascade Blue (410 or 423 nm), DAPI (345 or 455 nm).
  • Texas Red (589 and 615 nm), fluorescein (495 and 519 nm, respectively), X-rhodamine (570 and 576 nm, respectively), Alexa Fluor series, for example Alexa Fluor 532 (530 and 555 nm), Cy dyes , z.
  • Cy2 (489 and 506 nm), Cy3 (550 and 570 nm) or Cy5 (650 and 670 nm, respectively), DyLight dyes, eg DyLight549 (562 and 576 nm), ethidium bromide (493 and 620 nm, respectively) ), Hoechst 33342 (343 and 483 nm, respectively), Fluo-3 (506 and 526 nm, respectively) and the fluorescent proteins GFP (396 and 508), Y66H (360 and 442 nm), Y66F (360 and 508 nm, respectively) ), RFP (563 and 582 nm), EBFP (380 and 440 nm, respectively), ECFP (434 and 477 nm, respectively), EGFP (488 and 477 nm, respectively), 507 nm), as well as fluorescent derivatives and homologs thereof, all of which can be used in various embodiments according to the present invention.
  • DyLight dyes eg DyLight5
  • the fluorophore is derived from the classes cyanine dyes, fluoresceins, rhodamines, most preferably fluorescein isothiocyanate (FITC).
  • fluorophores can be used underivatized, eg. B. DNA-binding fluorophores such as ethidium bromide.
  • the fluorophore it is particularly preferable for the fluorophore to be part of a reagent which specifically interacts with molecules, cell or tissue constituents or structures of the samples to be examined, preferably a reagent from the group comprising antibodies, fusion constructs or fragments thereof, for example primary or secondary antibodies, Nucleic acids, anticalins, aptamers and the like.
  • Suitable fluorophores and reagents labeled therewith are commercially available, for example from EUROIMMUN AG, Lübeck.
  • Wavelength ranges of the light used for the excitation may comprise a range around a wavelength of the extinction maximum of the fluorophore used +/- 20 nm, preferably +/- 10 nm, more preferably +/- 5 nm.
  • the sample area in a region through which the object is irradiated comprises a capping glass and a liquid, preferably a pH-buffered glycerol solution.
  • a liquid preferably a pH-buffered glycerol solution.
  • the cover glass can provide two detectable interfaces and a third interface beyond the liquid can represent a surface of the biochip to be examined.
  • the depth profile in addition to the peak in a radiated to the object area another peak, which originates from an upper surface of the coverslip, and still another peak, which originates from a bottom of the coverslip, on, wherein the another peak and the still further peak can be used to detect the peak and / or the geometric path position of the object.
  • the further peak and the still further peak can facilitate detection of the peak and thus can improve the reliability of the method.
  • the accuracy of determining the geometric position of the object point may be improved.
  • a conventionally used sample area can be used to examine a biochip without having to change the conventionally used sample area, in particular without having to attach visually recognizable markings or targets to the sample area. This can save costs.
  • calculating the geometrical path length position of the object point is further based on an optical path length position of the further peak, an optical path length position of the still further peak, a refractive index of the capping glass, a difference between Optical path length position of the still further peak and the optical path length position of the peak and a refractive index of the liquid.
  • the thickness of the cover glass can be calculated. From the difference of the optical path length position of the still further peak and the optical path length position of the peak, the thickness of the glycerol solution can be calculated. If the group refractive indices of the coverslip and the glycerol solution are then used, then the geometric path length position of the peak and thus taking into account the image plane offset, the focus position of the object point can be determined. Thus, only the evaluation of a depth profile and knowledge of the refractive indices of the coverslip and the glycerol solution is required for focus position determination of the object point.
  • the optical path length position of the peak and / or the further peak and / or the still further peak is preferably determined by adapting a suitable fit function to an oversampled depth profile generated by zeropadding of the interferogram and / or taking into account a maximum signal and two-way neighboring signals of the respective peak in the depth profile, preferably by means of a frequency estimation method.
  • a suitable fit function is preferably determined by adapting a suitable fit function to an oversampled depth profile generated by zeropadding of the interferogram and / or taking into account a maximum signal and two-way neighboring signals of the respective peak in the depth profile, preferably by means of a frequency estimation method.
  • Other mathematical methods are also possible.
  • Zeropadding "padding with zeros " is a method for virtual magnification of the spectral resolution in the discrete Fourier transform. The appending of zeroes causes the interpolation of additional frequency values in the Fourier transform. For example, if the spectrometer or detector provides 200 pixel values
  • a frequency estimation method makes it possible to increase the accuracy of the determination of the peak position in the FFT spectrum and is comparable to the mathematical center of gravity determination.
  • a "classical" focus determination leads to artifacts, due to the convolution between window function and signal.
  • the peak position determination is less subject to the artifact by the convolution between window function and signal when performing center of gravity determination over several pixels in the vicinity of the maximum value.
  • an optical path length position of the peak can be determined with higher accuracy than the axial resolution of the short-coherence interferometry apparatus.
  • the geometric path length position Z (Obj) of the object point is calculated according to:
  • Z (Obj) Z (wP) / n (air) + [Z (nwP) -Z (wP)] / n (glass) + [Z (P) -Z (nwP)] / n (glycerol), where
  • Z (wP) is the optical path length position of the further peak
  • Z (nwP) is the optical path length position of the still further peak
  • Z (P) is the optical path length position of the peak
  • n (air) is the (group) refractive index of air at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry
  • n (glass) is the (group) refractive index of the coverslip at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry
  • n (glycerol) is the (group) refractive index of the glycerol solution at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry.
  • the method further comprises the step of: f) lateral movement of the object along a first line and preferably further along a second line, during which respective geometric path length positions of a plurality, in particular between 10 and 30 object points respectively in the first and second lines, are determined by object points.
  • a lateral method can be performed with a conventional sample holder with displacement capability.
  • the lateral process can be carried out step by step, wherein at each standstill after a step, a geometric-Weginate- position of the peak can be determined.
  • the (depth) position can be stored in each case (in particular together with associated lateral position information).
  • the second line may be laterally offset from the first line. Thereby, positional information about the object can be obtained at different lateral points, which can improve a (later) focusing on the object for imaging the object.
  • a first straight line equation is determined on the basis of positions of the object points of the first line
  • a second straight line equation is determined based on positions of the object points of the second line
  • a normal of the object is calculated from the first and the second straight line equation and the normal and a geometric-pathlength position of the object at a lateral point are used to focus the microscope at another lateral point.
  • a determination of a respective straight-line equation to the first line or the second line may include an adaptation of a respective straight line to the plurality of measured points such that an error term becomes minimal.
  • the straight line equations can be determined from the geometric path length positions and / or the optical path length positions.
  • the normal can generally be calculated using at least three positions or three-dimensional positions, not necessarily thus with the aid of a first straight line equation and a second straight line equation and thus also not necessarily with the aid of a survey along a first line and a second line.
  • biochips for determining at least three geometric path length positions of three points each can be measured by means of short-coherence interferometry.
  • the biochips can be imaged sequentially, whereby it may happen that a lateral position approached for a biochip does not correspond exactly to a lateral position, which was previously measured by means of short-coherence interferometry with respect to its depth position, ie focus position , In this case, to determine the depth position, ie focus position, the approached lateral position, the geometric-path length position of the previously measured point which is closest to the current lateral position and with further reference to the determined normals (or their Inclination to the depth direction) which linearly associates a depth deviation from the depth position of the previously measured point with the distance therefrom.
  • the reference point has a known distance along a microscope beam path from a position, preferably an object-side nearest optical surface, of an objective of the microscope, wherein preferably the objective is a 20x to 40x magnifying objective and the microscope preferably has a depth of field between 0.5 pm and 1, 8 pm.
  • the reference point may be a fixed point with respect to the short-coherence interferometry apparatus.
  • the short-coherence interferometry apparatus may be fixed or movable, in particular pivotable, relative to the microscope. Using the distance of the reference point from the position of the lens, it is possible to deduce the geometric path length position of the peak to a travel length of the objective in order to bring the object into the focal plane of the objective.
  • the short-coherence interferometry apparatus comprises an illumination source (also referred to as OCT light source) for illuminating the object with illumination light (also referred to as OCT light), preferably in the near-infrared region, and a detector for detecting interference light, which is obtained by interference of the object reflected illumination light with reference light, wherein the short-coherence interferometry apparatus preferably has a grating for spectrally decomposing the interference light, and preferred is designed to record depth profiles at a sampling rate of between 1 kHz and 2 kHz.
  • OCT light source also referred to as OCT light source
  • OCT light illumination light
  • the short-coherence interferometry apparatus preferably has a grating for spectrally decomposing the interference light, and preferred is designed to record depth profiles at a sampling rate of between 1 kHz and 2 kHz.
  • the detector can be a line detector which can detect the interference light in a spectrally resolved manner.
  • the short-coherence interferometry apparatus may be or include a spectral domain short-coherence interferometry apparatus.
  • the measurement rate may be sufficiently high to measure a plurality of biochips arranged on a travel table sequentially for focus position determination and subsequently to image them by means of the microscope, using retrieved focus positions of the respective biochips,
  • a measuring method for measuring a plurality of biochips arranged laterally next to one another on a carrier, comprising the steps: a) step-wise lateral, preferably meander-shaped, method of the carrier relative to a microscope and short-coherence interferometry apparatus; b) in one step or continuously, performing a method according to any one of the preceding claims; and c) taking an image of a respective focused biochip by means of the microscope.
  • the meandering method allows a measurement of a two-dimensional field of objects in a relatively short time. Further, this type of method allows for measurement along a first line and along a second line.
  • the meandering process of the carrier relative to the short-coherence interferometry apparatus it can be pivoted into a microscope beam path (or the microscope beam path can be swung out) so that microscopic imaging does not take place. Certain positions may be stored for each object of the plurality of objects or biochips, respectively, in a memory of the optical device.
  • the geometric position length positions or resulting focus positions corresponding to the lateral position can be retrieved and the microscope can be focused based on a focus position of the respective biochip in the field of view of the microscope become.
  • the method retrieves: retrieving the stored geometric-path length position associated with the current lateral position of the microscope relative to the carrier, focusing on the biochip for imaging by the microscope based on the retrieved geometric path length position.
  • a plurality of biochips can be measured quickly and reliably.
  • an optical device for imaging an object located within a three-dimensional sample area.
  • the optical device has a short-coherence interferometer apparatus, which is designed to determine a depth profile of the sample area at least at a lateral point by means of optical short-coherence interferometry, and a processor.
  • the processor is configured to detect a peak in the depth profile resulting from a reflection at an object point, to determine an optical path length position of the peak representing the optical path length of the object point from a reference point, and based on the Optical path length position and at least one known optical property of the sample area, a geometric-path length position of the object point, which represents a geometric path length of the object point of the reference point to calculate.
  • the optical device further comprises an actuator configured to focus a microscope on the object point based on the geometric path length position for imaging the object.
  • the optical device is in particular designed to carry out a method for imaging an object according to an embodiment of the present invention.
  • the optical device may in particular comprise the microscope.
  • the optical device may comprise a device for detecting a beam path of the short-coherence beam.
  • the optical device further comprises a controller coupled to the processor and the actuator for biasing the actuator to focus in response to an output signal of the processor to preferentially scan a lens along a depth direction.
  • the optical device further comprises a laterally movable sample holder, which is preferably controlled by the controller to the lateral method.
  • the optical device further comprises a memory for storing geometric-path length positions of a plurality of object points.
  • focus positions of a plurality of objects can be determined and stored in the memory.
  • the biochips can be successively imaged by means of the microscope, for which purpose the respective focus positions are retrieved from the memory and used to focus the objective of the microscope.
  • the optical device may further comprise an objective for imaging the object, wherein the objective has in particular (eg with a numerical aperture greater than 0.7 or greater than 0.8) a cover glass correction device which is designed to reduce aberrations, in particular spherical aberration, when mapping object points due to To correct knowledge of position, thickness and refractive index of the sub-areas, the image plane offset in particular by
  • Partial regions i are up to the object point (120) and the n 'are the phase refractive indices, preferably at a central wavelength of the light used for imaging by means of the microscope, of the respective partial regions up to the object point and where ⁇ is the angle of the optical path to the optical axis of the microscope Is objective.
  • the spherical aberration of the objective can be adjusted within a certain range by changing the setting of the cover glass correction device.
  • the objective can e.g. have a so-called cover glass correction ring (in particular motorized correction ring).
  • the strength of the cover glass correction can be adapted to different cover glass thicknesses and additionally through refractive media (such as glass and / or the glycerol).
  • the optimum setting of the correction ring must also be determined by "trial and error”. After measuring the layer thicknesses by the short-coherence interferometry, the optimal setting for such a correction ring can be calculated.
  • the focus distance of the lens may vary depending on the setting of the correction ring. If the cover glass correction changes the focus distance of the lens, this can be taken into account when focusing.
  • Fig. 1 schematically shows an optical device for imaging an object located within a three-dimensional sample area according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 schematically shows a short-coherence interferometry apparatus which can be used for example in the optical device of Fig. 1;
  • FIG. 3 illustrates a sample carrier for a plurality of biochips arranged in a plurality of chambers and examined in accordance with a method of imaging an object within a three-dimensional sample area
  • Fig. 4 is a side view showing a sample area which is imaged with a microscope of the optical apparatus of Fig. 1;
  • Fig. 5 is a side view of another sample area having a greater thickness for illustrating an image plane offset, which is considered in accordance with embodiments for focusing and imaging;
  • Fig. 6 schematically illustrates interfaces within a sample area which, according to embodiments of the invention, are recognized to determine a focus position of a biochip;
  • FIG. 7 illustrates a focal plane determinable according to embodiments of the present invention
  • Fig. 8 illustrates an offset spectrum and Fig. 9 illustrates an apodization spectrum taken into account in an evaluation of an interference signal;
  • Fig. 10 shows a spectrum taken by a detector of the short-coherence interferometry apparatus;
  • Fig. 11 illustrates a recorded spectrum of Fig. 10 corrected by means of the spectra discrete in Figs. 8 and 9;
  • Fig. 12 shows a windowed spectrum according to embodiments of the invention
  • FIG. 13 illustrates a depth profile or an A-scan, which is used to determine a geometric path length position of an object point, in particular a biochip
  • Fig. 14 illustrates a phase refractive index and a group refractive index of glass from which a capping glass of the sample region is made;
  • Fig. 15 illustrates a phase refractive index and a group refractive index of a glycerin solution which is located between a capping glass and the biochip.
  • FIG. 1 schematically illustrates an optical device 100 for imaging an object 103 located within a three-dimensional sample area 101 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical device 100 comprises a short-coherence interferometry apparatus 105, a processor 107 and an actuator 109.
  • the optical device 100 comprises a microscope 11, which comprises an objective 11, an imaging optics 115 and an image detector 117.
  • the short-coherence interferometry apparatus 105 is designed to determine a depth profile of the sample area 101 by means of optical short-coherence interferometry, at least at a lateral point 1 19.
  • this lateral point is shown as a lateral region 1 19, which has a certain lateral extent, about a few micrometers depending on the lateral resolution of the short-coherence interferometry apparatus 105.
  • the lateral extent of the region 119 is in an x-direction or a y-direction, which are shown at reference numeral 121, which are perpendicular to a z-direction, which is designated by reference numeral 123.
  • the z-direction 123 corresponds to a depth direction along which a depth profile is determined by short-coherence interferometry.
  • the short-coherence interferometry apparatus 105 has a light source 125 for emitting OCT-short with a short coherence length, approximately a few micrometers, which is guided along an optical waveguide 127 to an optical coupler 129.
  • the optical coupler 129 divides the OCT ücht into two parts, of which a first part is guided along the light guide 127 to a reflector 131, which may be adjustable in its position for setting a reference optical length.
  • a second part of the OCT Light is formed by the light guide 127 and after exiting the light guide by an illumination optical system 133 to a suitable cross-sectional dimension to irradiate the sample area 101 along the depth direction and z-direction 123, respectively.
  • the OCT light is directed, for example, by means of a reflector 135 onto the sample area 101 at the lateral point or area 119.
  • the reflector 135 is optional, the OCT light can be directed without this on the object.
  • a central area on the reflector 135 defines a reference point 136 to which a geometric path length position in a depth profile relates.
  • the reference point 136 may be located at other locations.
  • the sample area 101 comprises a capping glass 137 which has a front side 139 (ie located on this side of the object 103) and a rear side 141 (located on the side of the object 103 but located beyond the front side 139 of the capping glass 137).
  • the sample area 101 comprises a glycerol solution 143, which covers the entire space between the cover glass 137 and the object 103, i. an upper surface of the biochip 145, fills.
  • the biochip 145 is attached to a chamber bottom 149 with adhesive 147. Within the only incompletely illustrated chamber with chamber bottom 149, a plurality of (not shown) biochip 145 may be included.
  • optical path length positions of the boundary layers 139, 141 and 103 can be determined, which can be stored in a memory 151.
  • the processor 107 is configured to detect a peak, such as peak 1353 in FIG. 13, and to determine a corresponding optical path length position of the peak resulting from a reflection of the OCT light from the surface 103 of the biochip 145.
  • the processor 107 calculates a geometrical path length position of the object point 120 on the Surface 103 of the biochip 145.
  • the processor 107 may output control signals or results of its calculations to a driver 155, which may drive the actuator 109 to move the lens 1 13 along the depth direction 123 or z-direction, so that the object point 120 is arranged in the focal plane of the objective 1 13.
  • the OCT light reflected at different depths from the lateral region 19 is reflected at the mirror 135 and re-enters the light guide 127, which guides the reflected OCT light to the optical coupler 129 where the reflected OCT light with reference light , which has been reflected by the reference mirror 131, is brought to interference.
  • the interference light is detected by a detector 130, which in one embodiment comprises an optical grating to split the interference light into wavelengths before it is detected by a line detector, for example. Electrical or optical signals corresponding to intensities detected by the detector 130 are applied to the processor 107, which determines a depth profile from these signals.
  • the optical device 100 illustrated in FIG. 1 further comprises a laterally movable sample holder 157 which can be moved relative to a base 159 along one or more lateral directions 121 (for example x-direction and / or y-direction).
  • the controller 107 may supply appropriate control signals to the base 159 to laterally move the sample holder 157, on which the sample region 101 is disposed within a chamber.
  • geometric path length positions of a plurality of surfaces 103 of biochips 144 may be stored in the memory 151 and retrieved from the memory 151 with respect to the respective lateral position of the currently examined biochip for focusing the objective 1 13.
  • the short-coherence interferometry apparatus within the optical device can meet the following specifications:
  • a lateral movement speed of the microscope slide under the microscope objective of up to 60 mm / s is supported.
  • the measuring frequency is at least 1 kHz.
  • the lateral resolution can be at least 100 ⁇ m due to the typical dimensions of the sample and image field.
  • the axial resolution is less than 15 ⁇ (in particular they may be greater than the Rayleigh length of the lens used in the fluorescence image to be).
  • the accuracy of determining the position of the interface on the to be focused may be more accurate than the Rayleigh length of the lens of the microscope.
  • the measuring depth is up to or about 2 mm.
  • the sample area 101 has a depth extent TA up to the object point 120.
  • the opening angle of the objective is ⁇ .
  • the geometrical path length position of the object point 120 is denoted by gWI, the image plane offset by ⁇ and the difference between geometrical path length position of the object point 120 and image plane offset is denoted by ⁇ and entered in FIG.
  • the distance between the lens 1 13 and the reference point 136 is designated A.
  • FIG. 2 schematically illustrates a short-coherence interferometry apparatus 205 that may be used, for example, in the optical device 100 of FIG.
  • the short-coherence interferometry apparatus 205 includes an OCT light source 225 which emits OCT light 226 and directs it to a beam splitter 229.
  • the beam splitter 229 splits the OCT light 226 into two parts, with a first part 228 being directed to a reference mirror 231 and a second part 230 being directed to the object area 201.
  • OCT light 230 reflected from the object region 101 of different depths z interferes with first part 228 of the OCT light 226 reflected at the reference mirror 231, and is spectrally decomposed at the optical grating 232.
  • the spectrally decomposed interference light is detected by the line camera 230. From this, a wavelength-dependent intensity spectrum 232 can be obtained.
  • the sample is scanned confocally with a broadband light source, while the
  • Running time of the detected light is determined within the sample to the scattering and
  • the transit time measurement is done interferometrically by superposition of the returning from the sample
  • a fast spectrometer records the interference phenomenon with wavelength resolution.
  • the depth information is obtained in the Fourier domain OCT by means of Fourier transformation.
  • the following specifications may apply to equipment 105 and 205, respectively: • Measuring frequency 1, 2 kHz
  • FIG. 3 shows a sample carrier 350 with a plurality of chambers 352, in each of which a plurality of biochips 345 are contained, the biochips being imaged by means of a microscope according to an embodiment of the present invention.
  • the sample carrier 350 is initially moved meander-shaped for determining depth positions of the individual biochips 345 by means of short-coherence interferometry, as indicated in the track 354.
  • two lines 356 and 358 per biochip 345 are preferably traversed and the depth positions or geometric path length positions at a plurality of points 360 on each biochip are determined and stored, for example in the memory 151 illustrated in FIG.
  • the chambers 352 may include a sample area 101 as illustrated in FIG. 1, each having a plurality of biochips 145, or sample areas as illustrated, for example, in FIGS. 4 and 5.
  • the slide 350 may be injection molded from PMMA. Depending on their size, they can have either 10 or 50 chambers, in each of which up to nine biochips 345 can be located.
  • the biochips may be glued into the chambers 352 of the slide 350 and covered with a Schott D263T coverslip.
  • the gap may be filled with glycerol 143 (see FIG. 1).
  • the optical properties and geometric dimensions of the sample components are known: glued cover glass (biochip) (item 145 in FIG. 1)
  • the lenses 113 used for the fluorescence images produce foci with a Rayleigh length in the micrometer range, so that due to the production-related fluctuations of the sample dimensions is not readily ensured that the sample surface is in focus of the lens.
  • FIG. Figures 4 and 5 illustrate a focal plane offset in refractive media.
  • the biochip surfaces 403 and 503, which are to be focused on the fluorescence images, are not in air, but under the coverslip 437 or 537 and a layer of glycerol 443 or 543.
  • also referred to as ⁇
  • the focus shifts from its original position to larger working distances, depending on the layer thickness and refractive index of the media being passed through:
  • the biochip 445 or 545 or its surface 403 or 503 positioned exactly at the working distance under the microscope objective, then still no sharp imaging is possible because the cover glass 437 and 547 and the glycerol shift the focus within the sample. It is therefore not enough to know exactly the position of the biochip or its surface 403 or 503 exactly. In order to position the biochip in the shifted focus, the exact interfaces of the overlying refractive media must also be known.
  • the three relevant interfaces air-glass 639, glass-glycerol 641 and glycerol biochip 603 are precisely measured, as illustrated in FIG. 6. Subsequently, the focus plane 703 is calculated for its depth position and orientation by a normal N (which is perpendicular to the plane 703), as illustrated in Fig. 7, in which the biochip must be positioned to obtain a sharp image.
  • FIGS. 8-13 illustrate processing steps of processing interference signals received by a detector of a short-coherence interferometry apparatus, such as detector 130 illustrated in FIG. 1 or detector 230 illustrated in FIG.
  • the offset error spectrum 861 illustrated in FIG. 8 (shown in a coordinate system with an abscissa 863 associated with the wavelength and an ordinate 865 associated with an intensity) is typically acquired at power-up of the device before the OCT light source, such as an SLD, and is later used for black balancing the recorded spectra.
  • OCT light source such as an SLD
  • the apodization spectrum 867 shown in FIG. 9 is recorded to determine the spectral intensity distribution of the OCT light source (for example, SLD).
  • the OCT light source for example, SLD
  • no light from the sample arm may fall onto the spectrometer.
  • a mechanical shutter may block the sample arm, or the microscope stage may be moved such that no object is within the focus range of the OCT imaging optics during acquisition of the apodization spectrum. Since the spectrum can change over time, it can be re-recorded at regular intervals. It is advisable to do this, for example, directly before measuring each slide.
  • the two reference spectra 861 and 867, which are shown in FIGS. 8 and 9, respectively, can be averaged from 25 consecutive spectra. Subsequently, the slides can be measured by recording a spectrum 1069 at different lateral positions (x, y) of the samples, as illustrated in FIG. 10.
  • the further processing of the spectra may include the following steps:
  • Hann window function the result being shown in FIG. 12 as curve 1273.
  • the values of the Hann window can be stored as a vector.
  • the negative frequencies contain no additional information and can be discarded.
  • the amounts are formed from the Fourier coefficients at the (e.g., 512) positive frequencies. Logarithmically, they form a classic
  • the depth profile 1375 illustrated in FIG. 13 shows four local maxima, a peak 1353 with optical path length position 1354, which originates from the surface 103 of the biochip 145, another peak 1377 with optical path length position 1378 which extends from the top side 139 of the cover glass 137, an even further peak 1379 with optical path length position 1380, which originates from the lower side 141 of the cover glass 37, and an additional further peak 1381, which originates from a lower side 104 of the biochip 145.
  • the calculation of the focal plane from the processed OCT data can be done as follows:
  • the further peak 1377 of the air-cover glass interface is first identified, which is easy to carry out, since this further peak represents the highest and usually also the first peak of the A-scan or depth profile 1375. If the further peak 1377 of the cover glass top 139 is found, then the position of the peak 1353 and the still further peak 1379 can already be estimated approximately on the basis of the sample specifications, so that they are relatively easy to identify.
  • the peak positions may be determined by other methods.
  • the method defined above by the equation does not require much numerical effort and can improve the accuracy of the reflection determination from 120 nm to about 25 nm.
  • the processed spectra could be padded with zeroes before the Fourier transform to obtain an oversampled A-scan.
  • the peak positions can be determined by parabolic adjustments with an accuracy of a few nanometers.
  • Straight lines must have the same slope in order to be able to lie in one plane.
  • One of the three points, z. B. P1 can serve directly as a point A point E level.
  • the normal vector N is calculated most simply as a cross product of the connecting vectors between A and P2 and A and P3, as is known to the person skilled in the art.
  • Each point P of the plane 703 now fulfills a plane equation resulting from the normal vector N and the distance from the zero point, as is known to the person skilled in the art.
  • Z (Obj) Z (wP) / n (air) + [Z (nwP) -Z (wP)] / n (glass) + [Z (P) -Z (nwP)] / n (glycerol), where n (air) is the (group) refractive index of air at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry,
  • n (glass) is the (group) refractive index of the coverslip at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry
  • n (glycerol) is the (group) refractive index of the glycerol solution at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry.
  • the image plane offset ⁇ which causes a plane-parallel plate of thickness d with refractive index n, is dependent on the opening angle ⁇ of the beam path.
  • An objective 113 can be corrected, for example, for a cover glass thickness of 170 ⁇ m. If the focus of the marginal rays is corrected to the central rays, then the image plane offset can be determined according to

Abstract

Described is a method and an optical apparatus for creating an image of an object (103) located within a three-dimensional sample region (101), said method comprising the following steps: a) determining a depth profile (1375) of the sample region (101) at least at one lateral point (119) by means of optical low-coherence interferometry; b) identifying a peak (1353) in the depth profile resulting from the reflection off a point (120) on the object; c) determining an optical distance position (1354) of the peak (1353) representing the optical distance of the point (120) on the object from a reference point (136); d) calculating a geometrical distance position of the point on the object on the basis of the optical distance position (1354) and at least one previously known optical property of the sample region (101), said geometrical distance position representing a geometrical distance (gWI) of the point (120) on the object from the reference point (136); e) focusing a microscope (111) onto the point (120) on the object on the basis of the geometrical distance position (gWI) in order to create an image of the object (103).

Description

Verfahren zum Abbilden eines Objektes und Optikvorrichtung  Method for imaging an object and optical device
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbilden eines innerhalb eines dreidimensionalen Probenbereichs befindlichen Objektes, insbesondere eines Biochips, und eine Optikvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen. Das Verfahren betrifft insbesondere das Abbilden von Fluorophoren, die auf einem Biochip gebunden sind. The present invention relates to a method for imaging an object located within a three-dimensional sample area, in particular a biochip, and an optical device designed to carry out the method. In particular, the method relates to imaging fluorophores bound on a biochip.
Labordiagnostische Untersuchungen stellen eine unverzichtbare Grundlage für die moderne Medizin dar. Mittlerweile steht eine Vielzahl von routinemäßig durchführbaren Tests zur Verfügung, mit Hilfe derer in Abwesenheit des Patienten aus Probenmaterial menschlichen oder tierischen Ursprungs entscheidende Informationen zum vorliegenden Krankheitsbild, zur Prognose oder zum Erfolg einer Behandlung erhalten werden können. Die Verantwortung dem Patienten gegenüber gebietet es, an die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Ergebnisse solcher Untersuchungen höchste Anforderungen zu stellen. Aus diesem Grund muss auf arbeitsintensive und technisch aufwändige analytische Verfahren zurückgegriffen werden können, wenn diese gegenüber einfacher durchführbaren Verfahren zuverlässigere Ergebnisse liefern. Laboratory diagnostic studies are an indispensable foundation for modern medicine. There are now a variety of routinely feasible tests available, in the absence of the patient from samples of human or animal origin crucial information on the present disease, the prognosis or success of a treatment received can be. Responsibility to the patient dictates that the reliability and validity of the results of such examinations should be of the utmost importance. For this reason, it is necessary to resort to labor-intensive and technically complex analytical procedures, providing more reliable results compared to simpler procedures.
Zu solchen überlegenen Verfahren gehört die Immunfluoreszenz. Typischerweise wird dabei eine am menschlichen oder tierischen Körper gewonnene flüssige Probe mit nachzuweisenden Antikörpern auf einen Biochip, der mit einem antigenhaltigen biologischen Reagenz beschichtet ist, aufgetragen und mit fluoreszenzmarkiertem Antikörper versetzt. Enthält die Probe Antikörper, so entsteht auf dem biologischen Reagenz ein fluoreszierender Komplex aus Antigen, Antikörper aus der Probe und markiertem Antikörper. Es kann dann nicht etwa lediglich über eine Quantifizierung des Fluoreszenzsignals wie bei anderen Verfahren, sondern anhand eines unter dem Mikroskop erkennbaren charakteristischen Musters auf dem Biochip eine zuverlässige Diagnose gestellt werden. Such superior methods include immunofluorescence. Typically, a liquid sample obtained from the human or animal body with antibodies to be detected is applied to a biochip which is coated with an antigen-containing biological reagent and fluorescently labeled antibody is added. If the sample contains antibodies, a fluorescent complex of antigen, antibody from the sample and labeled antibody is formed on the biological reagent. It is then not possible to make a reliable diagnosis on the biochip merely by way of quantification of the fluorescence signal as with other methods, but with the aid of a characteristic pattern recognizable under the microscope.
BESTÄTJGÜWGSKOPIE Zum Nachteil der Patienten limitiert der erhebliche Aufwand bei der mikroskopischen Untersuchung individueller Proben die Nutzung der Immunfluoreszenz und anderer mikroskopiegestützter Diagnoseverfahren. Nicht nur muss die Probe in mehreren Schritten mit Reagenzien inkubiert werden und manuell für die mikroskopische Untersuchung hergerichtet werden, auch die mikroskopische Untersuchung selbst, bei der in einem ersten Schritt auf das biologische Reagenz fokussiert werden muss, ist arbeitsintensiv und muss von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden. BESTÄTJGÜWGSKOPIE To the detriment of patients, the considerable expense of microscopically examining individual samples limits the use of immunofluorescence and other microscopy-based diagnostic techniques. Not only must the sample be incubated with reagents in several steps and prepared manually for microscopic examination, but also the microscopic examination itself, which must focus on the biological reagent in a first step, is labor intensive and must be performed by trained personnel ,
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze beschrieben worden, um den hohen Ressourcenbedarf für die Immunfluoreszenz zu verringern. Various approaches have been described in the prior art to reduce the high resource requirements for immunofluorescence.
Einerseits besteht die Möglichkeit, durch ausgeklügelte Inkubationsvorrichtungen die benötigte Menge an teuren Reagenzien zu minimieren. So beschreibt die US20100124750 eine Vorrichtung zur Durchführung von Analysen mit Rinnen, wobei ein Objektträger und ein Reagenzträger im verbundenen Zustand mittels eines Bewegungsmittels derart bewegt werden, dass sich in den Rinnen befindliche Flüssigkeit abwechselnd in die beiden Längsrichtungen der Rinnen bewegt. Die DE 10 2013 017802 beschreibt eine Vorrichtung zum Kontaktieren eines immobilisierten Reaktionspartners mit wenigstens einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit einem nach unten gewandten immobilisierten Reaktionspartner über eine eng anliegende Erhebung zugeführt wird, so dass das für das Kontaktieren der Flüssigkeit mit dem Reaktionspartner benötigte Volumen minimiert ist. On the one hand, there is the possibility of minimizing the amount of expensive reagents required by sophisticated incubation devices. For example, US20100124750 describes a device for carrying out analyzes with grooves, wherein a slide and a reagent carrier are moved in the connected state by means of a movement such that liquid located in the grooves moves alternately in the two longitudinal directions of the grooves. DE 10 2013 017802 describes a device for contacting an immobilized reactant with at least one liquid, wherein the liquid is supplied to a downwardly facing immobilized reactant via a close-fitting survey, so that the volume required for contacting the liquid with the reactant is minimized ,
Andererseits wurden im Stand der Technik auch Ansätze beschrieben, um den Fokussierungsschritt zu automatisieren. Die WO 2012/025220 beschreibt eine dazu geeignete Vorrichtung mit einem Kreuztisch zur automatisierten Untersuchung einer biologischen Probe, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Biochip, auf dessen Oberfläche sich die Probe befindet, eine optisch gut erkennbare Kennzeichnung (zum Beispiel eine Zielscheibe, die kontrastreiche Ringe aufweist) aufweist. Zur automatischen Fokussierung wird zunächst die Kennzeichnung und deren Position bestimmt. In der Folge wird, während der Kreuztisch innerhalb eines anhand der zuvor bestimmten Position verfahren wird, eine Serie von Bildern mit unterschiedlichen Fokussierungen angefertigt. Diese Serie von Bildern wird an eine Auswerteeinheit übertragen, die basierend auf einem Vergleich der Qualität der Bilder eine Fokusebene bestimmt. Dieser Ansatz weist eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst muss die Probe bereits vor der eigentlichen Analyse mehrfach belichtet werden. Dabei kann es nicht nur zu einer Bleichung des Fluorophors in der Fluoreszenzmarkierung kommen, sondern auch zu einer Beeinträchtigung der Probe, worunter die Bildqualität leiden kann, mit der Folge, dass die Diagnose erschwert oder gar unmöglich gemacht wird. Weiterhin muss der Biochip ausschließlich für die Fokussierung mit einer Kennzeichnung versehen werden. Dies erhöht den Aufwand bei der Herstellung und nimmt auf dem Chip Platz in Anspruch, der nicht für Probenmaterial genutzt werden kann. Außerdem erfordert das Aufnehmen und Auswerten der Serie von Bildern eine relativ lange Zeitdauer und großen Speicherbedarf, was ein Hochdurchsatzverfahren erschweren kann. Die DE 10 2010 033 249 A1 offenbart eine mikroskopische Einrichtung zur Abbildung einer Probensubstanz, wobei Kurzkohärenz-Interferometrie zur Bestimmung der Z- Position der Probensubstanz verwendet wird, um die Probensubstanz in die Fokusebene zu bewegen. Dabei wird nach Zuordnung der durch die Probensubstanz verursachten Interferenz zu der Tiefenposition eine diesbezügliche Informationen über eine Ansteuereinheit an Stellantriebe weitergegeben, um entweder durch Bewegung des Objektivs oder des Objektträgers eine Verschiebung der Fokusebene im Z-Richtung so weit zu veranlassen, dass sich diese in der Tiefenposition befindet, in welcher sich die aufzunehmende Probensubstanz erstreckt. Es ist jedoch beobachtet worden, dass ein derartiges Verfahren nicht unter allen Bedingungen zu zufriedenstellenden Ergebnissen hinsichtlich einer korrekten Fokussierung führt. On the other hand, approaches have been described in the art to automate the focusing step. WO 2012/025220 describes a device suitable for this purpose with a cross table for the automated examination of a biological sample, which is characterized in that the biochip, on the surface of which the sample is located, a visually recognizable marking (for example, a target, the high-contrast Having rings). For automatic focusing, the marking and its position are first determined. As a result, while the XY stage is being traversed within a predetermined position, a series of images having different focusses are taken. This series of images is transmitted to an evaluation unit, which determines a focal plane based on a comparison of the quality of the images. This approach has a number of disadvantages. First, the sample must be exposed several times before the actual analysis. It can not be just one Bleaching of the fluorophore in the fluorescent label come, but also to a deterioration of the sample, which may suffer from the image quality, with the result that the diagnosis is made difficult or even impossible. Furthermore, the biochip must be provided with an identification only for focusing. This increases the manufacturing effort and takes up space on the chip, which can not be used for sample material. In addition, taking and evaluating the series of images requires a relatively long time and a large memory footprint, which can complicate a high-throughput process. DE 10 2010 033 249 A1 discloses a microscopic device for imaging a sample substance, wherein short-coherence interferometry is used for determining the Z position of the sample substance in order to move the sample substance into the focal plane. In this case, after assignment of the interference caused by the sample substance to the depth position, a relevant information on a drive unit to actuators passed to either cause movement of the lens or the slide a shift of the focal plane in the Z direction so far that this in the Depth position is in which extends the male sample substance. However, it has been observed that such a method does not give satisfactory results in terms of correct focusing under all conditions.
Die Druckschrift DE 10 2006 027 836 A1 offenbart eine Autofokuseinrichtung für die Mikroskopie, wobei ein Lichtmodulator ein zweidimensionales intensitätsmoduliertes Modulationsobjekt erzeugt, dass im Autofokussierungs-Strahlengang in einer zur Fokusebene des Objektivs konjugierten Ebene liegt und in die Fokusebene des Objektivs abgebildet wird. Dabei erhöht der Lichtmodulator die Komplexität der Vorrichtung. Document DE 10 2006 027 836 A1 discloses an autofocus device for microscopy, in which a light modulator generates a two-dimensional intensity-modulated modulation object which lies in the autofocusing beam path in a plane conjugate to the focal plane of the objective and is imaged into the focal plane of the objective. The light modulator increases the complexity of the device.
Die US 2009/0279052 A1 beschreibt ein Operations-Mikroskopiesystem, welches ein OCT-Messgerät aufweist, um eine automatische Fokussierung auf Zellstrukturen zu ermöglichen. Basierend auf einem detektierten OCT-Signal wird ein Hauptobjektiv automatisch eingestellt. Diese Druckschrift offenbart keine Details, in welcher Weise ein OCT-Signal zur Fokussierung verwendet wird, insbesondere wenn sich über der Probe noch eine stark reflektierende Schicht befindet. Es besteht somit Bedarf an einem Verfahren und an einer Vorrichtung zum Abbilden eines Objektes innerhalb eines Probenbereiches, das hinsichtlich einer Fokussierung gegenüber dem Stand der Technik bezüglich Genauigkeit, Schnelligkeit und erforderlichen Ressourcen verbessert ist. US 2009/0279052 A1 describes an operation microscopy system which has an OCT measuring device in order to enable automatic focusing on cell structures. Based on a detected OCT signal, a main lens is automatically adjusted. This document does not disclose details of how an OCT signal is used for focusing, especially if there is still a highly reflective layer over the sample. Thus, there is a need for a method and apparatus for imaging an object within a sample area for focusing is improved over the prior art in terms of accuracy, speed and required resources.
Der Bedarf wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Die abhängigen Ansprüche spezifizieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. The need is met by the subject matters of the independent claims. The dependent claims specify preferred embodiments of the invention.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum optischen Abbilden eines innerhalb eines dreidimensionalen Probenbereichs befindlichen Objektes bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte: a) Ermitteln, zumindest an einem lateralen Punkt (bzw. zweidimensionalen Bereich), eines Tiefenprofils des Probenbereichs mittels optischer Kurzkohärenz-Interferometrie; b) Erkennen eines Peaks in dem Tiefenprofil, der von einer Reflexion an einem Objektpunkt herrührt; c) Bestimmen einer optische-Weglänge-Position des Peaks, welche die optische Weglänge des Objektpunktes von einem Referenzpunkt repräsentiert; d) Berechnen, basierend auf der optische-Weglänge-Position und zumindest einer vorbekannten optischen Eigenschaft des Probenbereichs, einer geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes, welche eine geometrische Weglänge des Objektpunktes von dem Referenzpunkt repräsentiert; und e) Fokussieren eines Mikroskops auf den Objektpunkt basierend auf der geometrische-Weglänge-Position zum Abbilden des Objektes. In a particularly preferred embodiment of the present invention, a method is provided for optically imaging an object located within a three-dimensional sample area, comprising the following steps: a) determining, at least at a lateral point (or two-dimensional area), a depth profile of the sample area by means of optical short coherence interferometry; b) detecting a peak in the depth profile resulting from a reflection at an object point; c) determining an optical path length position of the peak representing the optical path length of the object point from a reference point; d) calculating, based on the optical path length position and at least one known optical property of the sample area, a geometric path length position of the object point representing a geometric path length of the object point from the reference point; and e) focusing a microscope on the object point based on the geometric path length position for imaging the object.
Das Verfahren kann insbesondere mittels einer Optikvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. The method can be carried out in particular by means of an optical device according to an embodiment of the present invention.
Der dreidimensionale Probenbereichs kann mehrere Teilbereiche umfassen, die jeweils (Gruppen- und Phasen-) Brechungsindizes aufweisen, welche verschieden von einem entsprechenden Brechungsindex für Luft in einem Wellenlängenbereich (insbesondere Fluoreszenzlicht) sind, der für die mikroskopische Abbildung verwendet wird. Der dreidimensionale Probenbereich kann insbesondere durch mindestens einen Teilbereich, der einen Brechungsindex aufweist, welcher von dem der Luft abweicht, von einem Raumbereich, der lediglich Luft aufweist, abgegrenzt sein. Der dreidimensionale Probenbereich kann insbesondere bei Zimmertemperatur feste und/oder flüssige Teilbereiche umfassen. Einer dieser Teilbereiche kann das abzubildende Objekt umfassen. Der laterale Punkt kann eine Ausdehnung in zwei Dimensionen haben, welche einer Querschnittsausdehnung eines Messstrahls entspricht, welcher für die Kurzkohärenz- Interferometrie verwendet wird. Die Ausdehnung des lateralen Punkts kann zum Beispiel 5 μιη bis 10 m in jeder der zwei Dimensionen betragen. The three-dimensional sample area may include a plurality of partial areas each having (group and phase) refractive indices different from a corresponding refractive index for air in a wavelength range (specifically, fluorescent light) used for microscopic imaging. In particular, the three-dimensional sample area can be delimited by at least one partial area, which has a refractive index which deviates from that of the air, from a spatial area which has only air. The three-dimensional sample area can comprise solid and / or liquid partial areas, in particular at room temperature. One of these subareas may include the object to be imaged. The lateral point may have an extension in two dimensions which corresponds to a cross-sectional dimension of a measuring beam which is suitable for the short-coherence Interferometry is used. The extent of the lateral point may be, for example, 5 μm to 10 m in each of the two dimensions.
Das Tiefenprofil basiert auf einem Interferenz-Signal, welches durch Interferenz von Referenzlicht mit Licht entsteht, welches von dem Probenbereich an dem lateralen Punkt auf verschiedenen Tiefen reflektiert ist. Dazu wird der Probenbereich mit Licht beleuchtet, welches eine kurze Kohärenzlänge hat. Eine konstruktive Interferenz des Referenzlichts mit von dem Probenbereich herrührendem Licht kann nur dann auftreten, wenn die optische Weglänge, welche das Referenzlicht zurückgelegt hat, bis auf die Kohärenzlänge genau mit der optischen Weglänge übereinstimmt, welche das Licht, welches von dem Probenbereich herrührt, zurückgelegt hat. Aufgrund verschiedener Teilbereiche innerhalb des Probenbereichs, die unterschiedliche (Phasen-) Brechungsindizes aufweisen, kommt es an Zwischenschichten zwischen verschiedenen Teilbereichen zu Reflexionen, die in dem Interferenzsignal detektiert werden können. The depth profile is based on an interference signal which results from interference of reference light with light which is reflected from the sample area at the lateral point at different depths. For this purpose, the sample area is illuminated with light which has a short coherence length. A constructive interference of the reference light with light originating from the sample area can occur only if the optical path length which has traveled the reference light coincides exactly with the optical path length up to the coherence length, which has traveled the light which originates from the sample area , Due to different partial regions within the sample area, which have different (phase) refractive indices, reflections occur at intermediate layers between different partial regions, which can be detected in the interference signal.
Optische Kurzkohärenz-Interferometrie wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als optisches interferometrisches Verfahren verstanden, um Strukturinformationen innerhalb eines Volumenbereichs eines Objekts zu bestimmen. Zuweilen wird Kurzkohärenz-Interferometrie innerhalb dieser Anmeldung auch als optische Kohärenztomografie (OCT) oder Weißlichtinterferometrie bezeichnet, obwohl die Kurzkohärenz-Interferometrie, welche innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommt, nicht notwendigerweise eine Tomographie durchführen muss. Die Kurzkohärenz-Interferometrie erfordert gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Aufnahme eines Tiefenprofils zumindest an einem lateralen Punkt. Der Kürze halber wird jedoch die Kurzkohärenz-Interferometrie auch als OCT bezeichnet. Short-coherence optical interferometry in this embodiment of the present invention is understood to be an optical interferometric method for determining structural information within a volume range of an object. Sometimes, short-coherence interferometry within this application is also referred to as optical coherence tomography (OCT) or white-light interferometry, although the short-coherence interferometry employed within the method of the invention need not necessarily perform tomography. Short-coherence interferometry requires, according to the method according to the invention, a recording of a depth profile at least at a lateral point. For the sake of brevity, however, short-coherence interferometry is also referred to as OCT.
Dazu wird ein in dem Objekt- bzw. Probenbereich angeordnetes Objekt mit einem ersten Teil des von der Lichtquelle erzeugten OCT-Messlichts beleuchtet. Der erste Teil des Messlichts wechselwirkt mit Materie innerhalb eines Volumenbereichs des Objekts, wobei ein Teil des ersten Teils des OCT-Messlichts von dem Objekt zurückkehrt. Der von dem Objekt zurückgekehrte Teil des OCT-Messlichts wird mit einem zweiten Teil des OCT- Messlichts interferometrisch überlagert und von einem Detektor registriert. Verschiedene Implementierungen von OCT, die alle von dem Verfahren angewendet werden können, unterscheiden sich in der Art und Weise, wie das Objekt entlang einer Tiefenrichtung des Objekts abgetastet wird und auch in der Art und Weise, wie das überlagerte Licht registriert wird. Abhängig von dem in dem untersuchten Objekt umfassten Material, einer Wellenlänge des OCT-Messlichts und anderen physikalischen Eigenschaften nimmt eine Intensität von OCT-Messlicht, das in das Objekt eindringt, exponentiell ab, was durch eine bestimmte Eindringtiefe charakterisiert werden kann. Insbesondere kann ein Grad einer Reflektivität innerhalb des Probenbereichs von einem Brechungsindex und/oder einem Gradienten des Brechungsindexes des Materials innerhalb dieses Probenbereichs abhängen. Insbesondere kann das OCT-Messlicht eine kleine Kohärenzlänge aufweisen, die etwa im Bereich einiger Mikrometer liegt. Die Kohärenzlänge des OCT-Messlichts repräsentiert eine mittlere Länge eines Wellenzuges, in dem verschiedene Abschnitte des Wellenzuges in einer definierten Phasenbeziehung stehen. Der erste Teil des OCT-Messlichts, der von dem Objekt zurückkehrt, ist nur dann mit dem zweiten Teil des OCT-Messlichts interferenzfähig, wenn eine Differenz der von den beiden Teilen des OCT-Messlichts durchlaufenen optischen Weglängen kleiner als die Kohärenzlänge des OCT-Messlichts ist. Aufgrund dieses Prinzips kann das OCT-System Strukturinformationen über den Probenbereich bei einer definierten Tiefe erhalten. For this purpose, an object arranged in the object or sample area is illuminated with a first part of the OCT measuring light generated by the light source. The first part of the measurement light interacts with matter within a volume region of the object, with part of the first part of the OCT measurement light returning from the object. The part of the OCT measuring light which has returned from the object is superimposed interferometrically with a second part of the OCT measuring light and registered by a detector. Various implementations of OCT, all of which can be applied by the method, differ in the way the object is scanned along a depth direction of the object and also in the way the overlaid light is registered. Depending on the material included in the examined object, a wavelength of the OCT measurement light and other physical properties, an intensity of OCT measurement light entering the object decreases exponentially, which can be characterized by a certain penetration depth. In particular, a degree of reflectivity within the sample region may depend on a refractive index and / or a gradient of the refractive index of the material within that sample region. In particular, the OCT measuring light can have a small coherence length which is approximately in the range of a few micrometers. The coherence length of the OCT measuring light represents an average length of a wave train in which different sections of the wave train are in a defined phase relationship. The first part of the OCT measuring light, which returns from the object, is only capable of interfering with the second part of the OCT measuring light if a difference in the optical path lengths passed by the two parts of the OCT measuring light is smaller than the coherence length of the OCT measuring light is. Due to this principle, the OCT system can obtain structural information about the sample area at a defined depth.
Ausführungsformen der Erfindung umfassen verschiedene Varianten einer Kurzkohärenz- Interferometrie-Apparatur, die in der Optikvorrichtung neben dem Mikroskopiesystem bereitgestellt ist. Diese Varianten eines OCT-Systems unterscheiden sich dahingehend, auf welche Weise verschiedene Tiefen innerhalb des Objekts abgetastet werden und auf welche Weise das überlagerte Licht detektiert wird. Embodiments of the invention include various variants of a short-coherence interferometry apparatus provided in the optical device adjacent to the microscopy system. These variations of an OCT system differ in how different depths within the object are scanned and how the overlaid light is detected.
Bei Time-Domain-OCT (TD-OCT) wird das Abtasten des Probenbereichs in verschiedenen Tiefen durch Verändern der optischen Weglänge durchgeführt, welche von dem zweiten Teil des OCT-Messlichts (auch Referenzlicht genannt) durchlaufen wird.In time-domain OCT (TD-OCT), the sampling of the sample area is performed at different depths by changing the optical path length which is passed through by the second part of the OCT measurement light (also called reference light).
Hierzu kann beispielsweise eine reflektierende Fläche, wie etwa ein Spiegel, verschoben werden, während gleichzeitig eine Intensität des überlagerten Lichts detektiert wird.For this purpose, for example, a reflecting surface, such as a mirror, be displaced, while at the same time an intensity of the superimposed light is detected.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass eine mechanische Verlagerung der reflektierenden Fläche durchgeführt werden muss, was mit Ungenauigkeiten einesA disadvantage of this method, however, is that a mechanical displacement of the reflective surface must be performed, resulting in inaccuracies of a
Betrages der Verschiebung der reflektierenden Fläche als auch mit Ungenauigkeiten hinsichtlich der korrekten Orientierung der reflektierenden Fläche behaftet sein kann.Amount of the displacement of the reflective surface as well as inaccuracies in the correct orientation of the reflective surface may be afflicted.
Auch erfordert das Verfahren des Reflektors zum Aufnehmen eines Tiefenprofils eine relativ lange Zeitdauer. Frequency-Domain-OCT (FD-OCT) ist eine weitere Variante eines OCT-Systems, das in der Optikvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt sein kann. Hierbei wird ebenso der zweite Teil des OCT-Messlichts (Referenzlicht) an einer reflektierenden Fläche reflektiert, diese reflektierende Fläche muss jedoch nicht verschoben werden, um verschiedene Tiefen innerhalb des Objekts zur Strukturbestimmung abzutasten. Stattdessen werden Strukturinformationen über den Probenbereich in verschiedenen Tiefen erhalten, indem Intensitäten des überlagerten Lichts in Abhängigkeit einer Wellenlänge des überlagerten Lichts detektiert werden. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Ausgestaltungen von Frequency-Domain-OCT in dem Verfahren und der Optikvorrichtung verwendet werden. Insbesondere können die Ausgestaltungen von Frequency-Domain- OCT Spektral-Domain-OCT (SD-OCT), bisweilen auch Fourier-Domain-OCT genannt, und Swept-Source-OCT (SS-OCT) verwendet werden. Bei Spektral-Domain-OCT wird das überlagerte Licht aus Referenzlicht und dem von dem Objekt zurückkehrenden OCT-Messlicht unter Verwendung eines Spektrometers spektral zerlegt, um mehrere Spektralteile des überlagerten Lichts räumlich zu separieren. Intensitäten dieser räumlich separierten mehreren Spektralteile des überlagerten Lichts werden beispielsweise durch einen ortsauflösenden Detektor, wie etwa eine CCD- Kamera/Zeilendetektor, detektiert. Hierbei kann der ortsauflösende Detektor mehrere Detektorsegmente umfassen, wobei jedes dieser Detektorsegmente einen Spektralteil des überlagerten Lichts empfängt. Der ortsauflösende Detektor stellt dann elektrische Signale bereit, welche den Intensitäten der mehreren Spektralteile entsprechen, welche ein Spektrum des überlagerten Lichts repräsentieren. Durch Analyse des Spektrums, wie etwa durch Fourier-Transformation, kann eine Verteilung von Reflektivitäten innerhalb des Objekts entlang der Tiefenrichtung, d. h. einer axialen Richtung, erhalten werden, um somit ein Tiefenprofil zu bestimmen. Also, the method of the reflector for taking a depth profile requires a relatively long period of time. Frequency Domain OCT (FD-OCT) is another variant of an OCT system that may be provided in the optical device according to an embodiment of the present invention. In this case as well, the second part of the OCT measuring light (reference light) is reflected on a reflecting surface, but this reflecting surface does not have to be displaced in order to scan different depths within the object for structure determination. Instead, structural information about the sample area at different depths is obtained by detecting intensities of the superimposed light as a function of a wavelength of the superimposed light. According to embodiments of the present invention, various embodiments of frequency domain OCT may be used in the method and the optical device. In particular, the embodiments of frequency domain OCT spectral domain OCT (SD-OCT), sometimes also called Fourier domain OCT, and swept source OCT (SS-OCT) can be used. In spectral domain OCT, the superimposed light from the reference light and the OCT measurement light returning from the object is spectrally decomposed using a spectrometer to spatially separate a plurality of spectral portions of the superimposed light. Intensities of these spatially separated multiple spectral portions of the superimposed light are detected, for example, by a spatially resolving detector, such as a CCD camera / line detector. Here, the spatially resolving detector may comprise a plurality of detector segments, each of these detector segments receiving a spectral portion of the superimposed light. The spatially resolving detector then provides electrical signals corresponding to the intensities of the multiple spectral portions representing a spectrum of the superimposed light. By analyzing the spectrum, such as by Fourier transform, a distribution of reflectivities within the object along the depth direction, ie, an axial direction, can be obtained, thus determining a depth profile.
Für Time-Domain-OCT als auch für Spektral-Domain-OCT kann beispielsweise als Lichtquelle zum Erzeugen des OCT-Messlichts eine Superlumineszenzdiode verwendet werden. Die Lichtquelle zum Erzeugen von OCT-Messlicht kann OCT-Messlicht mit einer Spitzenwellenlänge zwischen 800 nm und 1300 nm und mit einer spektralen Breite zwischen 5 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 15 nm und 30 nm erzeugen. Eine Kohärenzlänge des OCT-Messlichts ist umgekehrt proportional zu der spektralen Breite des OCT-Messlichts. Im Falle von Spektral-Domain-OCT beeinflusst die spektrale Breite des OCT-Messlichts, mit welchem das Objekt beleuchtet wird, eine erreichbare axiale Auflösung, d. h. eine Auflösung entlang der Tiefenrichtung. For time-domain OCT as well as for spectral domain OCT, for example, a superluminescent diode can be used as the light source for generating the OCT measurement light. The light source for generating OCT measuring light can produce OCT measuring light with a peak wavelength between 800 nm and 1300 nm and with a spectral width between 5 nm and 100 nm, in particular between 15 nm and 30 nm. A coherence length of the OCT measuring light is inversely proportional to the spectral width of the OCT measuring light. In the case of spectral domain OCT affects the spectral width of the OCT measuring light with which the object is illuminated, an achievable axial resolution, ie a resolution along the depth direction.
In Spektral-Domain-OCT kann beispielsweise als Spektrometer zum räumlichen Separieren der mehreren Spektralteile des überlagerten Lichts ein Beugungsgitter oder eine Mehrzahl von Beugungsgittern mit weiteren optischen Komponenten verwendet werden. In spectral domain OCT, for example, a diffraction grating or a plurality of diffraction gratings with further optical components can be used as the spectrometer for spatially separating the multiple spectral parts of the superimposed light.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden eine andere Ausgestaltung von Frequency-Domain-OCT, nämlich Swept-Source-OCT (SS-OCT). Hierbei wird das Objekt mit OCT-Messlicht beleuchtet, welches eine sehr viel kleinere Spektralbreite aufweist, und somit eine sehr viel größere Kohärenzlänge als in Time- Domain-OCT oder Spektral-Domain-OCT. Hierbei wird während einer Messung die Zentralwellenlänge des beleuchtenden OCT-Messlichts über einen Bereich von Wellenlängen von etwa 10 nm bis hin zu 200 nm oder mehr verändert. Während des Veränderns (sweeping) der Zentralwellenlänge des OCT-Messlichts wird das von dem Probenbereich zurückkehrende OCT-Messlicht, welches mit Referenzlicht überlagert ist, von einem Detektor, wie etwa einer Fotodiode, detektiert. Somit kann ein Spektrum des überlagerten Lichts durch zeitliches Ändern der Zentralwellenlänge des OCT-Messlichts und Detektieren des überlagerten Lichts erhalten werden. Wie in dem Fall von Spektral- Domain-OCT kann Strukturinformation über das Objekt durch Analyse des aufgenommenen Spektrums des überlagerten Lichts, wie etwa durch Fourier- Transformation, erhalten werden. Im Gegensatz zu Spektral-Domain-OCT ist hierbei jedoch kein Spektrometer notwendig und auch kein ortsauflösender Detektor. Other embodiments of the present invention use another embodiment of Frequency Domain OCT, Swept Source OCT (SS-OCT). Here, the object is illuminated with OCT measuring light, which has a much smaller spectral width, and thus a much longer coherence length than in time domain OCT or spectral domain OCT. Here, during a measurement, the central wavelength of the illuminating OCT measuring light is changed over a range of wavelengths from about 10 nm up to 200 nm or more. During the sweeping of the center wavelength of the OCT measuring light, the OCT measuring light returning from the sample area, which is superimposed with reference light, is detected by a detector such as a photodiode. Thus, a spectrum of the superposed light can be obtained by temporally changing the center wavelength of the OCT measuring light and detecting the superimposed light. As in the case of spectral domain OCT, structural information about the object can be obtained by analyzing the received spectrum of the superimposed light, such as Fourier transform. In contrast to spectral domain OCT, however, no spectrometer is necessary and no spatially resolving detector.
Das Ermitteln des Tiefenprofils l ann ein Detektieren von Interferenzlicht, insbesondere mittels eines Zeilendetektors, und ein Auswerten des detektierten Interferenzlichts, insbesondere ein Durchführen einer Fouriertransformation umfassen. Das Tiefenprofil kann die Stärke bzw. Intensität der Reflektivität an verschiedenen optische-Weglänge- Positionen innerhalb des Probenbereichs repräsentieren. An einer bestimmten optische- Weglänge-Position hat das von dem Probenbereich herrührende OCT-Licht eine bestimmte optische-Weglänge zurückgelegt, welche jedoch nicht der geometrischen Weglänge entspricht, da zur Umrechnung noch der Brechungsindex bzw. die Brechungsindizes (insbesondere Gruppen-Brechungsindizes) der Materialien bzw. Teilbereiche innerhalb des Probenbereichs berücksichtigt werden müssen, die von dem OCT-Licht durchlaufen sind. Ein Peak im Tiefenprofil kann durch eine (lokal) hohe Reflektivität in einer bestimmten Tiefe verglichen mit anderen Positionen in dem Tiefenprofil charakterisiert sein. Der Peak kann durch Auswerten einer Charakteristik, insbesondere eines Verlaufs des Tiefenprofils erkannt werden, insbesondere indem ein oder mehrere lokale Maxima in dem Tiefenprofil bestimmt werden und mit vorbekannten Teilbereichen bzw. Zwischenschichten von Teilbereichen innerhalb des Probenbereichs assoziiert werden. Die Reflexion an dem Objektpunkt kann insbesondere einer Reflexion an einem abzubildenden Biochip an einem Punkt entsprechen. Determining the depth profile l ann may include detecting interference light, in particular by means of a line detector, and evaluating the detected interference light, in particular performing a Fourier transformation. The depth profile may represent the intensity of reflectivity at various optical path length positions within the sample area. At a certain optical path length position, the OCT light originating from the sample area has traveled a certain optical path length, which however does not correspond to the geometric path length, since the conversion still has the refractive index or the refractive indices (in particular group refractive indices) of the materials or subregions within the sample area must be taken into account, which are traversed by the OCT light. A peak in the depth profile can be characterized by a (locally) high reflectivity at a certain depth compared to other positions in the depth profile. The peak can be detected by evaluating a characteristic, in particular a profile of the depth profile, in particular by determining one or more local maxima in the depth profile and associating them with previously known subregions or sublayers of subregions within the sample region. The reflection at the object point may in particular correspond to a reflection at a biochip to be imaged at a point.
Das Bestimmen der optische-Weglänge-Position des Peaks kann ein Bestimmen einer Position eines lokalen Maximums in dem Tiefenprofil umfassen. Insbesondere kann das Tiefenprofil durch eine Mehrzahl von Messwerten gebildet sein, die jeweils einen Reflektivitätswert und eine optische-Weglänge-Position aufweisen. Dabei können verschiedene Messwerte durch ein bestimmtes Abtastintervall voneinander getrennt sein. Zwischenwerte können interpoliert werden. Zur Bestimmung der optische-Weglänge- Position des Peaks kann eine Anpassung einer Funktion an die Mehrzahl von Messwerten durchgeführt werden. Das Berechnen der geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes kann auf ein Vorwissen hinsichtlich des Aufbaus und/oder der vorbekannten optischen Eigenschaft des Probenbereichs aufbauen. Die zumindest eine vorbekannte optische Eigenschaft kann insbesondere ein oder mehrere Brechungsindizes (insbesondere Phasen- Brechungsindizes und/oder Gruppen-Brechungsindizes) von einem oder mehreren Teilbereichen innerhalb des Probenbereichs bis zum Objektpunkt umfassen. Das Tiefenprofil kann jedoch Information über Reflektivität enthalten, welche sogar jenseits des Objektpunktes liegt. Ein diesseits des Objektpunktes liegender Bereich des Probenbereichs wird dabei als ein Bereich verstanden, welcher von dem OCT-Licht von einer OCT-Lichtquelle aus innerhalb des Probenbereichs bis zum Objektpunkt durchlaufen wird. Ein jenseits des Objektpunktes liegender Bereich des Probenbereichs wird dabei als ein Bereich verstanden, der von dem OCT-Licht nach Erreichen des Objektpunktes innerhalb des Probenbereichs durchlaufen wird. Der jenseits des Objektpunktes liegende Bereich des Probenbereichs kann in dem Tiefenprofil berücksichtigt werden, um den Peak zu erkennen, d.h. um zu erkennen, dass eine erhöhte Reflektivität an einer bestimmten Position in dem Tiefenprofil von einer Reflexion von dem Objektpunkt herrührt. Dieser jenseits des Objektpunktes liegende Bereich wird jedoch zur Berechnung der optische-Weglänge-Position des Objektpunktes nicht benötigt. In einigen Ausführungsformern kann der Unterseite des Objektträgers zur Berechnung der Brechungsindizes oder als Referenz benutzt werden. Das Fokussieren des Mikroskops kann ein Verfahren eines Hauptobjektivs des Mikroskops entlang einer optischen Achse (parallel zur Tiefenrichtung) des Hauptobjektivs umfassen, wobei die optische Achse des Hauptobjektivs vorzugsweise parallel bzw. kollinear mit einem Strahlengang des OCT-Lichts ist, das für die Kurzkohärenz- Interferometrie verwendet wird. Determining the optical path length position of the peak may include determining a position of a local maximum in the depth profile. In particular, the depth profile can be formed by a plurality of measured values which each have a reflectivity value and an optical path length position. Different measured values can be separated from each other by a specific sampling interval. Intermediate values can be interpolated. To determine the optical path length position of the peak, an adaptation of a function to the plurality of measured values can be carried out. The calculation of the geometrical path length position of the object point can be based on prior knowledge of the construction and / or the previously known optical property of the sample area. The at least one previously known optical property may in particular comprise one or more refractive indices (in particular phase refractive indices and / or group refractive indices) of one or more subregions within the sample area up to the object point. However, the depth profile may contain information about reflectivity, which is even beyond the object point. An area of the sample area lying on this side of the object point is understood to be a region which is traversed by the OCT light from an OCT light source within the sample area to the object point. An area of the sample area lying beyond the object point is understood to be an area which is traversed by the OCT light after reaching the object point within the sample area. The portion of the sample area beyond the object point may be considered in the depth profile to detect the peak, ie, to detect that increased reflectivity at a particular position in the depth profile results from reflection from the object point. This area lying beyond the object point becomes however, not needed for calculating the optical path length position of the object point. In some embodiments, the bottom of the slide may be used to calculate the refractive indices or as a reference. The focusing of the microscope may include a method of a main objective of the microscope along an optical axis (parallel to the depth direction) of the main objective, wherein the optical axis of the main objective is preferably parallel to a beam path of the OCT light, for short-coherence interferometry is used.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Objekt eine biologische Probe, bevorzugt Zellstruktur und/oder Gewebe und/oder Gewebeschnitt mit fluoreszenzmarkiertem Antikörper, auf einem, insbesondere planaren, Biochip, wobei die biologische Probe bevorzugt mindestens eines aus der folgenden Gruppe umfasst: Dünnschnitt biologischen Gewebes, bevorzugt paraffiniert und/oder formalinfixiert oder als Gefrierschnitt, Zellausstrich, Bakterienausstrich, Viren, Protozoen und Parasiten, in Lösung aufgetragene, angetrocknete oder angekoppelte Antigentropfen, sonstige an eine Oberfläche gekoppelte Antigene und beliebige Nukleotidsequenzen. Das Objekt kann insbesondere lichtempfindlich sein, weswegen eine übermäßige Bestrahlung des Objekts mit Licht, insbesondere Fluoreszenzanregungslicht, vermieden werden sollte. Die Bestimmung der Geometrische-Weglänge-Position des Peaks mittels optischer Kurzkohärenz-Interferometrie kann eine Bestrahlung mit OCT-Licht umfassen, welches kein Fluoreszenzanregungslicht aufweisen muss und bezüglich dessen das Objekt nicht lichtempfindlich sein muss. Daher kann eine Schädigung des Objektes während der Bestimmung der geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes (insbesondere eines Punktes auf dem Biochip) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vermindert sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Erkennen des Peaks ein Registrieren eines Musters in dem Tiefenprofil und Zuordnen, bevorzugt anhand relativer Optische-Weglänge-Positionen, von Musterdetails zu vorbekannten Strukturen in dem Probenbereich auf. In dem Tiefenprofil kann bzw. können ein Abstand bzw. Abstände zwischen Maxima bestimmt werden. Diese Abstände können verwendet werden, um zu erkennen, von welcher vorbekannten Grenzfläche bzw. Zwischenschichten eine Reflexion herrührt, welche zu einem (lokalen) Maximum in dem Tiefenprofil führt. Die Anordnung verschiedener Maxima in dem Tiefenprofil kann als ein Muster angesehen werden. Je mehr Maxima (außer dem Maximum, welches dem Peak zugeordnet ist) in dem Tiefenprofil beobachtet werden können, umso zuverlässiger kann der Peak als dasjenige lokale Maximum erkannt werden, das von einer Reflektion von dem Objektpunkt herrührt. In a particularly preferred embodiment of the present invention, the object comprises a biological sample, preferably cell structure and / or tissue and / or tissue section with fluorescently labeled antibody, on a, in particular planar, biochip, the biological sample preferably comprising at least one from the following group: Thin section of biological tissue, preferably paraffinized and / or formalin-fixed or frozen section, cell smear, bacterial smear, viruses, protozoa and parasites, applied in solution, dried or coupled antigen drops, other antigens coupled to a surface and any nucleotide sequences. In particular, the object may be sensitive to light, which is why excessive irradiation of the object with light, in particular fluorescence excitation light, should be avoided. The determination of the geometric-pathlength position of the peak by means of short-coherence optical interferometry may comprise irradiation with OCT light, which does not have to have fluorescence excitation light and in respect of which the object does not have to be photosensitive. Therefore, damage to the object during the determination of the geometrical path length position of the object point (in particular of a point on the biochip) can be reduced according to the method according to the invention. In a particularly preferred embodiment of the present invention, the detection of the peak comprises registering a pattern in the depth profile and associating, preferably based on relative optical path length positions, pattern details to previously known structures in the sample area. In the depth profile, a distance or distances between maxima can or can be determined. These distances can be used to detect from which previously known boundary surface or intermediate layers results in a reflection which leads to a (local) maximum in the depth profile. The arrangement of different maxima in the depth profile can be considered as a pattern. The more maxima (other than the maximum associated with the peak) can be observed in the depth profile, the more reliably the peak can be recognized as being the local maximum resulting from a reflection from the object point.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Bildebenenversatz aus einer Tiefenausdehnung und einem Brechungsindex des Probenbereichs bis zum Objektpunkt berechnet, und das Fokussieren erfolgt basierend auf, insbesondere einer Differenz zwischen, der geometrische-Weglänge-Position und dem Bildebenenversatz. In a particularly preferred embodiment of the present invention, an image plane offset is calculated from a depth dimension and a refractive index of the sample area to the object point, and the focusing is based on, in particular, a difference between, the geometric path position and the image plane offset.
Der diesseits des Objektpunktes liegende Bereich des Probenbereichs kann einen Brechungsindex (insbesondere Phasenbrechungsindex) aufweisen, welcher größer ist als der Brechungsindex von Luft. Daher kann von dem Objektpunkt ausgehendes Licht, das zum Abbilden des Objekts verwendet wird, beim Übergang von dem Probenbereich in Luft vom Lot weggebrochen werden, bevor es ins Objektiv eintritt. Daher muss zur Fokussierung ein Objekt, das in einem Probenbereich befindlich ist, welcher diesseits von den Objektpunkt einen Brechungsindex größer als der von Luft aufweist, weiter von dem Objektiv entlang der optischen Achse des Objektivs wegbewegt werden, als ein Objekt, das diesseits des Objektpunktes keinen Bereich des Probenbereichs aufweist, der einen Brechungsindex hat, welcher größer ist als der von Luft. The area of the sample area lying on the side of the object point may have a refractive index (in particular phase refractive index) which is greater than the refractive index of air. Therefore, light emanating from the object point used to image the object may be broken away from the solder as it passes from the sample area into air before it enters the lens. Therefore, for focusing, an object located in a sample area having a refractive index greater than that of air on the other side of the object point must be moved farther away from the objective along the optical axis of the objective, than an object located on that side of the object point Area of the sample area, which has a refractive index which is greater than that of air.
Zur korrekten Fokussierung auf das Objekt muss daher der Brechungsindex bzw. die Brechungsindizes (insbesondere Phasen-Brechungsindizes) der Materialien bzw. Teilbereiche des Probenbereichs diesseits des Objektes zusammen mit ihren jeweiligen Tiefenausdehnungen bekannt sein und berücksichtigt werden. For correct focusing on the object, therefore, the refractive index or the refractive indices (in particular phase refractive indices) of the materials or partial regions of the sample area must be known and taken into account on this side of the object together with their respective depth extents.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Probenbereich bis zum Objektpunkt Teilbereiche und der Bildebenenversatz wird gemäß
Figure imgf000013_0001
berechnet, wobei die di geometrische Tiefenausdehnungen der jeweiligen Teilbereiche / bis zum Objektpunkt sind und die nj die Phasen-Brechungsindizes, bevorzugt bei einer Zentralwellenlänge des zum Abbilden mittels des Mikroskops verwendeten Lichts, der jeweiligen Teilbereiche bis zum Objektpunkt sind.
In a preferred embodiment of the present invention, the sample area comprises subregions up to the object point and the image plane offset is determined according to FIG
Figure imgf000013_0001
where the d i are geometric depth extents of the respective partial regions / up to the object point and the n j are the phase refractive indices, preferably at a Central wavelength of the light used for imaging by means of the microscope, the respective partial areas are up to the object point.
Die geometrischen Tiefenausdehnungen können vorher zumindest näherungsweise bekannt sein. Ebenso können die Phasen-Brechungsindizes und der Öffnungswinkel des Objektivs bekannt sein. Der Bildebenenversatz kann ohne eine Verwendung von Ergebnissen der Kurzkohärenz-Interferometrie berechnet werden, indem zumindest näherungsweise bekannte Tiefenausdehnungen verwendet werden. Alternativ können die geometrischen Tiefenausdehnungen basierend auf mittels der Kurzkohärenz- Interferometrie bestimmten Differenzen von Optische-Weglänge-Positionen berechnet werden, wobei die Phasen-Brechungsindizes als bekannt vorausgesetzt werden. The geometric depth expansions may be known at least approximately beforehand. Likewise, the phase refractive indices and the aperture angle of the lens may be known. The image plane offset can be calculated without the use of short-coherence interferometry results by using at least approximately known depth dimensions. Alternatively, the geometric depth extents may be calculated based on differences in optical pathlength positions determined by short-coherence interferometry, the phase refractive indices being assumed to be known.
Die obige Formel (*) zur Berechnung des Bildebenenversatzes kann angewendet werden für Objektive mit kleinem Öffnungswinkel des Objektivs (kleiner numerischer Apertur (NA)). Bei Objektiven mit hoher NA tritt zusätzlich zu dem Fokusversatz eine Verlängerung des Fokus in axialer Richtung (Tiefenrichtung, d.h. z-Richtung) auf (sphärische Aberration), da der Bildebenenversatz gemäß
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The above formula (*) for calculating the image plane offset can be applied to lenses with a small aperture angle of the lens (small numerical aperture (NA)). In the case of high-NA lenses, in addition to the focus offset, the focus is elongated in the axial direction (depth direction, ie, z-direction) (spherical aberration) since the image plane displacement is increased
Figure imgf000014_0001
vom Einfallswinkel a der Strahlen abhängig ist. Dieser Effekt kann zu einer Verminderung der Abbildungsqualität führen. Ein Objektiv mit hoher NA kann deshalb z.B. über einen sogenannten Deckglas-Korrektur-Ring (insbesondere motorisierten Korrekturring) verfügen. Damit kann die Stärke der Deckglaskorrektur (Stärke der sphärischen Aberration) an verschiedene Deckglasdicken und zusätzlich durchlaufene refraktive Medien (wie Glas und/oder Glycerin) angepasst werden. Nach dem Ausmessen der (optischen und/oder geometrischen) Schichtdicken durch die Kurzkohärenz- Interferometrie kann die optimale Einstellung für solch einen Korrekturring berechnet werden. Der Korrekturring kann insbesondere in Abhängigkeit der optischen Weglänge von der Oberseite des Deckglases bis zum Objektpunkt eingestellt werden. Der Fokusabstand des Objektivs kann von der Einstellung des Korrekturrings abhängen. Dies kann bei der Fokussierung berücksichtigt werden. is dependent on the angle of incidence a of the beams. This effect can lead to a reduction in imaging quality. A lens with high NA may therefore have, for example, a so-called cover glass correction ring (in particular a motorized correction ring). Thus, the strength of the cover glass correction (strength of the spherical aberration) can be adapted to different coverslip thicknesses and additionally through refractive media (such as glass and / or glycerin). After measuring the (optical and / or geometric) layer thicknesses by the short-coherence interferometry, the optimal setting for such a correction ring can be calculated. The correction ring can be adjusted in particular as a function of the optical path length from the top of the cover glass to the object point. The focus distance of the lens may vary depending on the setting of the correction ring. This can be taken into account when focusing.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat eine für die optische Kurzkohärenz-Interferometrie verwendete Kurzkohärenz-Interferometrie- Apparatur eine axiale Auflösung von 1 pm bis 15 pm, bevorzugt 3 pm bis 10 pm, weiter bevorzugt 8 μητι bis 10 μιη, wobei die Geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes mit höherer Genauigkeit, bevorzugt 0,03 μιη bis 1 μιη, weiter bevorzugt 0,1 μητι bis 0,5 μm, als die axiale Auflösung des Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur bestimmt wird. In a preferred embodiment of the present invention, a short-coherence interferometry apparatus used for optical short-coherence interferometry has an axial resolution of 1 pm to 15 pm, preferably 3 pm to 10 pm preferably 8 μητι to 10 μιη, wherein the geometric path length position of the object point with higher accuracy, preferably 0.03 μιη to 1 μιη, more preferably 0.1 μητι to 0.5 microns, as the axial resolution of the short-coherence interferometry Apparatus is determined.
Damit sind keine übermäßigen Anforderungen an eine axiale Auflösung der Kurzkohärenz-Interferomet e-Apparatur gestellt, so dass konventionell erhältliche Apparaturen verwendet werden können. Nichtsdestotrotz kann aufgrund der Verwendung von Vorwissen über Aufbau und Brechungsindex bzw. Brechungsindizes des Probenbereichs eine absolute geometrische Position des Objektpunktes (entlang einer Tiefenrichtung, die parallel zu der optischen Achse des Mikroskops ist) mit wesentlich höherer Genauigkeit bestimmt werden als das Auflösungsvermögen der Kurzkohärenz- Interferometrie-Apparatur. Insbesondere kann der Probenbereich Grenzschichten bzw. Zwischenschichten zwischen Teilbereichen mit verschiedenen Brechungsindizes aufweisen, welche zur Erreichung dieser Genauigkeit einer absoluten Positionsbestimmung einen größeren gegenseitigen Abstand haben als das Auflösungsvermögen der Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur. Thus, no excessive requirements for an axial resolution of the short-coherence interferometer e-apparatus are provided, so that conventionally available equipment can be used. Nevertheless, due to the use of prior knowledge of the structure and refractive indices of the sample region, an absolute geometrical position of the object point (along a depth direction parallel to the optical axis of the microscope) can be determined with much higher accuracy than the resolution of short-coherence interferometry -Apparatus. In particular, the sample area may have boundary layers or intermediate layers between partial regions with different refractive indices, which have a greater mutual distance to achieve this accuracy of an absolute position determination than the resolution capability of the short-coherence interferometry apparatus.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Abbilden ein Anregen von Fluoreszenz eines in dem Objekt umfassten Fluorophors und Erfassen des emittierten Fluoreszenzlichtes vom dem Objekt auf. In a preferred embodiment of the present invention, the imaging comprises exciting fluorescence of a fluorophore included in the object and detecting the emitted fluorescent light from the object.
Das Anregen von Fluoreszenz kann dabei durch das Beleuchten des Objekts mit Fluoreszenzanregungslicht erreicht werden. Als Fluorophore eignen sich fluoreszierende Moleküle oder Molekülgruppen, die über ein ausreichend enges Extinktions- und Emissionsspektrum verfügen, intensiv leuchten und stabil sind. Dem Fachmann sind zahlreiche geeignete Fluorophore mit ihren jeweiligen Extinktions- bzw. Emissionsspektra bekannt, beispielsweise die Fluorophore aus der Gruppe umfassend Hydroxycoumarin (325 bzw. 386 nm), Cascade Blue (410 bzw. 423 nm), DAPI (345 bzw. 455 nm), Texas Red (589 bzw. 615 nm), Fluorescein (495 bzw. 519 nm), X-Rhodamin (570 bzw. 576 nm), Alexa Fluor-Serie, beispielsweise Alexa Fluor 532 (530 bzw. 555nm), Cy-Farbstoffe, z. B. Cy2 (489 bzw. 506 nm), Cy3 (550 bzw. 570 nm) oder Cy5 (650 bzw. 670 nm), DyLight- Farbstoffe, z.B. DyLight549 (562 bzw. 576 nm), Ethidiumbromid (493 bzw. 620 nm), Hoechst 33342 (343 bzw. 483 nm), Fluo-3 (506 bzw. 526 nm) und die fluoreszierenden Proteine GFP (396 bzw. 508), Y66H (360 bzw. 442 nm), Y66F (360 bzw. 508 nm), RFP (563 bzw. 582 nm), EBFP (380 bzw. 440 nm), ECFP (434 bzw. 477 nm), EGFP (488 bzw. 507 nm), sowie fluoreszierende Derivate und Homologe davon, welche sämtlich in verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stammt der Fluorophor aus den Klassen Cyanin-Farbstoffe, Fluoresceine, Rhodamine, am bevorzugtesten handelt es sich um Fluorescein-Isothiocyanat (FITC). Fluorophore können je nach Anwendung underivatisiert eingesetzt werden, z. B. DNA-bindende Fluorophore wie Ethidiumbromid. Besonders bevorzugt ist der Fluorophor jedoch als Markierung Teil eines Reagenz, das mit Molekülen, Zell- oder Gewebebestandteilen oder -strukturen der zu untersuchenden Proben spezifisch interagiert, bevorzugt einem Reagenz aus der Gruppe umfassend Antikörper, Fusionskonstrukte oder Fragmente davon, beispielsweise primäre oder sekundäre Antikörper, Nukleinsäuren, Anticaline, Aptamere und dergleichen. Geeignete Fluorophore und damit markierte Reagenzien sind im Handel erhältlich, beispielsweise von der Firma EUROIMMUN AG, Lübeck. The exciting of fluorescence can be achieved by illuminating the object with fluorescence excitation light. Suitable fluorophores are fluorescent molecules or groups of molecules which have a sufficiently narrow extinction and emission spectrum, are intense and stable. Numerous suitable fluorophores with their respective extinction or emission spectra are known to the person skilled in the art, for example the fluorophores from the group comprising hydroxycoumarin (325 or 386 nm), Cascade Blue (410 or 423 nm), DAPI (345 or 455 nm). , Texas Red (589 and 615 nm), fluorescein (495 and 519 nm, respectively), X-rhodamine (570 and 576 nm, respectively), Alexa Fluor series, for example Alexa Fluor 532 (530 and 555 nm), Cy dyes , z. Cy2 (489 and 506 nm), Cy3 (550 and 570 nm) or Cy5 (650 and 670 nm, respectively), DyLight dyes, eg DyLight549 (562 and 576 nm), ethidium bromide (493 and 620 nm, respectively) ), Hoechst 33342 (343 and 483 nm, respectively), Fluo-3 (506 and 526 nm, respectively) and the fluorescent proteins GFP (396 and 508), Y66H (360 and 442 nm), Y66F (360 and 508 nm, respectively) ), RFP (563 and 582 nm), EBFP (380 and 440 nm, respectively), ECFP (434 and 477 nm, respectively), EGFP (488 and 477 nm, respectively), 507 nm), as well as fluorescent derivatives and homologs thereof, all of which can be used in various embodiments according to the present invention. In a particularly preferred embodiment, the fluorophore is derived from the classes cyanine dyes, fluoresceins, rhodamines, most preferably fluorescein isothiocyanate (FITC). Depending on the application, fluorophores can be used underivatized, eg. B. DNA-binding fluorophores such as ethidium bromide. However, it is particularly preferable for the fluorophore to be part of a reagent which specifically interacts with molecules, cell or tissue constituents or structures of the samples to be examined, preferably a reagent from the group comprising antibodies, fusion constructs or fragments thereof, for example primary or secondary antibodies, Nucleic acids, anticalins, aptamers and the like. Suitable fluorophores and reagents labeled therewith are commercially available, for example from EUROIMMUN AG, Lübeck.
Wellenlängenbereiche des zur Anregung verwendeten Lichtes können einen Bereich um eine Wellenlänge des Extinktionsmaximum des verwendeten Fluorophors +/- 20 nm, bevorzugt +/- 10 nm, noch bevorzugter +/- 5 nm, umfassen. Wavelength ranges of the light used for the excitation may comprise a range around a wavelength of the extinction maximum of the fluorophore used +/- 20 nm, preferably +/- 10 nm, more preferably +/- 5 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Probenbereich in einem bis zum Objekt durchstrahlten Bereich ein Eindeckglas und eine Flüssigkeit, bevorzugt eine pH-gepufferte Glycerinlösung. Ein derartig gestalteter Probenbereich erlaubt insbesondere ein Abbilden eines Biochips nach einer genauen Fokussierung. Dabei kann das Eindeckglas zwei detektierbare Grenzflächen bereitstellen und eine dritte Grenzfläche jenseits der Flüssigkeit kann eine Oberfläche des zu untersuchenden Biochips darstellen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Tiefenprofil neben dem Peak in einem bis zum Objekt durchstrahlten Bereich einen weiteren Peak, der von einer Oberseite des Eindeckglas herrührt, und noch einen weiteren Peak, der von einer Unterseite des Eindeckglases herrührt, auf, wobei der weitere Peak und der noch weitere Peak zum Erkennen des Peaks und/oder der geometrische-Weglänge Position des Objekts herangezogen werden. Der weitere Peak und der noch weitere Peak können ein Erkennen des Peaks erleichtern und können somit die Zuverlässigkeit des Verfahrens verbessern. In anderen Ausführungsformen kann die Genauigkeit der Bestimmung der geometrischen Position des Objektpunktes verbessert werden. Vorteilhafterweise kann dazu ein konventionell verwendeter Probenbereich zur Untersuchung eines Biochips verwendet werden, ohne den konventionell verwendeten Probenbereich ändern zu müssen, insbesondere ohne auf dem Probenbereich optisch erkennbare Markierungen oder Zielscheiben anbringen zu müssen. Damit können Kosten eingespart werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert das Berechnen der geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes ferner auf einer Optische- Weglänge-Position des weiteren Peaks, einer Optische-Weglänge-Position des noch weiteren Peaks, einem Brechungsindex des Eindeckglases, einer Differenz zwischen der Optische-Weglänge-Position des noch weiteren Peaks und der Optische-Weglänge- Position des Peaks und einem Brechungsindex der Flüssigkeit. In a preferred embodiment of the present invention, the sample area in a region through which the object is irradiated comprises a capping glass and a liquid, preferably a pH-buffered glycerol solution. Such a designed sample area allows, in particular, a mapping of a biochip after a precise focusing. In this case, the cover glass can provide two detectable interfaces and a third interface beyond the liquid can represent a surface of the biochip to be examined. In a preferred embodiment of the present invention, the depth profile in addition to the peak in a radiated to the object area another peak, which originates from an upper surface of the coverslip, and still another peak, which originates from a bottom of the coverslip, on, wherein the another peak and the still further peak can be used to detect the peak and / or the geometric path position of the object. The further peak and the still further peak can facilitate detection of the peak and thus can improve the reliability of the method. In other embodiments, the accuracy of determining the geometric position of the object point may be improved. Advantageously, a conventionally used sample area can be used to examine a biochip without having to change the conventionally used sample area, in particular without having to attach visually recognizable markings or targets to the sample area. This can save costs. In a preferred embodiment of the present invention, calculating the geometrical path length position of the object point is further based on an optical path length position of the further peak, an optical path length position of the still further peak, a refractive index of the capping glass, a difference between Optical path length position of the still further peak and the optical path length position of the peak and a refractive index of the liquid.
Aus der Differenz der Optische-Weglänge-Position des weiteren Peaks (insbesondere Oberseite des Eindeckglases) und der Optische-Weglänge-Position des noch weiteren Peaks (insbesondere Unterseite des Eindeckglases) kann die Dicke des Eindeckglases berechnet werden. Aus der Differenz der Optische-Weglänge-Position des noch weiteren Peaks und der Optische-Weglänge-Position des Peaks kann die Dicke der Glycerinlösung berechnet werden. Werden dann die Gruppen-Brechungsindizes des Eindeckglases und der Glycerinlösung verwendet, so kann die Geometrische-Weglänge-Position des Peaks und somit unter Berücksichtigung des Bildebenenversatzes die Fokusposition des Objektpunktes bestimmt werden. Somit ist zur Fokuspositionsbestimmung des Objektpunktes lediglich die Auswertung eines Tiefenprofils und Kenntnis der Brechungsindizes des Eindeckglases und der Glycerinlösung erforderlich. From the difference of the optical path length position of the further peak (in particular top side of the cover glass) and the optical path length position of the still further peak (in particular lower side of the cover glass), the thickness of the cover glass can be calculated. From the difference of the optical path length position of the still further peak and the optical path length position of the peak, the thickness of the glycerol solution can be calculated. If the group refractive indices of the coverslip and the glycerol solution are then used, then the geometric path length position of the peak and thus taking into account the image plane offset, the focus position of the object point can be determined. Thus, only the evaluation of a depth profile and knowledge of the refractive indices of the coverslip and the glycerol solution is required for focus position determination of the object point.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Bestimmen der Optische-Weglänge-Position des Peaks und/oder des weiteren Peaks und/oder des noch weiteren Peaks bevorzugt durch Anpassung einer geeigneten Fitfunktion an ein durch Zeropadding des Interferogramms erzeugtes, überabgetastetes Tiefenprofil und/oder unter Berücksichtigung eines Maximalsignals und beidseitiger Nachbarsignale des jeweiligen Peaks in dem Tiefenprofil, bevorzugt mittels eines Frequency-Estimation- Verfahrens. Andere mathematische Verfahren sind auch möglich. Zeropadding "Auffüllen mit Nullen..." ist ein Verfahren zur virtuellen Vergrößerung der spektralen Auflösung bei der diskreten Fourier Transformation. Das Anhängen von Nullen bewirkt die Interpolation von zusätzlichen Frequenzwerten in der Fourier-Transformierten. Wenn zum Beispiel das Spektrometer bzw. der Detektor 200 Pixelwerte liefert, werden 824 Nullen angehängt. Danach wird eine FFT über 1024 Stützstellen durchgeführt. In a preferred embodiment of the present invention, the optical path length position of the peak and / or the further peak and / or the still further peak is preferably determined by adapting a suitable fit function to an oversampled depth profile generated by zeropadding of the interferogram and / or taking into account a maximum signal and two-way neighboring signals of the respective peak in the depth profile, preferably by means of a frequency estimation method. Other mathematical methods are also possible. Zeropadding "padding with zeros ..." is a method for virtual magnification of the spectral resolution in the discrete Fourier transform. The appending of zeroes causes the interpolation of additional frequency values in the Fourier transform. For example, if the spectrometer or detector provides 200 pixel values, 824 zeros are appended. Thereafter, an FFT is performed over 1024 interpolation points.
Ein Frequency-Estimation-Verfahren ermöglicht eine Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung der Peak-Position im FFT-Spektrum und ist mit der mathematischen Schwerpunktbestimmung vergleichbar. Eine "klassische" Schwerpunktbestimmung führt zu Artefakten, bedingt durch die Faltung zwischen Fensterfunktion und Signal. In dem Frequency-Estimation-Verfahren ist die Peaklagenbestimmung weniger dem Artefakt durch die Faltung zwischen Fensterfunktion und Signal unterworfen, wenn man eine Schwerpunktbestimmung über mehrere Pixel in der Nachbarschaft des maximalen Wertes durchführt. Damit kann insbesondere eine optische-Weglänge-Position des Peaks mit höherer Genauigkeit als die axiale Auflösung der Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur bestimmt werden. A frequency estimation method makes it possible to increase the accuracy of the determination of the peak position in the FFT spectrum and is comparable to the mathematical center of gravity determination. A "classical" focus determination leads to artifacts, due to the convolution between window function and signal. In the frequency estimation method, the peak position determination is less subject to the artifact by the convolution between window function and signal when performing center of gravity determination over several pixels in the vicinity of the maximum value. Thus, in particular, an optical path length position of the peak can be determined with higher accuracy than the axial resolution of the short-coherence interferometry apparatus.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die geometrische- Weglänge-Position Z(Obj) des Objektpunktes berechnet gemäß: According to one embodiment of the present invention, the geometric path length position Z (Obj) of the object point is calculated according to:
Z(Obj) = Z(wP)/n(Luft) + [Z(nwP) - Z(wP)]/n(Glas) + [Z(P) - Z(nwP)]/n(Glycerin), wobei Z (Obj) = Z (wP) / n (air) + [Z (nwP) -Z (wP)] / n (glass) + [Z (P) -Z (nwP)] / n (glycerol), where
Z(wP) die Optische-Weglänge-Position des weiteren Peaks ist,  Z (wP) is the optical path length position of the further peak,
Z(nwP) die Optische-Weglänge-Position des noch weiteren Peaks ist,  Z (nwP) is the optical path length position of the still further peak,
Z(P) die Optische-Weglänge-Position des Peaks ist,  Z (P) is the optical path length position of the peak,
n(Luft) der (Gruppen-)Brechungsindex von Luft bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist,  n (air) is the (group) refractive index of air at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry,
n(Glas) der (Gruppen-)Brechungsindex des Eindeckglases bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist, n(Glycerin) der (Gruppen-)Brechungsindex der Glycerinlösung bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist.  n (glass) is the (group) refractive index of the coverslip at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry, n (glycerol) is the (group) refractive index of the glycerol solution at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry.
Damit kann die Geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes auf einfache Art berechnet werden, und dann korrekt fokussiert werden, wenn weiterhin der oben definierte Bildebenenversatz berücksichtigt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren weiter den Schritt auf: f) laterales Verfahren des Objektes entlang einer ersten Linie und bevorzugt ferner entlang einer zweiten Linie, währenddessen jeweilige geometrische- Weglänge-Positionen einer Mehrzahl, insbesondere zwischen 10 und 30 Objektpunkten jeweils in der ersten und zweiten Linie, von Objektpunkten bestimmt werden. Thus, the geometrical path length position of the object point can be easily calculated, and then correctly focused, if the above-defined image plane offset is taken into account as well. In a preferred embodiment of the present invention, the method further comprises the step of: f) lateral movement of the object along a first line and preferably further along a second line, during which respective geometric path length positions of a plurality, in particular between 10 and 30 object points respectively in the first and second lines, are determined by object points.
Ein laterales Verfahren kann mit einer herkömmlichen Probenhalterung mit Verschiebemöglichkeit durchgeführt werden. Das laterale Verfahren kann schrittweise erfolgen, wobei bei jedem Stillstand nach einem Schritt eine geometrische-Weglänge- Position des Peaks bestimmt werden kann. Die (Tiefen-) Position kann jeweils (insbesondere zusammen mit zugehöriger lateraler Positionsinformation) gespeichert werden. Die zweite Linie kann lateral versetzt zu der ersten Linie verlaufen. Dadurch können Positionsinformationen über das Objekt an verschiedenen lateralen Punkten erhalten werden, was eine (spätere) Fokussierung auf das Objekt zur Abbildung des Objekts verbessern kann. A lateral method can be performed with a conventional sample holder with displacement capability. The lateral process can be carried out step by step, wherein at each standstill after a step, a geometric-Weglänge- position of the peak can be determined. The (depth) position can be stored in each case (in particular together with associated lateral position information). The second line may be laterally offset from the first line. Thereby, positional information about the object can be obtained at different lateral points, which can improve a (later) focusing on the object for imaging the object.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von Positionen der Objektpunkte der ersten Linie eine erste Geradengleichung bestimmt wird, anhand von Positionen der Objektpunkte der zweiten Linie eine zweite Geradengleichung bestimmt, wobei aus der ersten und der zweiten Geradengleichung eine Normale des Objektes berechnet wird und die Normale und eine geometrische-Weglänge-Position des Objektes an einem lateralen Punkt zum Fokussieren des Mikroskops an einem anderen lateralen Punkt herangezogen werden. In a preferred embodiment of the present invention, a first straight line equation is determined on the basis of positions of the object points of the first line, a second straight line equation is determined based on positions of the object points of the second line, wherein a normal of the object is calculated from the first and the second straight line equation and the normal and a geometric-pathlength position of the object at a lateral point are used to focus the microscope at another lateral point.
Eine Bestimmung einer jeweiligen Geradengleichung an die erste Linie bzw. die zweite Linie kann eine Anpassung einer jeweiligen Geraden an die Mehrzahl der gemessenen Punkte derart umfassen, dass ein Fehlerterm minimal wird. Dadurch können Messungenauigkeiten der bestimmten Positionen der gemessenen Punkte teilweise kompensiert werden. Die Geradengleichungen können anhand der geometrische- Weglänge-Positionen oder/und der optische-Weglänge-Positionen ermittelt werden. Die Normale kann allgemein unter Verwendung von mindestens drei Positionen bzw. dreidimensionalen Positionen berechnet werden, nicht notwendigerweise somit unter Zuhilfenahme einer ersten Geradengleichung und einer zweiten Geradengleichung und somit auch nicht unter notwendigerweise Zuhilfenahme eines Vermessene entlang einer ersten Linie und einer zweiten Linie. Wenn eine Vielzahl von Biochips abzubilden sind, so können zunächst sämtliche Biochips zur Bestimmung von zumindest jeweils drei geometrische-Weglänge-Positionen von drei Punkten mittels Kurzkohärenz-Interferometrie vermessen werden. In einem nachfolgenden Durchgang können die Biochips nacheinander abgebildet werden, wobei es vorkommen kann, dass eine laterale Position, die für einen Biochip angefahren ist, nicht genau einer lateralen Position entspricht, die zuvor mittels Kurzkohärenz- Interferometrie hinsichtlich ihrer Tiefenposition, d.h. Fokusposition, vermessen wurde. In diesem Fall kann zur Bestimmung der Tiefenposition, d.h. Fokusposition, der angefahrenen lateralen Position, die geometrische-Weglänge-Position desjenigen zuvor vermessenen Punktes herangezogen werden, welcher der momentanen lateralen Position am nächsten ist, und unter weiterer Heranziehung der bestimmten Normalen (bzw. ihrer Neigung gegenüber der Tiefenrichtung), welche eine Tiefenabweichung von der Tiefenposition des zuvor vermessenen Punktes linear mit dem Abstand von diesem verknüpft. A determination of a respective straight-line equation to the first line or the second line may include an adaptation of a respective straight line to the plurality of measured points such that an error term becomes minimal. As a result, measurement inaccuracies of the specific positions of the measured points can be partially compensated. The straight line equations can be determined from the geometric path length positions and / or the optical path length positions. The normal can generally be calculated using at least three positions or three-dimensional positions, not necessarily thus with the aid of a first straight line equation and a second straight line equation and thus also not necessarily with the aid of a survey along a first line and a second line. If a plurality of biochips are to be imaged, then at first all biochips for determining at least three geometric path length positions of three points each can be measured by means of short-coherence interferometry. In a subsequent pass, the biochips can be imaged sequentially, whereby it may happen that a lateral position approached for a biochip does not correspond exactly to a lateral position, which was previously measured by means of short-coherence interferometry with respect to its depth position, ie focus position , In this case, to determine the depth position, ie focus position, the approached lateral position, the geometric-path length position of the previously measured point which is closest to the current lateral position and with further reference to the determined normals (or their Inclination to the depth direction) which linearly associates a depth deviation from the depth position of the previously measured point with the distance therefrom.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Referenzpunkt einen vorbekannten Abstand entlang eines Mikroskopstrahlenganges von einer Position, bevorzugt eine objektseitig nächste optische Fläche, eines Objektivs des Mikroskops, wobei bevorzugt das Objektiv ein 20fach bis 40fach vergrößerndes Objektiv ist und das Mikroskop bevorzugt eine Tiefenschärfe von zwischen 0,5 pm und 1 ,8 pm hat. According to one embodiment of the present invention, the reference point has a known distance along a microscope beam path from a position, preferably an object-side nearest optical surface, of an objective of the microscope, wherein preferably the objective is a 20x to 40x magnifying objective and the microscope preferably has a depth of field between 0.5 pm and 1, 8 pm.
Der Referenzpunkt kann ein bezüglich der Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur fester Punkt sein. Die Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur kann fest oder beweglich, insbesondere verschwenkbar, relativ zu dem Mikroskop sein. Mithilfe des Abstands des Referenzpunkt von der Position des Objektivs kann aus der geometrische-Weglänge- Position des Peaks auf eine Verfahrlänge des Objektivs geschlossen werden, um das Objekt in die Fokusebene des Objektivs zu bringen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kurzkohärenz- Interferometrie-Apparatur eine Beleuchtungsquelle (auch als OCT-Lichtquelle bezeichnet) zum Beleuchten des Objektes mit Beleuchtungslicht (auch als OCT-Licht bezeichnet), bevorzugt im Nahinfrarotbereich, und einen Detektor zum Detektieren von Interferenzlicht, welches durch Interferenz von dem Objekt reflektiertem Beleuchtungslicht mit Referenzlicht erhalten ist, auf, wobei die Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur bevorzugt ein Gitter zum spektralen Zerlegen des Interferenzlichts aufweist und bevorzugt ausgebildet ist, Tiefenprofile bei einer Messrate von zwischen 1 kHz und 2 kHz aufzunehmen. The reference point may be a fixed point with respect to the short-coherence interferometry apparatus. The short-coherence interferometry apparatus may be fixed or movable, in particular pivotable, relative to the microscope. Using the distance of the reference point from the position of the lens, it is possible to deduce the geometric path length position of the peak to a travel length of the objective in order to bring the object into the focal plane of the objective. According to one embodiment of the present invention, the short-coherence interferometry apparatus comprises an illumination source (also referred to as OCT light source) for illuminating the object with illumination light (also referred to as OCT light), preferably in the near-infrared region, and a detector for detecting interference light, which is obtained by interference of the object reflected illumination light with reference light, wherein the short-coherence interferometry apparatus preferably has a grating for spectrally decomposing the interference light, and preferred is designed to record depth profiles at a sampling rate of between 1 kHz and 2 kHz.
Der Detektor kann insbesondere ein Zeilendetektor sein, welcher das Interferenzlicht spektral aufgelöst detektieren kann. Die Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur kann insbesondere eine Spektral-Domain-Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur sein oder umfassen. Die Messrate kann ausreichend hoch sein, um eine Mehrzahl von Biochips, welche auf einem Verfahrtisch angeordnet sind, nacheinander zur Fokuspositionsbestimmung zu vermessen und darauffolgend mittels des Mikroskops abzubilden, unter Verwendung abgerufener Fokuspositionen der jeweiligen Biochips, In particular, the detector can be a line detector which can detect the interference light in a spectrally resolved manner. In particular, the short-coherence interferometry apparatus may be or include a spectral domain short-coherence interferometry apparatus. The measurement rate may be sufficiently high to measure a plurality of biochips arranged on a travel table sequentially for focus position determination and subsequently to image them by means of the microscope, using retrieved focus positions of the respective biochips,
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Messverfahren zum Vermessen einer Mehrzahl von Biochips, die auf einem Träger lateral nebeneinander angeordnet sind, bereitgestellt, umfassend die Schritte: a) schrittweises laterales, bevorzugt mäanderförmiges, Verfahren des Trägers relativ zu einem Mikroskop und einer Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur; b) bei einem Schritt oder kontinuierlich, Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; und c) Aufnehmen eines Bildes eines jeweils fokussierten Biochips mittels des Mikroskops. In a preferred embodiment of the present invention, a measuring method is provided for measuring a plurality of biochips arranged laterally next to one another on a carrier, comprising the steps: a) step-wise lateral, preferably meander-shaped, method of the carrier relative to a microscope and short-coherence interferometry apparatus; b) in one step or continuously, performing a method according to any one of the preceding claims; and c) taking an image of a respective focused biochip by means of the microscope.
Das mäanderförmige Verfahren erlaubt ein Vermessen eines zweidimensionalen Feldes von Objekten in relativ kurzer Zeit. Ferner erlaubt diese Art eines Verfahrens ein Vermessen entlang einer ersten Linie und entlang einer zweiten Linie. Während des mäanderförmigen Verfahrens des Trägers relativ zu der Kurzkohärenz-Interferometrie- Apparatur kann diese in einen Mikroskop-Strahlengang eingeschwenkt sein (bzw. der Mikroskop-Strahlengang kann ausgeschwenkt sein), so dass eine mikroskopische Abbildung nicht erfolgt. Bestimmte Positionen können jeweils für jedes Objekt der Mehrzahl von Objekten bzw. Biochips in einem Speicher der Optikvorrichtung gespeichert werden. In einem darauf folgenden Durchgang eines Verfahrens des Trägers relativ zu dem Mikroskop können jeweils die der lateralen Position entsprechenden geometrische- Weglänge-Positionen bzw. daraus sich ergebende Fokuspositionen abgerufen werden und das Mikroskop kann basierend auf einer Fokusposition des jeweils im Sichtfeld des Mikroskops befindlichen Biochips fokussiert werden. The meandering method allows a measurement of a two-dimensional field of objects in a relatively short time. Further, this type of method allows for measurement along a first line and along a second line. During the meandering process of the carrier relative to the short-coherence interferometry apparatus, it can be pivoted into a microscope beam path (or the microscope beam path can be swung out) so that microscopic imaging does not take place. Certain positions may be stored for each object of the plurality of objects or biochips, respectively, in a memory of the optical device. In a subsequent passage of a method of the carrier relative to the microscope, the geometric position length positions or resulting focus positions corresponding to the lateral position can be retrieved and the microscope can be focused based on a focus position of the respective biochip in the field of view of the microscope become.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird während des lateralen Verfahrens des Trägers relativ zu der Kurzkohärenz-Interferomethe-Apparatur jeweils für einen Biochip mindestens eine geometrische-Weglänge-Position bestimmt und mit lateraler Positionsinformation assoziiert gespeichert und das Verfahren weist ferner auf: nach Bestimmen der geometrische-Weglänge-Positionen der Mehrzahl von Biochips, lateralen Verfahrens des Trägers relativ zu dem Mikroskop, Abrufen der gespeicherten geometrische-Weglänge-Position, die mit der momentanen lateralen Position des Mikroskops relativ zu dem Träger assoziiert ist, Fokussieren auf den Biochip zum Abbilden durch das Mikroskop basierend auf der abgerufenen geometrische-Weglänge- Position. Damit kann insbesondere eine Mehrzahl von Biochips rasch und zuverlässig vermessen werden. Es ist zu beachten, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Abbilden eines innerhalb des dreidimensionalen Probenbereichs befindlichen Objekts beschrieben, eingesetzt oder bereitgestellt sind, ebenso individuell oder in irgendeiner Kombination für eine Optikvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gelten bzw. angewendet werden können. According to one embodiment of the present invention, during the lateral process of the carrier relative to the short-coherence interferometer, at least one geometric path length position is determined for each biochip and included After determining the geometric-path length positions of the plurality of biochips, the lateral method of the carrier relative to the microscope, the method retrieves: retrieving the stored geometric-path length position associated with the current lateral position of the microscope relative to the carrier, focusing on the biochip for imaging by the microscope based on the retrieved geometric path length position. Thus, in particular, a plurality of biochips can be measured quickly and reliably. It should be noted that features described or provided individually or in any combination in connection with a method of imaging an object located within the three-dimensional sample area are also individual or in any combination for an optical device according to one embodiment of the present invention apply or can be applied.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Optikvorrichtung zum Abbilden eines innerhalb eines dreidimensionalen Probenbereichs befindlichen Objektes bereitgestellt. Dabei weist die Optikvorrichtung eine Kurzkohärenz- Interferometrie-Apparatur, welche ausgebildet ist, zumindest an einem lateralen Punkt ein Tiefenprofil des Probenbereichs mittels optischer Kurzkohärenz-Interferometrie zu ermitteln, und einen Prozessor auf. Der Prozessor ist ausgebildet, einen Peak in dem Tiefenprofil, der von einer Reflexion an einem Objektpunkt herrührt, zu erkennen, eine Optische-Weglänge-Position des Peaks, welche die optische Weglänge des Objektpunktes von einem Referenzpunkt repräsentiert, zu bestimmen, und basierend auf der Optische-Weglänge-Position und zumindest einer vorbekannten optischen Eigenschaft des Probenbereichs, eine Geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes, welche eine geometrische Weglänge des Objektpunktes von dem Referenzpunkt repräsentiert, zu berechnen. Die Optikvorrichtung umfasst ferner einen Aktuator, welcher ausgebildet ist, ein Mikroskop auf den Objektpunkt basierend auf der Geometrische-Weglänge-Position zum Abbilden des Objektes zu fokussieren. In a preferred embodiment of the present invention, an optical device is provided for imaging an object located within a three-dimensional sample area. In this case, the optical device has a short-coherence interferometer apparatus, which is designed to determine a depth profile of the sample area at least at a lateral point by means of optical short-coherence interferometry, and a processor. The processor is configured to detect a peak in the depth profile resulting from a reflection at an object point, to determine an optical path length position of the peak representing the optical path length of the object point from a reference point, and based on the Optical path length position and at least one known optical property of the sample area, a geometric-path length position of the object point, which represents a geometric path length of the object point of the reference point to calculate. The optical device further comprises an actuator configured to focus a microscope on the object point based on the geometric path length position for imaging the object.
Die Optikvorrichtung ist insbesondere ausgebildet, ein Verfahren zum Abbilden eines Objektes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen. Die Optikvorrichtung kann insbesondere das Mikroskop umfassen. Ferner kann die Optikvorrichtung eine Vorrichtung umfassen, um einen Strahlengang der Kurzkohärenz- Interferometrie-Apparatur zum Beleuchten des Objekts mit OCT-Licht auf ein Sichtfeld des Mikroskops bzw. in einen Strahlengang des Mikroskops zu richten bzw. einzuschwenken und selektiv auszuschwenken. The optical device is in particular designed to carry out a method for imaging an object according to an embodiment of the present invention. The optical device may in particular comprise the microscope. Furthermore, the optical device may comprise a device for detecting a beam path of the short-coherence beam. To direct interferometry device for illuminating the object with OCT light on a field of view of the microscope or in a beam path of the microscope or swivel and selectively swing out.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Optikvorrichtung ferner eine Steuerung auf, welche mit dem Prozessor und dem Aktuator gekoppelt ist, um den Aktuator in Antwort auf ein Ausgabesignal des Prozessors zum Fokussieren zu treiben, um bevorzugt ein Objektiv entlang einer Tiefenrichtung zu verfahren. In a preferred embodiment of the present invention, the optical device further comprises a controller coupled to the processor and the actuator for biasing the actuator to focus in response to an output signal of the processor to preferentially scan a lens along a depth direction.
Damit kann in automatischer Weise eine Fokussierung einer Vielzahl von Objekten erreicht werden. This can be achieved in an automatic way focusing a variety of objects.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Optikvorrichtung ferner eine lateral verfahrbare Probenhalterung auf, welche bevorzugt von der Steuerung zum lateralen Verfahren gesteuert wird. In a preferred embodiment of the present invention, the optical device further comprises a laterally movable sample holder, which is preferably controlled by the controller to the lateral method.
Somit kann eine Vielzahl von Objekten, welche lateral nebeneinander angeordnet sind, abgebildet werden. Thus, a plurality of objects, which are arranged laterally side by side, can be imaged.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Optikvorrichtung ferner einen Speicher zum Speichern von geometrische-Weglänge- Positionen einer Mehrzahl von Objektpunkten auf. In a preferred embodiment of the present invention, the optical device further comprises a memory for storing geometric-path length positions of a plurality of object points.
Zunächst können mittels der Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur Fokuspositionen einer Vielzahl von Objekten, insbesondere Biochips, bestimmt und in dem Speicher gespeichert werden. In einem weiteren Durchgang können die Biochips nacheinander mittels des Mikroskops abgebildet werden, wozu die jeweiligen Fokuspositionen aus dem Speicher abgerufen werden und zur Fokussierung des Objektivs des Mikroskops herangezogen werden. First, by means of the short-coherence interferometric apparatus, focus positions of a plurality of objects, in particular biochips, can be determined and stored in the memory. In a further passage, the biochips can be successively imaged by means of the microscope, for which purpose the respective focus positions are retrieved from the memory and used to focus the objective of the microscope.
Die Optikvorrichtung kann ferner ein Objektiv zum Abbilden des Objektes aufweisen, wobei das Objektiv insbesondere (z.B. bei numerischer Apertur größer als 0,7oder größer als 0,8) eine Deckglas-Korrektur-Vorrichtung aufweist, die ausgebildet ist, Bildfehler, insbesondere sphärische Aberration, bei der Abbildung von Objektpunkten aufgrund der Kenntnis von Lage, Dicke und Brechungsindex der Teilbereiche zu korrigieren, wobei der Bildebenenversatz insbesondere durch The optical device may further comprise an objective for imaging the object, wherein the objective has in particular (eg with a numerical aperture greater than 0.7 or greater than 0.8) a cover glass correction device which is designed to reduce aberrations, in particular spherical aberration, when mapping object points due to To correct knowledge of position, thickness and refractive index of the sub-areas, the image plane offset in particular by
Figure imgf000024_0001
berechnet wird, wobei die geometrische Tiefenausdehnungen der jeweiligen
Figure imgf000024_0001
is calculated, the geometrical depth expansions of the respective
Teilbereiche i bis zum Objektpunkt (120) sind und die n' die Phasen-Brechungsindizes, bevorzugt bei einer Zentralwellenlänge des zum Abbilden mittels des Mikroskops verwendeten Lichts, der jeweiligen Teilbereiche bis zum Objektpunkt sind und wobei α der Winkel des Strahlengangs zur optischen Achse des Mikroskop-Objektivs ist. Insbesondere kann die sphärische Aberration des Objektivs durch Änderung der Einstellung der Deckglas-Korrektur-Vorrichtung in einem gewissen Bereich einstellbar sein. Partial regions i are up to the object point (120) and the n 'are the phase refractive indices, preferably at a central wavelength of the light used for imaging by means of the microscope, of the respective partial regions up to the object point and where α is the angle of the optical path to the optical axis of the microscope Is objective. In particular, the spherical aberration of the objective can be adjusted within a certain range by changing the setting of the cover glass correction device.
Das Objektiv kann z.B. über einen sogenannten Deckglas-Korrektur-Ring (insbesondere motorisierten Korrekturring) verfügen. Damit kann die Stärke der Deckglaskorrektur an verschiedene Deckglasdicken und zusätzlich durchlaufene refraktive Medien (wie Glas und/oder das Glycerin) angepasst werden. Bei der Verwendung eines solchen Objektivs muss nach dem Auffinden der Fokusebene zusätzlich die optimale Einstellung des Korrekturrings durch "Ausprobieren" ermittelt werden. Nach dem Ausmessen der Schichtdicken durch die Kurzkohärenz-Interferometrie kann die optimale Einstellung für solch einen Korrekturring berechnet werden kann. Der Fokusabstand des Objektivs kann von der Einstellung des Korrekturrings abhängen. Falls die Deckglaskorrektur den Fokusabstand des Objektivs verändert, kann das bei der Fokussierung berücksichtigt werden. The objective can e.g. have a so-called cover glass correction ring (in particular motorized correction ring). Thus, the strength of the cover glass correction can be adapted to different cover glass thicknesses and additionally through refractive media (such as glass and / or the glycerol). When using such a lens, after finding the focal plane, the optimum setting of the correction ring must also be determined by "trial and error". After measuring the layer thicknesses by the short-coherence interferometry, the optimal setting for such a correction ring can be calculated. The focus distance of the lens may vary depending on the setting of the correction ring. If the cover glass correction changes the focus distance of the lens, this can be taken into account when focusing.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, auf die die Erfindung nicht begrenzt ist, werden nun mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Embodiments of the present invention, to which the invention is not limited, will now be described with reference to the attached drawings.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Optikvorrichtung zum Abbilden eines innerhalb eines dreidimensionalen Probenbereichs befindlichen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 zeigt schematisch eine Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur, welche beispielsweise in der Optikvorrichtung von Figur 1 eingesetzt werden kann; Fig. 1 schematically shows an optical device for imaging an object located within a three-dimensional sample area according to an embodiment of the present invention; Fig. 2 schematically shows a short-coherence interferometry apparatus which can be used for example in the optical device of Fig. 1;
Fig. 3 illustriert einen Probenträger für eine Mehrzahl von Biochips, welche in mehreren Kammern angeordnet sind und gemäß einem Verfahren zum Abbilden eines innerhalb eines dreidimensionalen Probenbereichs befindlichen Objektes untersucht werden; 3 illustrates a sample carrier for a plurality of biochips arranged in a plurality of chambers and examined in accordance with a method of imaging an object within a three-dimensional sample area;
Fig. 4 zeigt in einer Seitenansicht einen Probenbereich, welcher mit einem Mikroskop der Optikvorrichtung von Fig. 1 abgebildet wird; Fig. 4 is a side view showing a sample area which is imaged with a microscope of the optical apparatus of Fig. 1;
Fig. 5 zeigt in einer Seitenansicht einen weiteren Probenbereich mit einer größeren Dicke zur Illustration eines Bildebenenversatzes, welcher gemäß Ausführungsformen zur Fokussierung und Abbildung berücksichtigt wird; Fig. 6 illustriert schematisch Grenzflächen innerhalb eines Probenbereiches, welche gemäß Ausführungsformen der Erfindung erkannt werden, um eine Fokusposition eines Biochips zu bestimmen; Fig. 5 is a side view of another sample area having a greater thickness for illustrating an image plane offset, which is considered in accordance with embodiments for focusing and imaging; Fig. 6 schematically illustrates interfaces within a sample area which, according to embodiments of the invention, are recognized to determine a focus position of a biochip;
Fig. 7 illustriert eine gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmbare Fokusebene; FIG. 7 illustrates a focal plane determinable according to embodiments of the present invention; FIG.
Fig. 8 illustriert ein Offsetspektrum und Fig. 9 illustriert ein Apodisationsspektrum, die bei einer Auswertung eines Interferenz Signals berücksichtigt werden; Fig. 10 zeigt ein von einem Detektor der Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur aufgenommenes Spektrum; Fig. 8 illustrates an offset spectrum and Fig. 9 illustrates an apodization spectrum taken into account in an evaluation of an interference signal; Fig. 10 shows a spectrum taken by a detector of the short-coherence interferometry apparatus;
Fig. 11 illustriert ein mittels der in Figuren 8 und 9 diskreten Spektren korrigiertes aufgezeichnetes Spektrum von Figur 10; Fig. 11 illustrates a recorded spectrum of Fig. 10 corrected by means of the spectra discrete in Figs. 8 and 9;
Fig. 12 zeigt ein gefenstertes Spektrum gemäß Ausführungsformen der Erfindung; Fig. 12 shows a windowed spectrum according to embodiments of the invention;
Fig. 13 illustriert ein Tiefenprofil bzw. einen A-Scan, welches zur Bestimmung einer geometrische-Weglänge-Position eines Objektpunktes, insbesondere eines Biochips, herangezogen wird; Fig. 14 illustriert einen Phasenbrechungsindex und einen Gruppenbrechungsindex von Glas, aus welchem ein Eindeckglas des Probenbereichs gefertigt ist; 13 illustrates a depth profile or an A-scan, which is used to determine a geometric path length position of an object point, in particular a biochip; Fig. 14 illustrates a phase refractive index and a group refractive index of glass from which a capping glass of the sample region is made;
Fig. 15 illustriert einen Phasenbrechungsindex und einen Gruppenbrechungsindex einer Glycerinlösung, welche zwischen einem Eindeckglas und dem Biochip befindlich ist. Fig. 15 illustrates a phase refractive index and a group refractive index of a glycerin solution which is located between a capping glass and the biochip.
Die Figuren zeigen schematische Darstellungen. Dabei sind in Struktur und/oder Funktion ähnliche oder gleiche Elemente mit Bezugsziffern gekennzeichnet, die sich nicht in den letzten beiden Stellen unterscheiden. Eine Beschreibung eines in einer Figur vorkommenden aber nicht explizit beschriebenen Elementes kann in solchen Fällen der Beschreibung dieses Elements in einer anderen Figur entnommen werden. The figures show schematic representations. In this case, in structure and / or function similar or identical elements are marked with reference numerals that do not differ in the last two places. A description of an element occurring in a figure but not explicitly described can be taken in such cases, the description of this element in another figure.
Fig. 1 illustriert schematisch eine Optikvorrichtung 100 zum Abbilden eines innerhalb eines dreidimensionalen Probenbereichs 101 befindlichen Objekts 103 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Optikvorrichtung 100 umfasst eine Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur 105, einen Prozessor 107 und einen Aktuator 109. Optional umfasst die Optikvorrichtung 100 ein Mikroskop 1 1 1 , das ein Objektiv 1 13, eine Abbildungsoptik 115 und einen Bilddetektor 117 umfasst. Die Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur 105 ist ausgebildet, zumindest an einem lateralen Punkt 1 19 ein Tiefenprofil des Probenbereichs 101 mittels optischer Kurzkohärenz-Interferometrie zu ermitteln. In Fig. 1 ist dieser laterale Punkt als ein lateraler Bereich 1 19 dargestellt, der eine gewisse laterale Ausdehnung, etwa einiger Mikrometer je nach lateraler Auflösung der Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur 105, aufweist. Die laterale Ausdehnung des Bereichs 119 ist in einer x-Richtung bzw. einer y- Richtung, welche mit Bezugsziffer 121 gezeigt sind, welche senkrecht auf einer z- Richtung stehen, welche mit Bezugsnummer 123 bezeichnet ist. Die z-Richtung 123 entspricht einer Tiefenrichtung, entlang derer ein Tiefenprofil durch Kurzkohärenz- Interferometrie bestimmt wird. FIG. 1 schematically illustrates an optical device 100 for imaging an object 103 located within a three-dimensional sample area 101 according to an embodiment of the present invention. The optical device 100 comprises a short-coherence interferometry apparatus 105, a processor 107 and an actuator 109. Optionally, the optical device 100 comprises a microscope 11, which comprises an objective 11, an imaging optics 115 and an image detector 117. The short-coherence interferometry apparatus 105 is designed to determine a depth profile of the sample area 101 by means of optical short-coherence interferometry, at least at a lateral point 1 19. In Fig. 1, this lateral point is shown as a lateral region 1 19, which has a certain lateral extent, about a few micrometers depending on the lateral resolution of the short-coherence interferometry apparatus 105. The lateral extent of the region 119 is in an x-direction or a y-direction, which are shown at reference numeral 121, which are perpendicular to a z-direction, which is designated by reference numeral 123. The z-direction 123 corresponds to a depth direction along which a depth profile is determined by short-coherence interferometry.
Dazu weist die Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur 105 eine Lichtquelle 125 zum Aussenden von OCT-ücht mit kurzer Kohärenzlänge, etwa einige Mikrometer, auf, das entlang eines Lichtleiters 127 zu einem optischen Koppler 129 geführt wird. Der optische Koppler 129 teilt das OCT-ücht in zwei Teile auf, von welchen ein erster Teil entlang des Lichtleiters 127 zu einem Reflektor 131 geführt wird, welcher in seiner Position zum Einstellen einer optischen Referenzlänge verstellbar sein kann. Ein zweiter Teil des OCT- Lichts wird durch den Lichtleiter 127 und nach Austritt aus dem Lichtleiter durch eine Beleuchtungsoptik 133 auf eine geeignete Querschnittsausdehnung geformt, um den Probenbereich 101 entlang der Tiefenrichtung bzw. z-Richtung 123 zu durchstrahlen. Dazu wird das OCT-Licht z.B. mittels eines Reflektors 135 auf den Probenbereich 101 an dem lateralen Punkt bzw. Bereich 119 gerichtet. Der Reflektor 135 ist optional, das OCT- Licht kann auch ohne diesen auf das Objekt gerichtet werden. Ein zentraler Bereich auf dem Reflektor 135 definiert einen Referenzpunkt 136, auf den sich eine geometrische- Weglänge-Position in einem Tiefenprofil bezieht. Der Referenzpunkt 136 kann an anderen Stellen angeordnet sein. For this purpose, the short-coherence interferometry apparatus 105 has a light source 125 for emitting OCT-short with a short coherence length, approximately a few micrometers, which is guided along an optical waveguide 127 to an optical coupler 129. The optical coupler 129 divides the OCT ücht into two parts, of which a first part is guided along the light guide 127 to a reflector 131, which may be adjustable in its position for setting a reference optical length. A second part of the OCT Light is formed by the light guide 127 and after exiting the light guide by an illumination optical system 133 to a suitable cross-sectional dimension to irradiate the sample area 101 along the depth direction and z-direction 123, respectively. For this purpose, the OCT light is directed, for example, by means of a reflector 135 onto the sample area 101 at the lateral point or area 119. The reflector 135 is optional, the OCT light can be directed without this on the object. A central area on the reflector 135 defines a reference point 136 to which a geometric path length position in a depth profile relates. The reference point 136 may be located at other locations.
Der Probenbereich 101 umfasst ein Eindeckglas 137, welches eine Vorderseite 139 (das heißt diesseits des Objekts 103 gelegen) und eine Rückseite 141 (diesseits des Objekts 103 gelegen aber jenseits der Vorderseite 139 des Eindeckglases 137 gelegen) hat. Jenseits des Eindeckglases 137 weist der Probenbereich 101 eine Glycerinlösung 143 auf, welche den gesamten Raum zwischen dem Eindeckglas 137 und dem Objekt 103, d.h. eine obere Oberfläche des Biochip 145, ausfüllt. Der Biochip 145 ist mit Klebstoff 147 an einem Kammerboden 149 befestigt. Innerhalb der nur unvollständig illustrierten Kammer mit Kammerboden 149 können mehrere (nicht dargestellte) Biochip 145 enthalten sein. The sample area 101 comprises a capping glass 137 which has a front side 139 (ie located on this side of the object 103) and a rear side 141 (located on the side of the object 103 but located beyond the front side 139 of the capping glass 137). On the other side of the cover glass 137, the sample area 101 comprises a glycerol solution 143, which covers the entire space between the cover glass 137 and the object 103, i. an upper surface of the biochip 145, fills. The biochip 145 is attached to a chamber bottom 149 with adhesive 147. Within the only incompletely illustrated chamber with chamber bottom 149, a plurality of (not shown) biochip 145 may be included.
In einem Tiefenprofil, welches mittels der Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur 105 nach einer Auswertung mittels des Prozessors 107 bestimmt ist, können optische- Weglänge-Positionen der Grenzschichten 139,141 und 103 ermittelt werden, die in einem Speicher 151 gespeichert werden können. Insbesondere ist der Prozessor 107 ausgebildet, einen Peak, wie etwa Peak 1353 in Figur 13 zu erkennen und eine entsprechende optische-Weglänge-Position des Peaks zu bestimmen, welcher von einer Reflexion des OCT-Lichts von der Oberfläche 103 des Biochip 145 herrührt. Basierend auf der optische-Weglänge-Position und zumindest einer vorbekannten optischen Eigenschaft des Probenbereichs 101 , wie etwa Brechungsindizes des Eindeckglases 137 und der Glycerinlösung 143 und der jeweiligen Dicken dieser Elemente, berechnet der Prozessor 107 eine geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes 120 auf der Oberfläche 103 des Biochip 145. Der Prozessor 107 kann Steuersignale bzw. Ergebnisse seiner Berechnungen an eine Steuerung bzw. Treiber 155 ausgeben, welche den Aktuator 109 treiben kann, das Objektiv 1 13 entlang der Tiefenrichtung 123 bzw. z- Richtung zu verfahren, so dass der Objektpunkt 120 in der Fokusebene des Objektivs 1 13 angeordnet ist. Das von dem lateralen Bereich 1 19 in verschiedenen Tiefen reflektierte OCT-Licht wird an dem Spiegel 135 reflektiert und tritt wieder in den Lichtleiter 127 ein, welcher das reflektierte OCT-Licht zu den optischen Koppler 129 führt, wo das reflektierte OCT-Licht mit Referenzlicht, welches von dem Referenz-Spiegel 131 reflektiert wurde, zur Interferenz gebracht wird. Das Interferenzlicht wird durch einen Detektor 130 detektiert, welcher in einer Ausführungsform ein optisches Gitter umfasst, um das Interferenzlicht nach Wellenlängen aufzuspalten, bevor es beispielsweise durch einen Zeilendetektor detektiert wird. Elektrische oder optische Signale, welche Intensitäten entsprechen, welche von dem Detektor 130 detektiert wurden, werden dem Prozessor 107 zugeführt, welcher aus diesen Signalen ein Tiefenprofil bestimmt. In a depth profile, which is determined by means of the short-coherence interferometry apparatus 105 after an evaluation by means of the processor 107, optical path length positions of the boundary layers 139, 141 and 103 can be determined, which can be stored in a memory 151. In particular, the processor 107 is configured to detect a peak, such as peak 1353 in FIG. 13, and to determine a corresponding optical path length position of the peak resulting from a reflection of the OCT light from the surface 103 of the biochip 145. Based on the optical path length position and at least one known optical property of the sample region 101, such as refractive indexes of the capping glass 137 and the glycerin solution 143 and the respective thicknesses of these elements, the processor 107 calculates a geometrical path length position of the object point 120 on the Surface 103 of the biochip 145. The processor 107 may output control signals or results of its calculations to a driver 155, which may drive the actuator 109 to move the lens 1 13 along the depth direction 123 or z-direction, so that the object point 120 is arranged in the focal plane of the objective 1 13. The OCT light reflected at different depths from the lateral region 19 is reflected at the mirror 135 and re-enters the light guide 127, which guides the reflected OCT light to the optical coupler 129 where the reflected OCT light with reference light , which has been reflected by the reference mirror 131, is brought to interference. The interference light is detected by a detector 130, which in one embodiment comprises an optical grating to split the interference light into wavelengths before it is detected by a line detector, for example. Electrical or optical signals corresponding to intensities detected by the detector 130 are applied to the processor 107, which determines a depth profile from these signals.
Die in Fig. 1 illustrierte Optikvorrichtung 100 weist ferner eine lateral verfahrbare Probenhalterung 157 auf, welche relativ zu einer Basis 159 entlang einer oder mehrerer lateraler Richtungen 121 (zum Beispiel x-Richtung und/oder y-Richtung) bewegt werden kann. Insbesondere kann die Steuerung 107 entsprechende Steuersignale der Basis 159 zuführen, um die Probenhalterung 157, auf welcher der Probenbereich 101 innerhalb einer Kammer angeordnet ist, lateral zu bewegen. Insbesondere können geometrische- Weglänge-Positionen einer Mehrzahl von Oberflächen 103 von Biochips 144 in dem Speicher 151 speichert werden und zur Fokussierung des Objektivs 1 13 aus dem Speicher 151 unter Bezugnahme auf die jeweilige lateralen Position des momentan untersuchten Biochip abgerufen werden. The optical device 100 illustrated in FIG. 1 further comprises a laterally movable sample holder 157 which can be moved relative to a base 159 along one or more lateral directions 121 (for example x-direction and / or y-direction). In particular, the controller 107 may supply appropriate control signals to the base 159 to laterally move the sample holder 157, on which the sample region 101 is disposed within a chamber. In particular, geometric path length positions of a plurality of surfaces 103 of biochips 144 may be stored in the memory 151 and retrieved from the memory 151 with respect to the respective lateral position of the currently examined biochip for focusing the objective 1 13.
Die Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur innerhalb der Optikvorrichtung kann folgende Spezifikationen erfüllen: The short-coherence interferometry apparatus within the optical device can meet the following specifications:
• Eine laterale Verfahrgeschwindigkeit des Objektträgers unter dem Mikroskop- Objektiv von bis zu 60 mm/s wird unterstützt. Die Messfrequenz ist mindestens 1 kHz. • A lateral movement speed of the microscope slide under the microscope objective of up to 60 mm / s is supported. The measuring frequency is at least 1 kHz.
• Die laterale Auflösung kann auf Grund der typischen Proben- und Bildfelddimensionen mindestens 100 μιη betragen. The lateral resolution can be at least 100 μm due to the typical dimensions of the sample and image field.
Die axiale Auflösung liegt unter 15 μιη (insbesondere kann sie größer als die Rayleigh-Länge des bei der Fluoreszenzaufnahme verwendeten Objektivs sein). Die Genauigkeit der Positionsbestimmung der Grenzfläche, auf die fokussiert werden soll, kann genauer sein als die Rayleighlänge des Objektivs des Mikroskops. The axial resolution is less than 15 μιη (in particular they may be greater than the Rayleigh length of the lens used in the fluorescence image to be). The accuracy of determining the position of the interface on the to be focused may be more accurate than the Rayleigh length of the lens of the microscope.
• Die Messtiefe beträgt bis zu bzw. etwa 2 mm. • The measuring depth is up to or about 2 mm.
Der Probenbereich 101 hat bis zum Objektpunkt 120 eine Tiefenausdehnung TA. Der Öffnungswinkel des Objektivs ist α Die geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes 120 ist mit gWI bezeichnet, der Bildebenenversatz mit δζ und die Differenz zwischen geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes 120 und Bildebenenversatz ist mit Δζ bezeichnet und in Fig. 1 eingetragen. Der Abstand zwischen Objektiv 1 13 und dem Referenzpunkt 136 ist mit A bezeichnet. The sample area 101 has a depth extent TA up to the object point 120. The opening angle of the objective is α. The geometrical path length position of the object point 120 is denoted by gWI, the image plane offset by δζ and the difference between geometrical path length position of the object point 120 and image plane offset is denoted by Δζ and entered in FIG. The distance between the lens 1 13 and the reference point 136 is designated A.
Fig. 2 illustriert schematisch eine Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur 205, welche zum Beispiel in der Optikvorrichtung 100 der Figur 1 eingesetzt werden kann. Die Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur 205 umfasst eine OCT-Lichtquelle 225, welche OCT-Licht 226 aussendet und auf einen Strahlteiler 229 richtet. Der Strahlteiler 229 teilt das OCT-Licht 226 in zwei Teile auf, wobei ein erster Teil 228 auf einen Referenz Spiegel 231 gerichtet wird und wobei ein zweiter Teil 230 auf den Objektbereich 201 gerichtet wird. Von dem Objektbereich 101 aus verschiedenen Tiefen z (Bezugsziffer 223) reflektiertes OCT-Licht 230 interferiert mit an dem Referenz Spiegel 231 reflektiertem ersten Teil 228 des OCT-Lichts 226 und wird an dem optischen Gitter 232 spektral zerlegt. Das spektral zerlegte Interferenzlicht wird mit der Zeilenkamera 230 detektiert. Daraus kann ein wellenlängenabhängiges Intensitätsspektrum 232 erhalten werden. FIG. 2 schematically illustrates a short-coherence interferometry apparatus 205 that may be used, for example, in the optical device 100 of FIG. The short-coherence interferometry apparatus 205 includes an OCT light source 225 which emits OCT light 226 and directs it to a beam splitter 229. The beam splitter 229 splits the OCT light 226 into two parts, with a first part 228 being directed to a reference mirror 231 and a second part 230 being directed to the object area 201. OCT light 230 reflected from the object region 101 of different depths z (reference numeral 223) interferes with first part 228 of the OCT light 226 reflected at the reference mirror 231, and is spectrally decomposed at the optical grating 232. The spectrally decomposed interference light is detected by the line camera 230. From this, a wavelength-dependent intensity spectrum 232 can be obtained.
Die Probe wird mit einer breitbandigen Lichtquelle konfokal abgerastert, während dieThe sample is scanned confocally with a broadband light source, while the
Laufzeit des detektierten Lichts innerhalb der Probe ermittelt wird, um die Streu- undRunning time of the detected light is determined within the sample to the scattering and
Reflexionseigenschaften der Probe tiefenaufgelöst zu gewinnen. Die Laufzeitmessung geschieht interferometrisch durch Überlagerung des aus der Probe zurückkehrendenTo gain reflection properties of the sample in depth resolution. The transit time measurement is done interferometrically by superposition of the returning from the sample
Lichtes mit einem Referenzstrahl, der eine bekannte Weglänge zurückgelegt hat. Light with a reference beam, which has traveled a known path length.
Ein schnelles Spektrometer zeichnet die Interferenzerscheinung wellenlängenaufgelöst auf.  A fast spectrometer records the interference phenomenon with wavelength resolution.
Aus diesem spektralen Interferogramm wird in der Fourier-Domain-OCT mittels Fourier- Transformation die Tiefeninformation gewonnen. Z.B. können folgende Spezifikationen für die Apparatur 105 bzw. 205 gelten: • Messfrequenz 1 , 2 kHz From this spectral interferogram, the depth information is obtained in the Fourier domain OCT by means of Fourier transformation. For example, the following specifications may apply to equipment 105 and 205, respectively: • Measuring frequency 1, 2 kHz
• Laterale Auflösung 15 μητι · Axiale Auflösung 7 m • Lateral resolution 15 μητι · Axial resolution 7 m
• Messtiefe 1 ,6 mm • Measuring depth 1, 6 mm
Fig. 3 zeigt einen Probenträger 350 mit einer Mehrzahl von Kammern 352, in denen jeweils eine Mehrzahl von Biochips 345 enthalten sind, wobei die Biochip gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels eines Mikroskops abgebildet werden. Dazu wird der Probenträger 350 zur Bestimmung von Tiefenpositionen der einzelnen Biochips 345 mithilfe von Kurzkohärenz-Interferometrie zunächst mäanderförmig bewegt, wie in der Spur 354 angedeutet ist. Dabei werden bevorzugt zwei Linien 356 und 358 pro Biochip 345 abgefahren und die Tiefenpositionen bzw. geometrische-Weglänge- Positionen an einer Mehrzahl von Punkten 360 auf jedem Biochip werden bestimmt und abgespeichert, beispielsweise in dem Speicher 151 , welcher in Figur 1 illustriert ist. Die Kammern 352 können einen Probenbereich 101 wie in Figur 1 illustriert mit jeweils mehreren Biochip 145 umfassen oder Probenbereiche wie sie beispielsweise in Figuren 4 und 5 illustriert sind. 3 shows a sample carrier 350 with a plurality of chambers 352, in each of which a plurality of biochips 345 are contained, the biochips being imaged by means of a microscope according to an embodiment of the present invention. For this purpose, the sample carrier 350 is initially moved meander-shaped for determining depth positions of the individual biochips 345 by means of short-coherence interferometry, as indicated in the track 354. In this case, two lines 356 and 358 per biochip 345 are preferably traversed and the depth positions or geometric path length positions at a plurality of points 360 on each biochip are determined and stored, for example in the memory 151 illustrated in FIG. The chambers 352 may include a sample area 101 as illustrated in FIG. 1, each having a plurality of biochips 145, or sample areas as illustrated, for example, in FIGS. 4 and 5.
Der Objektträger 350 kann im Spritzguss-Verfahren aus PMMA hergestellt sein. Sie können je nach Größe entweder 10 oder 50 Kammern aufweisen, in denen sich jeweils bis zu neun Biochips 345 befinden können. Die Biochips können in die Kammern 352 des Objektträgers 350 eingeklebt werden und mit einem Deckglas aus Schott-D263T eingedeckt sein. Der Zwischenraum kann mit Glycerin 143 gefüllt (siehe Fig. 1) sein. Die optischen Eigenschaften und geometrischen Abmessungen der Probenbestandteile sind bekannt: · eingeklebtes Deckglas (Biochip) (Ziffer 145 in Fig. 1) The slide 350 may be injection molded from PMMA. Depending on their size, they can have either 10 or 50 chambers, in each of which up to nine biochips 345 can be located. The biochips may be glued into the chambers 352 of the slide 350 and covered with a Schott D263T coverslip. The gap may be filled with glycerol 143 (see FIG. 1). The optical properties and geometric dimensions of the sample components are known: glued cover glass (biochip) (item 145 in FIG. 1)
- Brechungsindex n(Biochip) = 1 , 5230  Refractive index n (biochip) = 1, 5230
- Dicke d = 145 ± 15 μιτι  - thickness d = 145 ± 15 μιτι
- Laterale Abmessungen 1 * 1 mm2 bis 2 2 mm2 · Locker aufliegendes Deckglas (Ziffer 137 in Fig. 1) - Lateral dimensions 1 * 1 mm 2 to 2 2 mm 2 · Loose covering glass (Number 137 in FIG. 1)
- Brechungsindex n(Glas) = 1 , 5230 - Dicke d = 170 ± 30 μιη Refractive index n (glass) = 1, 5230 - thickness d = 170 ± 30 μιη
Zwischenraum gefüllt mit Glycerin (Ziffer 143 in Fig. 1) intermediate space filled with glycerin (numeral 143 in Fig. 1)
- Brechungsindex n(Glycerin) = 1 , 4722  - refractive index n (glycerol) = 1, 4722
- Dicke d = 20 ± 20 μιη  - thickness d = 20 ± 20 μιη
Die für die Fluoreszenzaufnahmen verwendeten Objektive 113 erzeugen Foki mit einer Rayleigh-Länge im Mikrometerbereich, so dass auf Grund der herstellungsbedingten Schwankungen der Probenabmessungen nicht ohne weiteres gewährleistet ist, dass sich die Probenoberfläche im Fokus des Objektivs befindet. The lenses 113 used for the fluorescence images produce foci with a Rayleigh length in the micrometer range, so that due to the production-related fluctuations of the sample dimensions is not readily ensured that the sample surface is in focus of the lens.
Figs. 4 und 5 illustrieren einen Fokusebenenversatz bzw. Bildebenenversatz in refraktiven Medien. Die Biochip-Oberflächen 403 bzw. 503, auf die bei den Fluoreszenz- Aufnahmen fokussiert werden soll, befinden sich nicht an Luft, sondern unter dem Deckglas 437 bzw. 537 und einer Schicht aus Glycerin 443 bzw. 543. Beim Eintritt in diese refraktiven Medien verringert sich der Öffnungswinkel αθ (auch als α bezeichnet) des Strahlengangs auf α'. Dadurch verschiebt sich der Fokus je nach Schichtdicke und Brechungsindex der durchlaufenen Medien von seiner ursprünglichen Position hin zu größeren Arbeitsabständen:
Figure imgf000031_0001
Figs. Figures 4 and 5 illustrate a focal plane offset in refractive media. The biochip surfaces 403 and 503, which are to be focused on the fluorescence images, are not in air, but under the coverslip 437 or 537 and a layer of glycerol 443 or 543. Upon entry into these refractive media reduces the opening angle αθ (also referred to as α) of the beam path to α '. As a result, the focus shifts from its original position to larger working distances, depending on the layer thickness and refractive index of the media being passed through:
Figure imgf000031_0001
Wird der Biochip 445 bzw. 545 bzw. seine Oberfläche 403 bzw. 503 exakt im Arbeitsabstand unter dem Mikroskop-Objektiv positioniert, dann wird trotzdem keine scharfe Abbildung ermöglicht, weil das Deckglas 437 bzw. 547 und die Glycerinschicht den Fokus innerhalb der Probe versetzen. Es genügt deshalb nicht, nur die Position des Biochips bzw. seiner Oberfläche 403 bzw. 503 genau zu kennen. Für eine Positionierung des Biochips im verschobenen Fokus müssen zusätzlich die genauen Grenzflächen der darüber liegenden refraktiven Medien bekannt sein.  If the biochip 445 or 545 or its surface 403 or 503 positioned exactly at the working distance under the microscope objective, then still no sharp imaging is possible because the cover glass 437 and 547 and the glycerol shift the focus within the sample. It is therefore not enough to know exactly the position of the biochip or its surface 403 or 503 exactly. In order to position the biochip in the shifted focus, the exact interfaces of the overlying refractive media must also be known.
In Figs. 4 und 5 ist der Abstand zwischen Biochipoberfläche 403 bzw. 503 und Mikroskopobjektiv 413 bzw. 513 in beiden Fällen identisch, trotzdem erscheint der Biochip in Fig. 5 zu hoch. Die Probe müsste abgesenkt werden, um den Biochip 503 in den Fokus des Objektivs 513 zu bewegen. Mittels Optischer Kohärenztomografie hingegen werden nicht die tatsächlichen geometrischen Strukturen, sondern Lichtlaufzeiten innerhalb der Probe, also optische Weglängen gemessen. Durch die Erhöhung der Glycerin- Schichtdicke verlängert sich die Lichtlaufzeit zur Biochip-Oberfläche 403 bzw. 503, so dass diese in Fig. 5 weiter vom Objektiv 513 entfernt zu sein scheint. Würde man lediglich die Position der Biochip-Oberfläche 503 im OCT-Bild anpassen, dann müsste man in diesem Beispiel die Probe also anheben und damit den Biochip noch weiter vom Fokus entfernen als er es ohnehin schon ist. Die unterschiedlichen Einflüsse der refraktiven Medien auf den Fokusebenenversatz und die Laufzeitmessung mittels OCT werden gemäß Ausführungsformen der Erfindung berücksichtigt. In Figs. 4 and 5, the distance between biochip surface 403 and 503 and microscope objective 413 and 513 is identical in both cases, nevertheless the biochip in FIG. 5 appears too high. The sample would have to be lowered to move the biochip 503 into the focus of the objective 513. By contrast, optical coherence tomography does not measure the actual geometric structures, but rather light propagation times within the sample, ie optical path lengths. By increasing the glycerol layer thickness, the light transit time to the biochip surface 403 or 503 is longer, so that in FIG. 5 it seems to be further from the lens 513. If only the position of the biochip surface 503 in the OCT image were to be adjusted, then in this example, one would have to lift the sample and thus remove the biochip even further from the focus than it already is. The different influences of the refractive media on the focal plane offset and the transit time measurement by means of OCT are taken into account according to embodiments of the invention.
Dazu werden zunächst die drei relevanten Grenzflächen Luft-Glas 639, Glas-Glycerin 641 und Glycerin-Biochip 603 präzise vermessen, wie in Fig. 6 illustriert ist. Anschließend wird die Fokusebene 703 bezüglich ihrer Tiefenposition und ihrer Orientierung mittels einer Normalen N (die senkrecht auf der Ebene 703 steht) berechnet, wie in Fig. 7 illustriert ist, in der der Biochip positioniert werden muss, um eine scharfe Abbildung zu erhalten. For this purpose, first the three relevant interfaces air-glass 639, glass-glycerol 641 and glycerol biochip 603 are precisely measured, as illustrated in FIG. 6. Subsequently, the focus plane 703 is calculated for its depth position and orientation by a normal N (which is perpendicular to the plane 703), as illustrated in Fig. 7, in which the biochip must be positioned to obtain a sharp image.
Figs. 8-13 illustrieren Prozessierungsschritte einer Verarbeitung von Interferenz-Signalen, welche durch einen Detektor einer Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur, etwa Detektor 130, welcher in Figur 1 illustriert ist, oder Detektor 230, welcher in Figur 2 illustriert ist, aufgenommen sind. Figs. FIGS. 8-13 illustrate processing steps of processing interference signals received by a detector of a short-coherence interferometry apparatus, such as detector 130 illustrated in FIG. 1 or detector 230 illustrated in FIG.
Das in Fig. 8 illustrierte Offsetfehler-Spektrum 861 (dargestellt in einem Koordinatensystem mit einer Abszisse 863, welche mit der Wellenlänge verknüpft ist, und mit einer Ordinate 865, welchem mit einer Intensität verknüpft ist) wird üblicherweise beim Einschalten des Gerätes aufgenommen, bevor die OCT-Lichtquelle, wie etwa eine SLD, eingeschaltet wird, und wird später für einen Schwarzabgleich der aufgezeichneten Spektren benutzt. The offset error spectrum 861 illustrated in FIG. 8 (shown in a coordinate system with an abscissa 863 associated with the wavelength and an ordinate 865 associated with an intensity) is typically acquired at power-up of the device before the OCT light source, such as an SLD, and is later used for black balancing the recorded spectra.
Das in Fig. 9 dargestellte Apodisationsspektrum 867 wird aufgezeichnet, um die spektrale Intensitätsverteilung der OCT-Lichtquelle (zum Beispiel SLD) zu bestimmen. Während der Aufnahme darf kein Licht aus dem Probenarm auf das Spektrometer fallen. Zum Beispiel kann ein mechanischer Verschluss den Probenarm blockieren oder der Mikroskoptisch kann derart verfahren werden, dass sich während der Aufnahme des Apodisationsspektrums kein Objekt im Fokusbereich der OCT-Abbildungsoptik befindet. Da sich das Spektrum mit der Zeit ändern kann, kann es in regelmäßigen Abständen neu aufgenommen werden. Es bietet sich an, dies beispielsweise direkt vor dem Vermessen jedes Objektträgers durchzuführen. Die beiden Referenzspektren 861 und 867, welche in Figuren 8 bzw. 9 dargestellt sind, können aus jeweils 25 aufeinanderfolgenden Spektren gemittelt werden. Anschließend können die Objektträger vermessen werden, indem an unterschiedlichen lateralen Positionen (x, y) der Proben jeweils ein Spektrum 1069 aufgezeichnet wird, wie in Fig. 10 illustriert ist. The apodization spectrum 867 shown in FIG. 9 is recorded to determine the spectral intensity distribution of the OCT light source (for example, SLD). During recording, no light from the sample arm may fall onto the spectrometer. For example, a mechanical shutter may block the sample arm, or the microscope stage may be moved such that no object is within the focus range of the OCT imaging optics during acquisition of the apodization spectrum. Since the spectrum can change over time, it can be re-recorded at regular intervals. It is advisable to do this, for example, directly before measuring each slide. The two reference spectra 861 and 867, which are shown in FIGS. 8 and 9, respectively, can be averaged from 25 consecutive spectra. Subsequently, the slides can be measured by recording a spectrum 1069 at different lateral positions (x, y) of the samples, as illustrated in FIG. 10.
Die weitere Prozessierung der Spektren kann folgende Schritte umfassen: The further processing of the spectra may include the following steps:
1. Apodisation und Off set- Korrektur: Jedes aufgezeichnete Spektrum wird mit 1. Apodization and offset correction: Each recorded spectrum is included
den beiden zuvor aufgezeichneten Referenzspektren verrechnet. Dabei wird zu- nächst das unkorrigierte Apodisationspektrum abgezogen, anschließend wird durch das Offset-korrigierte Apodisationsspektrum geteilt:
Figure imgf000033_0001
the two previously recorded reference spectra charged. First, the uncorrected apodization spectrum is subtracted, and then it is divided by the offset-corrected apodization spectrum:
Figure imgf000033_0001
Ein derartig korrigiertes Spektrum ist in Fig. 11 als Kurve 1171 illustriert. Such a corrected spectrum is illustrated in FIG. 11 as curve 1171.
2. Wellenzahl-Interpolation: Die spektralen Interferogramme werden vom Spektrometer annähernd äquidistant in λ abgetastet. Aus den korrigierten Spektren müssen jetzt äquidistant in der Wellenzahl k = 2ττ/λ abgetastete Spektren interpoliert werden. Interpoliert man das Spektrum an diesen nicht-ganzzahligen Indizes, erhält man das linear in k abgetastete Spektrum. Für die bestmögliche Bildqualität kann eine Spline- Interpolation verwendet werden. 2. Wavelength interpolation: The spectral interferograms are scanned approximately equidistantly in λ by the spectrometer. From the corrected spectra equidistant spectra must now be interpolated in the wavenumber k = 2ττ / λ. If one interpolates the spectrum at these non-integer indices, one obtains the linear spectrum sampled in k. For best picture quality, spline interpolation can be used.
3. Fensterung: Um Nebenbänder zu unterdrücken, werden die Spektren mit einer 3. Windowing: To suppress minor bands, the spectra with a
Hann-Fensterfunktion multipliziert, wobei das Ergebnis in Fig. 12 als Kurve 1273 gezeigt ist. Die Werte des Hann-Fensters können als Vektor hinterlegt werden. Hann window function, the result being shown in FIG. 12 as curve 1273. The values of the Hann window can be stored as a vector.
4. Fouriertransformation: Auf die korrigierten, gefensterten Spektren wird eine 4. Fourier Transform: The corrected, windowed spectra becomes a
Fast-Fourier-Transformation angewandt. Man erhält (z.B. 1024) komplexe Zahlen. Fast Fourier transform applied. One gets (e.g., 1024) complex numbers.
5. Negative Frequenzen verwerfen: Die negativen Frequenzen enthalten keine zusätzliche Information und können verworfen werden. 5. Discard Negative Frequencies: The negative frequencies contain no additional information and can be discarded.
6. Beträge bilden: Von den Fourierkoeffizienten bei den (z.B. 512) positiven Frequenzen werden die Beträge gebildet. Logarithmisch dargestellt bilden sie einen klassischen 6. Forming Amounts: The amounts are formed from the Fourier coefficients at the (e.g., 512) positive frequencies. Logarithmically, they form a classic
OCT-A-Scan, wie in Fig. 13 als Tiefenprofil 1375 dargestellt ist. Das in Fig. 13 Illustrierte Tiefenprofil 1375 zeigt vier lokale Maxima, einen Peak 1353 mit optische-Weglänge-Position 1354, welcher von der Oberfläche 103 des Biochips 145 herrührt, einen weiteren Peak 1377 mit optische-Weglänge-Position 1378, welcher von der Oberseite 139 des Eindeckglases 137 herrührt, einen noch weiteren Peak 1379 mit optische-Weglänge-Position 1380, welcher von der Unterseite 141 des Eindeckglases 37 herrührt, und einen zusätzlichen weiteren Peak 1381 , welcher von einer Unterseite 104 des Biochip 145 herrührt. Die Berechnung der Fokusebene aus den prozessierten OCT-Daten kann folgendermaßen erfolgen: OCT-A scan, as shown in FIG. 13 as depth profile 1375. The depth profile 1375 illustrated in FIG. 13 shows four local maxima, a peak 1353 with optical path length position 1354, which originates from the surface 103 of the biochip 145, another peak 1377 with optical path length position 1378 which extends from the top side 139 of the cover glass 137, an even further peak 1379 with optical path length position 1380, which originates from the lower side 141 of the cover glass 37, and an additional further peak 1381, which originates from a lower side 104 of the biochip 145. The calculation of the focal plane from the processed OCT data can be done as follows:
1. Oberflächen identifizieren: Die in den OCT-Daten erkennbaren Oberflächen 1. Identify Surfaces: The surfaces recognizable in the OCT data
werden den jeweiligen Grenzflächen zugeordnet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst der weiter Peak 1377 der Luft-Deckglas- Grenzfläche identifiziert, was leicht durchführbar ist, da dieser weitere Peak den höchsten und meist auch ersten Peak des A-Scans bzw. Tiefenprofils 1375 darstellt. Ist der weitere Peak 1377 der Deckglas-Oberseite 139 gefunden, dann kann die Lage des Peaks 1353 und des noch weiteren Peaks 1379 schon ungefähr anhand der Probenspezifikationen abgeschätzt werden, so dass diese relativ einfach zu identifizieren sind. are assigned to the respective interfaces. According to one embodiment of the present invention, the further peak 1377 of the air-cover glass interface is first identified, which is easy to carry out, since this further peak represents the highest and usually also the first peak of the A-scan or depth profile 1375. If the further peak 1377 of the cover glass top 139 is found, then the position of the peak 1353 and the still further peak 1379 can already be estimated approximately on the basis of the sample specifications, so that they are relatively easy to identify.
2. Frequency Estimation: Nach der Identifikation der relevanten Peaks wird 2. Frequency Estimation: After identifying the relevant peaks will be
die exakte Position bestimmt. Dafür kann ein Parabelfit durch das Maximum und die beiden Nachbarwerte eines Peaks verwendet werden. Damit kann die Genauigkeit bei der Positionsbestimmung von 7 pm auf etwa 120 nm erhöht werden. Für eine noch genauere Bestimmung der drei Peak-Positionen (1377, 1379, 1353) kann ein Frequency- Estimation-Verfahren durchgeführt werden. Dabei werden ebenfalls das Maximum der Beträge Azmax und die beiden direkten Nachbarwerte berücksichtigt: determines the exact position. For this a parabola fit can be used by the maximum and the two neighboring values of a peak. Thus, the accuracy in the position determination of 7 pm can be increased to about 120 nm. For a more precise determination of the three peak positions (1377, 1379, 1353), a frequency estimation method can be carried out. The maximum of the amounts Azmax and the two direct neighboring values are also considered here:
-jwrai— -*nuct i j -z —— 7 ~ ~Ä ' -jwrai- - * nuct ij -z - 7 ~ ~ Ä '
Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Peak-Positionen durch andere Verfahren bestimmt werden. Das oben durch die Gleichung definierte Verfahren erfordert keinen höheren numerischen Aufwand und kann die Genauigkeit der Reflexbestimmung von 120 nm auf etwa 25 nm verbessern. Alternativ könnten die verarbeiteten Spektren vor der Fouriertransformation mit Nullen aufgefüllt werden, um einen überabgetasteten A-Scan zu erhalten. In diesem können die Peakpositionen durch Parabelanpassungen mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern bestimmt werden. According to other embodiments of the invention, the peak positions may be determined by other methods. The method defined above by the equation does not require much numerical effort and can improve the accuracy of the reflection determination from 120 nm to about 25 nm. Alternatively, the processed spectra could be padded with zeroes before the Fourier transform to obtain an oversampled A-scan. Here, the peak positions can be determined by parabolic adjustments with an accuracy of a few nanometers.
3. Biquadratischer Fit: An die lokal detektierten Grenzflächen-Positionen können 3. Biquadratic fit: To the locally detected interface positions
Geraden angepasst werden. Würde bei der Datenaufnahme nicht die Probe bewegt, sondern stattdessen der Umlenkspiegel 135 (wenn dieser z.B. als Scan-Spiegel fungiert) (siehe Figur 1), dann müssen aufgrund der Bildfeldkrümmung keine Geraden sondern Parabeln angepasst werden. Wegen der erhöhten Robustheit gegen Ausreißer kann ein iteratives biquadratisches Fitverfahren angewendet werden. Der numerische Aufwand könnte eventuell vermindert werden, wenn zunächst eventuell vorhandene Ausreißer aus den Datenpunkten entfernt werden und dann ein einfacher linearer Least-Square-Fit angewendet wird. Be adapted to straight lines. If, in the data acquisition, the sample was not moved, but instead the deflection mirror 135 (if it functions as a scan mirror, for example) (see Figure 1), then due to the curvature of the field no parallels need to be adjusted but parabolas. Because of the increased robustness against outliers, an iterative biquadratic fit procedure can be used. The numerical overhead might be reduced by first removing any outliers from the data points and then applying a simple linear least squares fit.
4. Ebenen bestimmen: Mathematisch betrachtet ist das Problem 4. Determine levels: Mathematically, the problem is
nach dem Bestimmen von zwei Geraden bereits überbestimmt, weil die beiden after determining two straight lines already overdetermined, because the two
Geraden dieselbe Steigung haben müssen, um in einer Ebene liegen zu können. Straight lines must have the same slope in order to be able to lie in one plane.
Dies könnte beim Fitten der Geraden bereits berücksichtigt werden. Für die Bestimmung der Ebene 703 (siehe zum Beispiel Figur 7) werden drei Punkte benötigt, beispielsweise der erste Wert P1 = (x1 , y1 , z1 ) der ersten Fitgeraden, der letzte Wert P2 = (x2 , y2 , z2) der ersten Fitgeraden und der Mittelpunkt P3 = (x3 , y3 , z3 ) der zweiten Fitgeraden.  This could already be taken into account when fitting the straight line. For the determination of the plane 703 (see for example FIG. 7) three points are required, for example the first value P1 = (x1, y1, z1) of the first fit straight line, the last value P2 = (x2, y2, z2) of the first fit straight line and the center P3 = (x3, y3, z3) of the second fit line.
Einer der drei Punkte, z. B. P1 , kann direkt als Aufpunkt A der Ebene E dienen. Den Normalenvektor N berechnet man am einfachsten als Kreuzprodukt der Verbindungsvektoren zwischen A und P2 sowie A und P3, wie dem Fachmann bekannt ist. Jeder Punkt P der Ebene 703 erfüllt nun eine sich aus dem Normalen-Vektor N und dem Abstand vom Nullpunkt ergebende Ebenengleichung, wie dem Fachmann bekannt ist. One of the three points, z. B. P1, can serve directly as a point A point E level. The normal vector N is calculated most simply as a cross product of the connecting vectors between A and P2 and A and P3, as is known to the person skilled in the art. Each point P of the plane 703 now fulfills a plane equation resulting from the normal vector N and the distance from the zero point, as is known to the person skilled in the art.
5. Fokusebene berechnen: An jeder Stelle des Biochips kann aus den drei Grenzflächenpositionen 5. Calculate focal plane: At each point of the biochip can choose from the three interface positions
Z(wP), die optische-Weglänge-Position des weiteren Peaks, Z(nwP), die optische-Weglänge-Position des noch weiteren Peaks, Z (wP), the optical path length position of the further peak, Z (nwP), the optical path length position of the still further peak,
Z(P), die optische-Weglänge-Position des Peaks ist, die Fokuslage der Biochip-Oberfläche 103 berechnet werden gemäß:  Z (P), the optical path length position of the peak, the focus position of the biochip surface 103 are calculated according to:
Z(Obj) = Z(wP)/n(Luft) + [Z(nwP) - Z(wP)]/n(Glas) + [Z(P) - Z(nwP)]/n(Glycerin), wobei n(Luft) der (Gruppen-)Brechungsindex von Luft bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist, Z (Obj) = Z (wP) / n (air) + [Z (nwP) -Z (wP)] / n (glass) + [Z (P) -Z (nwP)] / n (glycerol), where n (air) is the (group) refractive index of air at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry,
n(Glas) der (Gruppen-)Brechungsindex des Eindeckglases bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist, n(Glycerin) der (Gruppen-)Brechungsindex der Glycerinlösung bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist. b) Berechnung des Bildebenenversatzes:  n (glass) is the (group) refractive index of the coverslip at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry, n (glycerol) is the (group) refractive index of the glycerol solution at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry. b) Calculation of the image plane offset:
Der Bildebenenversatz δζ, den eine planparallele Platte der Dicke d mit Brechzahl n verursacht, ist abhängig vom Öffnungswinkel α des Strahlengangs. Dadurch stimmt bei unkorrigierten Objektiven der Fokus für die zentralen Strahlen nicht mit dem der Randstrahlen überein, wenn sich eine planparallele Platte (beispielweise ein Deckglas) im Strahlengang befindet:  The image plane offset δζ, which causes a plane-parallel plate of thickness d with refractive index n, is dependent on the opening angle α of the beam path. As a result, in the case of uncorrected objectives, the focus for the central rays does not coincide with that of the marginal rays if a plane-parallel plate (for example a cover glass) is located in the ray path:
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000036_0001
Ein Objektiv 113 kann zum Beispiel für eine Deckglasdicke von 170 μιη korrigiert sein. Wird dabei der Fokus der Randstrahlen auf die Zentralstrahlen korrigiert, dann kann der Bildebenenversatz gemäß
Figure imgf000036_0002
An objective 113 can be corrected, for example, for a cover glass thickness of 170 μm. If the focus of the marginal rays is corrected to the central rays, then the image plane offset can be determined according to
Figure imgf000036_0002
berechnet werden. c) Berechnung der notwendigen Höhenkorrektur: Die geometrische Lage der Fokusebene ergibt sich aus dem Arbeitsabstand des Objektivs zuzüglich des Bildebenenversatzes, der durch das Deckglas und die Glycerinschicht verursacht wird, wenn sich der Biochip im Fokus befindet. Die geometrische Position der Biochipoberfläche wurde in Punkt a) berechnet. Wird die Probe um die Differenz der beiden Werte angehoben, dann befindet sich die Biochip-Oberfläche im verschobenen Fokus des Objektivs. Die Gruppen- und Phasenbrechungsindices für das Eindeckglas 137 (Schott D263T Eco) bzw. Glycerin Lösung 143 sind in Figs. 14 bzw. 15 in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Die Werte für die Phasenbrechungsindices 1483 bzw. 1485 sind jeweils kleiner als die Werte der Gruppen-Brechungsindizes 487 und 1489. be calculated. c) Calculation of the necessary height correction: The geometric position of the focal plane results from the working distance of the objective plus the image plane offset caused by the cover glass and the glycerol layer, when the biochip is in the Focus is located. The geometric position of the biochip surface was calculated in point a). If the sample is raised by the difference between the two values, then the biochip surface is in the shifted focus of the objective. The group and phase refractive indices for the cover glass 137 (Schott D263T Eco) and glycerol solution 143 are shown in FIGS. 14 and 15, respectively, as a function of the wavelength. The values for the phase refractive indices 1483 and 1485 are respectively smaller than the values of the group refractive indices 487 and 1489.

Claims

Ansprüche claims
Verfahren zum Abbilden eines innerhalb eines dreidimensionalen Probenbereichs (101) befindlichen Objektes (103), umfassend die folgenden Schritte: a) Ermitteln, zumindest an einem lateralen Punkt (1 19), eines Tiefenprofils (1375) des Probenbereichs (101) mittels optischer Kurzkohärenz- Interferometrie, b) Erkennen eines Peaks (1353) in dem Tiefenprofil, der von einer Reflexion an einem Objektpunkt (120) herrührt, c) Bestimmen einer Optische-Weglänge-Position (1354) des Peaks (1353), welche die optische Weglänge des Objektpunktes (120) von einem Referenzpunkt (136) repräsentiert, d) Berechnen, basierend auf der Optische-Weglänge-Position (1354) und zumindest einer vorbekannten optischen Eigenschaft (n) des Probenbereichs (101), einer Geometrische-Weglänge-Position des Objektpunktes, welche eine geometrische Weglänge (gWI) des Objektpunktes (120) von dem Referenzpunkt (136) repräsentiert, e) Fokussieren eines Mikroskops (111) auf den Objektpunkt (120) basierend auf der geometrische-Weglänge-Position (gWI) zum Abbilden des Objektes (103). Method for imaging an object (103) located within a three-dimensional sample area (101), comprising the following steps: a) determining, at least at a lateral point (1 19), a depth profile (1375) of the sample area (101) by means of optical short-coherence Interferometry, b) detecting a peak (1353) in the depth profile resulting from a reflection at an object point (120), c) determining an optical path length position (1354) of the peak (1353) representing the optical path length of the object point (120) from a reference point (136), d) calculating, based on the optical path length position (1354) and at least one known optical property (s) of the sample area (101), a geometric path length position of the object point, which represents a geometric path length (gWI) of the object point (120) from the reference point (136), e) focusing a microscope (111) on the object point (120) based on the geometri shift path length position (gWI) for imaging the object (103).
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Objekt (103) eine biologische Probe, bevorzugt Zellstruktur und/oder Gewebe und/der Gewebeschnitt mit fluoreszenzmarkiertem Antikörper, auf einem, insbesondere planaren, Biochip umfasst, wobei die biologische Probe bevorzugt wenigstens eines aus der Gruppe umfassend einen Dünnschnitt eines biologischen Gewebes, bevorzugt paraffiniert und/oder formalinfixiert oder als Gefrierschnitt, einen Zellausstrich, Bakterienausstrich, Viren, Protozoen und Parasiten, in Lösung aufgetragene, angetrocknete oder angekoppelte Antigentropfen, sonstige an eine Oberfläche gekoppelte Antigene und beliebige Nukleotidsequenzen umfasst. Method according to claim 1, wherein the object (103) comprises a biological sample, preferably cell structure and / or tissue and / or the tissue section with fluorescently labeled antibody, on a, in particular planar, biochip, wherein the biological sample preferably at least one of the group comprising a thin section of a biological tissue, preferably paraffinized and / or formalin-fixed or frozen section, a cell smear, bacterial smear, viruses, protozoa and parasites, applied in solution, dried or coupled antigen drops, others to a Surface-coupled antigens and any nucleotide sequences.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Erkennen des Peaks ein Registrieren eines Musters (1377, 1379, 1353, 1381) in dem Tiefenprofil (1375) und Zuordnen, bevorzugt anhand relativer Optische-Weglänge-Positionen, von Musterdetails zu vorbekannten Strukturen (139, 141 ,103, 104) in dem Probenbereich ( 01) aufweist. The method of claim 1 or 2, wherein detecting the peak comprises registering a pattern (1377, 1379, 1353, 1381) in the depth profile (1375) and associating, preferably based on relative optical path length positions, pattern details to previously known structures (139 , 141, 103, 104) in the sample area (01).
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Bildebenenversatz (δζ) aus einer Tiefenausdehnung (TA) des Probenbereichs (101 ) bis zum Objektpunkt (120) und einem Brechungsindex (n) berechnet wird und wobei das Fokussieren basierend auf einer Differenz (Δζ) zwischen der Geometrische- Weglänge-Position (gWI) und Bildebenenversatz (δζ) erfolgt. Method according to one of the preceding claims, wherein an image plane offset (δζ) from a depth dimension (TA) of the sample area (101) to the object point (120) and a refractive index (n) is calculated, and wherein the focusing based on a difference (Δζ) between the geometric path length position (gWI) and image plane offset (δζ) takes place.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei der Probenbereich (101 ) bis zum Objektpunkt (120) Teilbereiche (137, 143) umfasst und wobei der Bildebenenversatz (δζ) gemäß
Figure imgf000039_0001
Method according to the preceding claim, wherein the sample area (101) up to the object point (120) comprises partial areas (137, 143) and wherein the image plane offset (δζ) according to
Figure imgf000039_0001
berechnet wird, wobei die d i geometrische Tiefenausdehnungen der jeweiligen Teilbereiche / bis zum Objektpunkt (120) sind und die n{ die Phasen- Brechungsindizes, bevorzugt bei einer Zentralwellenlänge des zum Abbilden mittels des Mikroskops verwendeten Lichts, der jeweiligen Teilbereiche bis zum Objektpunkt sind. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine für die optische Kurzkohärenz-Interferometrie verwendete Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur (105) eine axiale Auflösung von 1 μιη bis 15 μιτι, bevorzugt 3 pm bis 10 μητι, weiter bevorzugt 8 μηη bis 10 μιη hat, wobei die geometrische-Weglänge-Position (gWI) des Objektpunktes (120) mit höherer Genauigkeit, bevorzugt 0,03 μιη bis 1 μηη, weiter bevorzugt 0,1 μπι bis 0,5 μιη, als die axiale Auflösung des Kurzkohärenz- Interferometrie-Apparatur (105) bestimmt wird. where the d i are geometric depth extents of the respective subregions / to the object point (120) and the n { the phase refractive indices, preferably at a central wavelength of the light used for imaging by means of the microscope, of the respective subregions are up to the object point. Method according to one of the preceding claims, wherein a short-coherence interferometry apparatus (105) used for optical short-coherence interferometry has an axial resolution of 1 μm to 15 μm, preferably 3 μm to 10 μm, more preferably 8 μm to 10 μm, wherein the geometric path length position (gWI) of the object point (120) with higher accuracy, preferably 0.03 μιη to 1 μηη, more preferably 0.1 μπι to 0.5 μιη, as the axial resolution of the short-coherence interferometer apparatus (105) is determined.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Abbilden Anregen, von Fluoreszenz eines in dem Objekt (103) umfassten Fluorophors und Erfassen, bevorzugt durch eine Kamera (1 17), des emittierten Fluoreszenzlichtes vom dem Objekt umfasst. A method according to any one of the preceding claims, wherein the imaging comprises exciting, by fluorescence of a fluorophore included in the object (103) and detecting, preferably by a camera (1 17), the emitted fluorescent light from the object.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Probenbereich (101) in einem bis zum Objekt (103) durchstrahlten Bereich ein Eindeckgias (137) und eine Flüssigkeit (143), bevorzugt eine pH-gepufferte Glycerinlösung, umfasst. Method according to one of the preceding claims, wherein the sample area (101) comprises in a region irradiated to the object (103) a Eindeckgias (137) and a liquid (143), preferably a pH-buffered glycerol solution.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Tiefenprofil (1375) neben dem Peak (1353) in einem bis zum Objekt (103) durchstrahlten Bereich einen weiteren Peak (1377), der von einer Oberseite (139) des Eindeckgias (137) herrührt, und noch einen weiteren Peak (1379), der von einer Unterseite (141) des Eindeckglases (137) herrührt, aufweist, wobei der weitere Peak (1377) und der noch weitere Peak (1379) zum Erkennen des Peaks (1353) und/oder der geometrische- Weglänge Position (gWI) des Objekts ( 03) herangezogen werden. A method according to the preceding claim, wherein the depth profile (1375) adjacent to the peak (1353) in an area irradiated to the object (103) has another peak (1377) originating from an upper surface (139) of the Eindeckgias (137), and yet another peak (1379) originating from a bottom surface (141) of the capping glass (137), the further peak (1377) and the still further peak (1379) for detecting the peak (1353) and / or the peak geometric path length position (gWI) of the object (03) are used.
10. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Berechnen der Geometrische-Weglänge-Position (gWI) des Objektpunktes (120) ferner auf einer Optische-Weglänge-Position (1378) des weiteren Peaks (1377), einer Optische-Weglänge-Position (1380) des noch weiteren Peaks (1379), einem Brechungsindex (n(Glas)) des Eindeckglases (137), einer Differenz zwischen der Optische-Weglänge-Position des noch weiteren Peaks (1379) und der Optische-Weglänge-Position des Peaks (1353) und einem Brechungsindex (n(Luft)) der Flüssigkeit (143) basiert. A method according to the preceding claim, wherein calculating the geometric path length position (gWI) of the object point (120) further comprises an optical path length position (1378) of the further peak (1377), an optical path length position (13). 1380) of the still further peak (1379), a refractive index (n (glass)) of the cover glass (137), a difference between the optical path length position of the still further peak (1379) and the optical path length position of the peak (1353) and a refractive index (n (air)) of the liquid (143).
11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei Bestimmen der Optische-Weglänge- Position des Peaks (1353) und/oder des weiteren Peaks (1377) und/oder des noch weiteren Peaks (1379) durch Anpassung einer geeigneten Fitfunktion an ein durch Zeropadding des Interferogramms erzeugtes, überabgetastetes Tiefenprofil (1375) und/oder unter Berücksichtigung eines Maximalsignals und beidseitiger Nachbarsignale des jeweiligen Peaks in dem Tiefenprofil erfolgt, bevorzugt mittels eines Frequency-Estimation-Verfahrens. A method according to claim 9 or 10, wherein determining the optical path length position of the peak (1353) and / or the further peak (1377) and / or the still further peak (1379) by matching a suitable fit function to a by zeropadding of the interferogram generated, over-sampled depth profile (1375) and / or taking into account a maximum signal and bilateral neighboring signals of the respective peak in the depth profile, preferably by means of a frequency-estimation method.
12. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 1 1 , wobei die geometrische-Weglänge-Position (gWI) Z(Obj) des Objektpunktes (120) berechnet wird gemäß: 12. The method according to one of the preceding claims 9 to 1 1, wherein the geometric-path length position (gWI) Z (Obj) of the object point (120) is calculated according to:
Z(Obj) = Z(wP)/n(Luft) + [Z(nwP) - Z(wP)]/n(Glas) + [Z(P) - Z(nwP)]/n(Glycerin), wobei Z (Obj) = Z (wP) / n (air) + [Z (nwP) -Z (wP)] / n (glass) + [Z (P) -Z (nwP)] / n (glycerol), where
Z(wP) die optische-Weglänge-Position (1378) des weiteren Peaks (1377) ist, Z(nwP) die optische-Weglänge-Position (1380) des noch weiteren Peaks (1379) ist, Z(P) die optische-Weglänge-Position (1354) des Peaks (1353) ist,  Z (wP) is the optical path length position (1378) of the further peak (1377), Z (nwP) is the optical path length position (1380) of the still further peak (1379), Z (P) is the optical path length position Path length position (1354) of the peak (1353),
n(Luft) der Gruppen-Brechungsindex von Luft bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist,  n (air) is the group refractive index of air at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry,
n(Glas) der Gruppen-Brechungsindex des Eindeckglases (137) bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist, n(Glycerin) der Gruppen-Brechungsindex der Glycerinlösung (143) bei der Zentralwellenlänge des zur Kurzkohärenz-Interferometrie verwendeten Lichts ist.  n (glass) is the group refractive index of the coverslip (137) at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry, n (glycerol) is the group refractive index of the glycerol solution (143) at the central wavelength of the light used for short-coherence interferometry.
13. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, welches weiter den Schritt umfasst: f) laterales Verfahren des Objektes (103) entlang einer ersten Linie (356) und bevorzugt ferner entlang einer zweiten Linie (358), währenddessen jeweilige geometrische-Weglänge-Positionen einer Mehrzahl, insbesondere zwischen 10 und 30 Objektpunkten (360) jeweils in der ersten und zweiten Linie, von Objektpunkten (360) bestimmt werden. 13. The method according to any one of the preceding claims, further comprising the step: f) lateral movement of the object (103) along a first line (356) and preferably further along a second line (358), during which respective geometric-path length positions of a plurality, in particular between 10 and 30 object points (360) respectively in the first and second line, from object points (360).
14. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei anhand von Positionen der Objektpunkte der ersten Linie eine erste14. The method according to the preceding claim, wherein based on positions of the object points of the first line a first
Geradengleichung bestimmt wird, wobei anhand von Positionen der Objektpunkte der zweiten Linie eine zweite Geradengleichung bestimmt wird, und wobei aus der ersten und der zweiten Geradengleichung eine Normale (N) des Objektes (103,703) berechnet wird und die Normale und eine geometrische- Weglänge-Position des Objektes an einem lateralen Punkt zum Fokussieren des Mikroskops an einem anderen lateralen Punkt herangezogen werden. A straight line equation is determined, wherein a second straight line equation is determined based on positions of the object points of the second line, and wherein from the first and the second straight line equation a normal (N) of the object (103,703) is calculated and the normal and a geometric-path length position of the object at a lateral point for focusing the microscope at another lateral point.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Referenzpunkt (136) einen vorbekannten Abstand (A) entlang eines Mikroskopstrahlenganges von einer Position, bevorzugt eine objektseitig nächste optische Fläche, eines Objektivs (113) des Mikroskops (111) hat, wobei bevorzugt das Objektiv ( 13) ein 20fach bis 40fach vergrößerndes Objektiv ist und das Mikroskop (111 ) bevorzugt eine Tiefenschärfe von zwischen 0,5 pm und 1 ,8 pm hat. Method according to one of the preceding claims, wherein the reference point (136) has a known distance (A) along a microscope beam path from a position, preferably an object-side next optical surface, of an objective (113) of the microscope (111), wherein preferably the objective ( 13) is a 20x to 40x magnifying lens and the microscope (111) preferably has a depth of focus of between 0.5 pm and 1.8 pm.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kurzkohärenz- Interferometrie-Apparatur (105, 205) eine Beleuchtungsquelle (125, 225) zum Beleuchten des Objektes (103) mit Beleuchtungslicht (230), bevorzugt im Nahinfrarotbereich und einen Detektor (130, 230) zum Detektieren von Interferenzlicht, welches durch Interferenz von von dem Objekt reflektiertem Beleuchtungslicht mit Referenzlicht erhalten ist, aufweist, und wobei die Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur (205) bevorzugt ein Gitter (232) zum spektralen Zerlegen des Interferenzlichts aufweist und bevorzugt ausgebildet ist, Tiefenprofile bei einer Messrate von zwischen 1 kHz und 2 kHz aufzunehmen. Method according to one of the preceding claims, wherein the short-coherence interferometry apparatus (105, 205) comprises an illumination source (125, 225) for illuminating the object (103) with illuminating light (230), preferably in the near-infrared region and a detector (130, 230) for detecting interference light obtained by interference of illumination light reflected by the object with reference light, and wherein the short-coherence interferometry apparatus (205) preferably has a grating (232) for spectrally decomposing the interference light and is preferably designed to record depth profiles at a measuring rate of between 1 kHz and 2 kHz.
Messverfahren zum Vermessen einer Mehrzahl von Biochips (345), die auf einem Träger (350) lateral nebeneinander angeordnet sind, umfassend die Schritte: a) schrittweises laterales, bevorzugt mäanderförmiges (354), Verfahren des Trägers (350) relativ zu einem Mikroskop und einer Kurzkohärenz- Interferometrie-Apparatur; b) bei einem Schritt oder kontinuierlich, Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; und A measuring method for measuring a plurality of biochips (345) arranged laterally next to one another on a support (350), comprising the steps: a) stepwise lateral, preferably meandering (354), movement of the support (350) relative to a microscope and a Short-coherence interferometry apparatus; b) in one step or continuously, performing a method according to any one of the preceding claims; and
c) Aufnehmen eines Bildes eines jeweils fokussierten Biochips (345) mittels des Mikroskops (1 1). c) taking an image of a respective focused biochip (345) by means of the microscope (1 1).
Messverfahren gemäß Anspruch 17, wobei während des lateralen Verfahrens des Trägers (350) relativ zu der Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur (105) jeweils für einen Biochip (345) mindestens eine geometrische-Weglänge-Position bestimmt und mit lateraler Positionsinformation assoziiert gespeichert wird und wobei das Verfahren ferner aufweist: nach Bestimmen der geometrische-Weglänge-Positionen (gWI) der Mehrzahl von Biochips (345), lateralen Verfahrens des Trägers (350) relativ zu dem Mikroskop (1 11), Abrufen der gespeicherten geometrische-Weglänge-Position, die mit der momentanen lateralen Position des Mikroskops relativ zu dem Träger assoziiert ist, und Fokussieren auf den Biochip (345) zum Abbilden durch das Mikroskop (1 1 1) basierend auf der abgerufenen geometrische-Weglänge-Position (gWI). The measuring method according to claim 17, wherein during the lateral process of the carrier (350) relative to the short-coherence interferometry apparatus (105), at least one geometric-pathlength position is respectively determined for a biochip (345) and stored associated with lateral position information, and wherein the method further comprises: determining the geometric path length positions (gWI) of the plurality of biochips (345), lateral method of the carrier (350) relative to the microscope (11), Retrieving the stored geometric pathlength position associated with the current lateral position of the microscope relative to the carrier, and focusing on the biochip (345) for imaging by the microscope (11) based on the retrieved geometric path length; Position (gWI).
Optikvorrichtung (100) zum Abbilden eines innerhalb eines dreidimensionalen Probenbereichs (101) befindlichen Objektes (103), wobei die Optikvorrichtung umfasst: eine Kurzkohärenz-Interferometrie-Apparatur (105), welche ausgebildet ist, zumindest an einem lateralen Punkt (119) ein Tiefenprofil (1375) des Probenbereichs (101) mittels optischer Kurzkohärenz-Interferometrie zu ermitteln; einen Prozessor (107), der ausgebildet ist, einen Peak (1353) in dem Tiefenprofil (1375), der von einer Reflexion an einem Objektpunkt (120) herrührt, zu erkennen, eine optische-Weglänge-Position (1354) des Peaks (1353), welche die optische Weglänge des Objektpunktes von einem Referenzpunkt (136) repräsentiert, zu bestimmen, basierend auf der optische-Weglänge-Position (1354) und zumindest einer vorbekannten optischen Eigenschaft (n(Glas), n(Glycerin)) des Probenbereichs (101), eine geometrische-Weglänge-Position (gWI) des Objektpunktes (120), welche eine geometrische Weglänge des Objektpunktes (120) von dem Referenzpunkt (136) repräsentiert, zu berechnen; und einen Aktuator (109), welcher ausgebildet ist, ein Mikroskop (11 ) auf den Objektpunkt (120) basierend auf der geometrische-Weglänge-Position (gWI) zum Abbilden des Objektes (103) zu fokussieren. An optical device (100) for imaging an object (103) located within a three-dimensional sample area (101), the optical device comprising: a short-coherence interferometry apparatus (105) which is designed to have a depth profile (at least at one lateral point (119)) 1375) of the sample area (101) by means of optical short-coherence interferometry; a processor (107) configured to detect a peak (1353) in the depth profile (1375) resulting from a reflection at an object point (120), an optical path length position (1354) of the peak (1353 ), which represents the optical path length of the object point from a reference point (136), based on the optical path length position (1354) and at least one known optical property (n (glass), n (glycerin)) of the sample area ( 101), a geometric path length position (gWI) of the object point (120) representing a geometric path length of the object point (120) from the reference point (136); and an actuator (109) configured to focus a microscope (11) on the object point (120) based on the geometric path length position (gWI) to image the object (103).
Optikvorrichtung gemäß Anspruch 19, ferner aufweisend eine Steuerung (155), welche mit dem Prozessor (107) und dem Aktuator (109) gekoppelt ist, um den Aktuator in Antwort auf ein Ausgabesignal des Prozessors zum Fokussieren zu treiben, um bevorzugt ein Objektiv (113) entlang einer Tiefenrichtung (123, z) zu verfahren. The optical device of claim 19, further comprising a controller (155) coupled to the processor (107) and the actuator (109) for driving the processor Actuator in response to an output signal of the processor for focusing to drive preferably a lens (113) along a depth direction (123, z) to proceed.
21. Optikvorrichtung gemäß Anspruch 19 oder 20, ferner aufweisend eine lateral verfahrbare Probenhalterung (157), welche bevorzugt von der Steuerung (155) oder dem Prozessor (107) zum lateralen Verfahren gesteuert wird. The optical device according to claim 19 or 20, further comprising a laterally movable sample holder (157), which is preferably controlled by the controller (155) or the processor (107) for lateral processing.
22. Optikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21 , welche ferner einen Speicher (151) zum Speichern von geometrische-Weglänge-Positionen einer Mehrzahl von Objektpunkten (360) aufweist. The optical device according to one of claims 19 to 21, further comprising a memory (151) for storing geometric-path length positions of a plurality of object points (360).
23. Optikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, welche ferner ein Objektiv zum Abbilden des Objektes (103) aufweist, wobei das Objektiv insbesondere eine Deckglas-Korrektur-Vorrichtung aufweist, die ausgebildet ist, Bildfehler, insbesondere sphärische Aberration, bei der Abbildung von Objektpunkten aufgrund der Kenntnis von Lage, Dicke und Brechungsindex der Teilbereiche zu korrigieren, wobei der Bildebenenversatz insbesondere durch The optical device according to one of claims 19 to 22, further comprising an objective for imaging the object (103), wherein the objective comprises, in particular, a cover glass correction device which is adapted to image aberrations, in particular spherical aberration, in the imaging of Object points due to the knowledge of position, thickness and refractive index of the sub-areas to correct, the image plane offset in particular by
Figure imgf000045_0001
berechnet wird, wobei die 1 geometrische Tiefenausdehnungen der jeweiligen
Figure imgf000045_0001
is calculated, wherein the 1 geometric depth expansions of the respective
Teilbereiche i bis zum Objektpunkt (120) sind und die η' die Phasen- Brechungsindizes, bevorzugt bei einer Zentralwellenlänge des zum Abbilden mittels des Mikroskops verwendeten Lichts, der jeweiligen Teilbereiche bis zum Objektpunkt sind und wobei α der Winkel des Strahlengangs zur optischen Achse des Mikroskop-Objektivs ist. Are partial regions i to the object point (120) and the η 'are the phase refractive indices, preferably at a central wavelength of the light used for imaging by means of the microscope, of the respective partial regions up to the object point and where α is the angle of the optical path to the optical axis of the microscope Is objective.
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