DE102012013163A1

DE102012013163A1 - Mikroskop und Verfahren zur SPIM Mikroskopie

Info

Publication number: DE102012013163A1
Application number: DE201210013163
Authority: DE
Inventors: Jörg Siebenmorgen; Wolfgang Singer; Tiemo Anhut; Ralf Wolleschensky
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: CN107402442A; CN104428706A; CN107402442B; US20150168732A1; JP6282641B2; WO2014005682A3; WO2014005682A2; EP2867715A2; US10698225B2; JP2015527604A; EP2867715B1; CN104428706B; DE102012013163B4

Abstract

Mikroskop, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, bestehend aus – einer Beleuchtungseinrichtung, umfassend eine Beleuchtungslichtquelle (3) und einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung der Probe (1) mit einem Lichtblatt, – einer Detektierungseinrichtung zur Detektierung von Licht, das von der Probe (1) abgestrahlt wird, – einer Abbildungsoptik, die die Probe (1) über ein Abbildungsobjektiv (7) in einem Abbildungsstrahlengang mindestens teilweise auf die Detektierungseinrichtung abbildet, – wobei das Lichtblatt im Fokus des Abbildungsobjektivs (7) oder einer definierten Ebene in der Nähe des geometrischen Fokus des Abbildungsobjektivs im Wesentlichen eben ist und wobei das Abbildungsobjektiv (7) eine optische Achse aufweist, die die Ebene des Lichtblattes in einem von Null verschiedenen Winkel, bevorzugt senkrecht schneidet, – wobei ein Amplituden- und/oder Phasenfilter im Beleuchtungsstrahlengang vorgesehen ist, der als Sinc Raumfilter wirkt indem er in mindestens einer Raumrichtung das Beleuchtungslicht durch Filterung der auftretenden Raumfrequenzen mit einer sinc Funktion limitiert – und/oder das Beleuchtungslicht bezüglich seiner Phase und Amplitude in mindestens einer Raumrichtung durch eine sinc Filterfunktion limitiert wird – und/oder ein kombinierter Amplituden- und Phasenfilter im Beleuchtungsstrahlengang vorgesehen ist, der eine Formung des Lichtblattes durch Beeinflussung des Transsmissionsverlaufes der Beleuchtungslichtverteilung mit einer sinc Filterfunktion vornimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskop, welches ein Abbildungsobjektiv zur Abbildung einer Probe auf einen Detektor sowie Mittel zur Beleuchtung der Probe mit einem Lichtblatt in der Fokusebene des Abbildungsobjektivs bzw. in einer definierten Ebene in der Nähe der dieser Fokusebene umfasst. Die Mittel zur Beleuchtung umfassen eine kohärentes Licht abstrahlende Beleuchtungsquelle.
Ein Mikroskop, bei dem Beleuchtungsstrahlengang und Detektionsstrahlengang im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, und bei der die Probe mit einem Lichtblatt in der Fokusebene des Abbildungsobjektivs, d. h. senkrecht zu dessen optischer Achse, beleuchtet wird, ist für die Untersuchung von Proben nach dem Verfahren der Selective-Plane-Illumination-Microscopy (SPIM) ausgelegt. Im Unterschied zur konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie (LSM), bei der eine dreidimensionale Probe in einzelnen, unterschiedlich tiefen Ebenen Punkt für Punkt abgetastet wird und die dabei gewonnenen Bildinformationen nachfolgend zu einer dreidimensionalen Abbildung der Probe zusammengesetzt werden, beruht die SPIM-Technologie auf der Weitfeldmikroskopie und ermöglicht die bildliche Darstellung der Probe auf der Grundlage von optischen Schnitten durch einzelne Ebenen der Probe.
Die Vorteile der SPIM-Technologie bestehen unter anderem in der größeren Geschwindigkeit, mit der die Erfassung der Bildinformationen erfolgt, der geringeren Gefahr des Ausbleichens von biologischen Proben sowie einer erweiterten Eindringtiefe des Fokus in die Probe.
Prinzipiell werden bei der SPIM-Technologie Fluorophore, die in der Probe enthalten sind oder in diese eingebracht werden, mit Laserlicht angeregt, welches zu einem sogenannten Lichtblatt geformt ist. Mit dem Lichtblatt wird jeweils eine ausgewählte Ebene in der Tiefe der Probe beleuchtet und mit einer Abbildungsoptik ein Bild dieser Probenebene in Form eines optischen Schnitts gewonnen. Im Wesentlichen äquivalent zu einer solchen Anregung mit einem statischen Lichtblatt ist die schnelle Hin- und Herbewegung eines dünnen, rotationssymmetrischen Laserstrahls in der Fokusebene des Abbildungsobjektivs. Effektiv, d. h. im zeitlichen Mittel über den Zeitraum der Beobachtung, ergibt sich somit die Form eines Lichtblatts.
Die SPIM-Technologie ist beispielsweise beschrieben in Stelzer et al., Optics Letters 31, 1477 (2006), in Stelzer et al., Science 305, 1007 (2004), in der DE 102 57 423 A1 und in der WO2004/0530558 A1 .
In 1 ist zunächst der grundsätzliche Aufbau eines SPIM-Mikroskops dargestellt. Das Licht einer Beleuchtungsquelle 1 wird über eine Beleuchtungsoptik 2 zu einem Lichtblatt geformt und auf eine Probe 3 gelenkt. Probe und Lichtblatt befinden sich in der Fokusebene eines Abbildungsobjektivs 4. Die optische Achse des Abbildungsobjektivs 4 steht senkrecht zu der Richtung, aus der die Probe 3 beleuchtet wird. Die Beleuchtungsoptik 2 umfasst in der Regel mehrere optische Elemente, die das kohärente Licht der Beleuchtungsquelle 1 kollimieren und daraus ein Lichtblatt formen. Im Stand der Technik umfasst die Beleuchtungsoptik 2 in der Regel auch eine Zylinderlinse, deren flache Seite zur Probe weist und deren gewölbte Seite in Richtung der Beleuchtungsquelle weist. Im Folgenden sollen mehrere Beispiele für Beleuchtungsoptiken 2 erläutert werden, mit denen die Erzeugung eines Lichtblatts mit erhöhter Schärfentiefe und verringertem Schattenwurf gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen möglich ist.
Problemstellung:
Gewünscht ist eine Lichtverteilung (das Lichtblatt), die in einer Richtung (der y-Richtung) weniger als 1 μm ausgedehnt ist, jedoch in den beiden anderen Richtungen so weit ausgedehnt ist als möglich, wobei sich in y-Richtung kein Licht oberhalb und unterhalb des Lichtblatts befinden soll. Dieses Licht oberhalb und unterhalb des Lichtblatts würde die Messung aus der Beobachtungsrichtung (y-Richtung) stören.
Bisher bekannte Lösungen sind:

a) Interferenzmuster können in y-Richtung dünn sein und im Prinzip theoretisch in x- und z-Richtung unendlich ausgedehnt, jedoch setzen sie sich in y periodisch fort, so dass sich sehr viel Licht außerhalb des Lichtblatts befindet
b) Besselstrahlen ( DE 10 2007 063 274 A1 ) können theoretisch in z-Richtung unendlich ausgedehnt sein, in y haben sie den gewünschten Durchmesser, jedoch ist erneut sehr viel Leistung in y-Richtung außerhalb des Strahls; scannt man einen Besselstrahl in x-Richtung, erhält man zwar ein Lichtblatt, jedoch mit sehr viel Lichtleistung oberhalb und unterhalb der gewünschten Ebene.
c) Linienfokus mit Zylinderlinse: Mit einer Zylinderlinse kann ein Fokus in x-Richtung erzeugt werden; scannt man durch Defokussierung den Strahl in z-Richtung, so kann man ebenso ein Lichtblatt realisieren.

Eine Zylinderlinse formt aus dem einfallenden kollimierten Laserstrahl einen Linienfokus in x-Richtung (im Abstand f hinter der Zylinderlinse). Dieser kann in z-Richtung verschoben werden (Defokus, realisierbar z. B. durch Änderung der Brennweite f durch eine verschiebbare Linsen oder einen SLM). Dieser Linienfokus hat allerdings eine sehr geringe Ausdehnung in z-Richtung (DOF ~ λ/NA², DOF = Depth of Focus), wobei die Ausdehnung immer geringer wird, je dünner der Linienfokus in y-Richtung wird.

Beispiel: NA = 0.5 → bei λ = 0.488 μm folgt DOF ~ λ/NA² ~ 2 μm.
Nachteil der oben genannten Lösungen sind die geringen Ausdehnungen der Einzelstrahlen bzw. die Erfordernis, den Strahl scannen zu müssen. Weiterhin befindet sich beim Bessel-Strahl in y-Richtung und beim x-Linienfokus in z-Richtung sehr viel Licht, welches die Probe bleichen kann. Weiteres Ziel ist es daher, die Ausdehnungen der Lichtfoki zu vergrößern.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche charakterisiert. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Patentansprüche sind ausdrücklich in die Offenbarung der Erfindung eingeschlossen. Die Erfindung betrifft sowohl ein Mikroskop zur „SPIM” Mikroskopie als auch ein zugehöriges mikroskopisches Verfahren sowie ein Betriebsverfahren für ein Mikroskop sowie die in den Patentansprüchen aufgeführten vorteilhaften Verwendungen von Sinc Filtern und Mathieustrahlen für die SPIM Mikroskopie.
Hierzu wird erfindungsgemäß folgendes vorgeschlagen:
Eine in z-Richtung ausbreitungsinvariante bzw. wohldefinierte Verteilung wird dadurch erhalten, dass man die z-Komponente im Frequenzspektrum des Lichts limitiert. Jede z-Komponente erfährt durch „Ausbreitung” eine andere Phasenverschiebung, weshalb es vorteilhaft ist, die z-Komponenten des Frequenzspektrums mit einer Filterfunktion zu beschränken. Es wird insbesondere vorgeschlagen, als Filterfunktion in z-Richtung eine Sinc(z)-Funktion zu verwenden.
Andere Funktionen sind prinzipiell auch denkbar wie eine Sinc(z)^2Funktion, jedoch bietet die Sinc-Funktion den besonderen Vorteil, ein (idealisiert) konstantes Profil in z zu ermöglichen. Eine genaue Filterfunktion kann natürlich weiter optimiert werden, die Sinc-Funktion soll insofern hier als besonders vorteilhaft genannt sein für Funktionen, die in z-Richtung über einen größeren Bereich ein näherungsweise konstantes Strahlprofil auf der Achse ermöglichen.
Die Ausdehnung eines Linienfokus kann also erfindungsgemäß in z-Richtung durch einen Sinc(z)-Filter vor der Zylinderlinse vergrößert werden. Der Sinc(z)-Filter wird hierzu in die y-Richtung umtransformiert und als Filter in y-Richtung realisiert. Hierzu ist allerdings ein relativ komplex aufgebauter Filter erforderlich, da die Sinc-Funktion ja positive und negative Werte hat. Ein reiner Amplitudenfilter kann nur positive Werte für die Transmission annehmen. Ein negativer Wert der Transmission des Filters entspricht einer Phasenverschiebung um λ/2. Mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung von z. B. λ/2 können jedoch auch negative Werte für die Transmission realisiert werden. In x-Richtung kann die Filterfunktion konstant sein.
Die zeigt ein solches Beispiel für den theoretisch idealen Transmissionsverlauf eines komplexen Filters. Dargestellt ist schematisch ein kollimierter Laserstrahl LK der durch einen in der Pupille einer verwendeten Optik angeordneten Raumfilter F hindurchtritt und von diesem in Amplitude und Phase beeinflusst wird. Die entsprechende räumliche Lichtverteilung ist als modulierter Laserstrahl ML schematisch dargestellt. Hier ist zunächst ein Raumfrequenzfilter sinc(ν_z) aufgeprägt. Eine Zylinderlinse ZL und das erzeugte Lichtblatt LB folgen in Beleuchtungsrichtung. Der sinc(ν_z) entspricht vorteilhaft einem über die Ewald'sche Gleichung in die ν_y-Richtung umskalierten Sinc mit Null-Position bei ν_y = 0 (on axis). Der somit auf die y-Achse projizierte Sinc(ν_z) sorgt für die Ausdehnung in z-Richtung. Der in die ν_y-Achse projizierte Sinc(ν_z) limitiert das Strahlprofil allerdings noch nicht ideal in y-Richtung. Überlagert ist der in die y-Richtung projizierte sinc(ν_z) daher beispielsweise mit einem sinc(ν_y) (durch Multiplikation); dieser sinc(ν_y) sorgt dafür, dass das Lichtblatt in y-Richtung begrenzt ist, während der in die ν_y-Achse projizierte Sinc(ν_z) dafür sorgt, dass das Lichtblatt über eine bestimmte z-Entfernung konstant bleibt.
Beide Sinc-Funktionen beeinflussen sich; eine kleine y-Ausdehnung erfordert einen ausgedehnten sinc(ν_y), der – wie im Beispiel gezeigt – etwa dem projizierten sinc(ν_z) entsprechen sollte. Im Beispiel kann somit eine DOF ~ 8 μm erreicht werden. Weitere Beispiele sind auf den folgenden Seiten aufgeführt.
In einem weiteren Beispiel kann das Lichtblatt statt mit einer zylindrischen Optik, die im Wesentlichen entlang der x-Achse konstant ausgebildet ist, auch mit einer gewöhnlichen rotationssymmetrischen Optik mit beispielsweise sphärischen Flächen ausgeführt werden. Die Filterfunktion in z-Richtung (Sinc(ν_z)) wird als rotationssymmetrische Funktion dann in die x-y Ebene projiziert und mit einer oder zwei weiteren Filterfunktionen in x und y multipliziert, um die gewünschte Begrenzung in y und die gewünschte Ausdehnung in x und z zu erhalten, also beispielsweise mit einer sehr breiten sinc(ν_y)-funktion in y-Richtung für das dünne Lichtblatt in y-Richtung und eine sehr schmale sinc(ν_x)-funktion in x-Richtung für die große Ausdehnung in x-Richtung. In 3 ist in einem Querschnitt entlang einer Y/Z Schnittfläche entlang der Y Achse von 2 eine aus drei Filterfunktionen (x, y, z) überlagerte Amplitudenverteilung A beispielhaft dargestellt.
Auf diese Weise ist es überraschend möglich, auch ohne Verwendung einer anamorphotischen Optik wie der dargestellten Zylinderlinse einen ausgedehnten Linienfokus mit einer Fokuslänge von 10 μm in z-Richtung bei einer Dicke von etwa 1 μm in y (Wellenlänge 0.488 μm) zu realisieren (100 μm × 10 μm × 1 μm X × Z × Y).
Ferner kann man ein Lichtblatt mit 100 μm × 100 μm × 4 μm (Breite x mal Tiefe z mal Dicke in y) realisieren.
Auf der Achse (Winkel Null) liegen die Sinc-Funktionen einfach übereinander und „zerstören” sich gegenseitig, d. h. es dominiert immer die jeweilige Sinc-Funktion mit der kleineren Breite (siehe auch 3).
Um die Sinc-Funktionen voneinander zu trennen, d. h. möglichst viel Frequenzinformation zu übertragen, kann man den Filter außeraxial in einer Objektivpupille anlegen, ideal bei einer möglichst großen Apertur (z. B. bei NA = 0.85 bei einer Objektiv-NA = 1). Somit ist überraschend ein Lichtblatt noch geringerer Dicke möglich, beispielsweise 100 μm × 100 μm × 2 μm (x mal z mal y). Allgemein kann der Nullpunkt der Sinc-Funktionen in der Pupille der Beleuchtungsoptik frei gewählt werden.
Kleinere Lichtblätter mit Durchmesser in y von 1 μm sind ebenfalls möglich (z. B. 10 μm × 100 μm × 1 μm X × Z × Y bei einer Wellenlänge von 0.5 μm). Insbesondere können mit dem neuen Filter Lichtblätter mit großen lateralen Ausdehnungen bei gleichzeitiger geringer Dicke in y-Richtung und in y-Richtung wenig Licht außerhalb des Lichtblattes erzeugt werden, die deutlich besser als die aus dem Stand der Technik bekannten Lichtblätter sind, beispielsweise mindestens einen Faktor zwei größere Abmessung in x oder z aufweisen als Gauss-Strahlen, oder mindestens einen Faktor 10 weniger Lichtintensität in y-Richtung außerhalb des Lichtblattes als ein Besselstrahl oder ein Zweistrahl-Interferenzmuster aufweisen.
Die Lichtblätter können auch sowohl in z-Richtung als auch in x-Richtung verlaufen (je nach Position der Filter in der Pupille). Das macht die Anordnung besonders flexibel.
Die Lichtblätter können mit einer Phasenfunktion moduliert werden, um sie in x, y, und z-Richtung zu verschieben (Fokus oder Shift). Damit können die Lichtblätter z. B. auch mit einem SLM (Spatial Light Modulator) durch den Raum bewegt (gescannt) werden. Dieser SLM würde allein oder im Zusammenwirken mit einem Amplitudenfilter eingesetzt werden und eine Verschiebung des Lichtblattes, beispielsweise in y-Richtung, bewirken. Damit ist ein konfokales Scannen durch die Probe mit dem Beobachtungsstrahl z. B. aus y-Richtung möglich.
Es können weiterhin mehrere Sinc^3-Filter und somit Lichtblätter nebeneinander oder übereinander angeordnet werden. Somit kann die Lichtblattfläche vergrößert werden oder z. B. für STED eine zusätzliche Abregung am Rand einer Anregungsregion stimuliert werden.
Die Lichtblätter können moduliert (strukturiert) werden, indem man z. B. zwei Sinc^3-Filter in der Pupille ohne Defokus oder Phasenverschiebung einbringt. Damit kann die Modulationsfrequenz frei eingestellt werden. Das entstehende Interferenzfeld kann für SIM (ZEISS Elyra S.1) oder ähnliche Verfahren mit strukturierter Beleuchtung genutzt werden. Die Lichtblattdicke kann weiter verringert werden (z. B. 0.7 μm), wobei die Ausdehnung des Lichtblatts geringer wird. Mathematische Formeln und Definitionen:
In den nachstehenden Darstellungen gemäß 4 ist rechts oben und links oben jeweils eine erzeugte sinc(ν_z) Funktion entlang der Z Achse mit unterschiedlich gelegtem Maximum dargestellt. Es wird deutlich dass sich bei mittiger Anordnung des Maximums ein besseres Z Profil ergibt. Untern links ist beispielhaft Sinc(ν_z) mit ν_x = 0.5 NA / λ (λ = 0.488) (linkes Bild, ν_z-Achse nach rechts) dargestellt und derselbe Sinc(ν_z)-Filter unten rechts projiziert in transversale Koordinaten nach der Ewald'schen Gleichung (rechtes Bild); dieser Verlauf entspricht dem Komplexen Filter in der Pupille, den man einsetzen muss, um den entsprechenden stückweise konstanten Verlauf in z-Richtung zu erhalten.
Diese erfindungsgemäße Umskalierung (Umtransformierung oder Projektion) der sinc(ν_z) Funktion nach der Ewald'schen Gleichung in y Richtung ist überraschend besonders vorteilhaft.
Die Darstellung in 5 zeigt jeweils zunächst oben links einen Sinc(ν_z)-Filter als komplexen. Filter in der Pupille als Schnittbild mit seitlichen Hauptmaxima wie in 4 unten rechts dargestellt Oben Mitte ist einen Schnitt durch die x-y-Ebene an einer idealen Fokusposition (z = 0) einer Linse (eines Objektives), in deren Pupille der Sinc(z)-Filter angeordnet ist (Point Spread Function PSF des Systems mit Filter) dargestellt, (in logarithmischer Skalierung) und oben rechts der y-z-Verlauf (mit z: entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts). In der unteren Reihe sind von links nach rechts die obigen Elemente in linearer Skalierung dargestellt, die einer tatsächlichen Lichtverteilung auf der rechten Seite entspricht:
Unten links: Schnitt durch x-y-Ebene (z = 0) – PSF in linearer Skalierung
Unten Mitte: x-z-Verlauf
Unten rechts: y-z-Verlauf, lineare Skalierung, Zoom auf linken Bereich der „Lichtnadel”. Deutlich wird dass vorteilhaft über einen ausreichend langen Z-Verlauf ein konstant in Richtung stark begrenzter Strahlverlauf erreicht werden kann.
Genereller Sinc^3-Filter

arg_x = π[ν_x – rν_x]/Δ_x
arg- = π[ν_y – rν_y]/Δ_y

Complex Filter:
Die Darstellung in 6 zeigt beispielhaft oben eine einseitige off Axis Funktion in der Pupille gemäß der Erfindung in logarithmischer bzw. linearer Skalierung (links oben und unten), die Beleuchtungssituation im Fokus in X-Y Richtung (Mitte oben) sowie XZ Richtung (Mitte unten) sowie die y/Z Verteilung des Lichtes in logarithmischer (rechts oben) sowie linearer Skalierung (rechts unten). In 7 ist ausschnitthaft ein Beispiel einer aufgeprägten asymmetrischen und einseitigen sinc Funktion FSinc in der Pupille erkennbar
Fig. 8: Allgemeine Realisierung (beispielhaft):
Der oben beschriebene komplexe Filter kann durch einen einfachen komplexen Filter in der Pupille realisiert werden (entsprechend F(ν_x, ν_x)); dann erhält man allerdings eine sehr geringe Transmission, da fast überall F(ν_x, ν_x) = 0 ist.
Alternativ kann man mit zwei Filtern eine sehr hohe Transmission erreichen. Der Erste Filter 1 ist so ausgelegt, dass er in der Pupille die gewünschte Intensität erzeugt, die der Amplitude des Filters entspricht. Der Filter 1 kann z. B. als CGH (computer generated hologram) ausgelegt und nach bekannten Methoden einfach berechnet und hergestellt werden. Der zweite Filter ist dann (wie unten schematisch angedeutet) ein reines Phasenelement, welches die negativen Werte der Transmission des Komplexen Filters durch einfache Phasensprünge um λ/2 erzeugt.
Die Filter können für einen kollimierten oder jeden beliebigen anderen einfallenden kohärenten Laserstrahl ausgelegt werden. Im Beispiel in 8 ist ein Teil der Brechkraft aus dem ersten Filter in den Kollimator (Beam Shaping Telescope) verlagert.
Die Darstellung in 8 zeigt in a) einen schematischen Schnitt entlang der Y/Z Ebene und in b) entlang eines X/Z Ebene. Nach einem Element zur Strahlformung (Teleskop TL) folgt in Beleuchtungsrichtung eine Kombination aus einem ersten Filter F1, der ein Amplitudenfilter sein kann und einem zweiten Filter F2 als Phasenfilter, wobei vorteilhaft der zweite Filter F2 in der Eintrittspupille einer Optik O angeordnet ist. Bei der Optik O kann es sich um ein normales Objektiv handeln. F1 und F2 können auch beides Phasenfilter sein. Sie erzeugen zusammen eine Lichtverteilung in der Eintrittspupille, die einer dreidimensionalen (X, Y, Z) sinc Funktion als Raumfilterfunktion für die nach dem Lichtdurchgang durch die Optik O entstehende Lichtverteilung entspricht. Durch diese komplexe Filterfunktion entsteht eine in Z Richtung ausgedehnte flächiger Lichtverteilung LV mit in Y Richtung (senkrecht zur Lichtfläche vorteilhaft sehr geringer Ausdehnung unterhalb eines Bereiches von 5 Mikrometer (sogar bis zu unter 2 Mikrometer!)
Zur Realisierung und Herstellung der obengenannten Filterkombinationen sei ergänzend und beispielhaft auf folgende Literatur verwiesen:
„Iterative design of a holographic beamformer", Eismann, Tai, Cederquist, Applied Optics Vol. 28, No. 13, 1. July 1989.
Mathieustrahlen
In WO2004/053558 (A1) ist neben einer flächigen Beleuchtung durch ein Lichtblatt beschrieben worden, dass ein Lichtblatt durch die scannende Bewegung eines „linienartigen” Punktlichtstrahls (dort 7) erzeugt werden kann. Hierbei kann eine Relativbewegung zwischen Probe und Beleuchtung durch Bewegung der Probe oder des Lichtstrahles zur Erzeugung eines flächigen Beleuchtungsbereiches erfolgen.
An sich ist die Verwendung vom Mathieustrahlen zur Formung von Beleuchtungsstrahlen eines Barcodescanners aus US2003/0189097 A1 bekannt.
Mathieu-Strahlen sind in z-Richtung nahezu propagationsinvariant; ihr Strahlprofil in der xy-Ebene ist nahezu unabhängig von der z-Position. In z-Richtung ist ein Linienfokus mit ca. 1 μm Ausdehnung in y-Richtung möglich. In y-Richtung divergiert der Strahl zwar, dies kann aber unterdrückt werden. Daher kann mit einem Mathieu-Strahl durch Scannen in x-Richtung überraschend ein SPIM Lichtblatt realisiert werden, da sich in Beobachtungsrichtung (y-Richtung) kein störendes Licht innerhalb der Apertur des Beobachtungsstrahls befindet.
Im Frequenzbereich besteht der Mathieu-Strahl aus zwei gegenüberliegenden Frequenzbeiträgen; dies führt zu einer hochfrequenten Modulation des Strahls in x-Richtung. Diese Modulation kann vorteilhaft unterdrückt werden, indem man einen der beiden Frequenzbeiträge blockt, z. B. eine Hälfte der Pupille abblendet bzw. nur eine Hälfte des Mathieu-Spektrums erzeugt. Zu den physikalischen Grundlagen wird auf „Experimental demonstration of optical Mathieu beams", Optics Communications 195(2001), 35–40 verwiesen:
Nachstehend werden vorteilhafte optische Anordnungen zur Erzeugung von in einer Richtung stark begrenzter Mathieustrahlen beschrieben, wie sie bei der o. g. SPIM Anwendung besonders vorteilhaft Verwendung finden könnten.
In 9a) und b) ist jeweils die Erzeugung eines Mathieustrahls MS aus einem gaußförmigen Laserstrahl LS entlang einer optischen Beleuchtungsachse z schematisch in einem Seitenschnitt in der Z Ebene dargestellt.
9c) zeigt die Beleuchtungsverhältnisse in der vorderen Fokalebene einer Linsenanordnung L, in der eine Ringblende RB angeordnet ist. Die Ringblende muss zur Erzeugung eines Mathieustrahls mit einem elliptischen Gaußstrahl beleuchtet werden. Eine Vorteilhafte Methode, um diese Lichtverteilung zu erzeugen ist in 9a) dargestellt. Die Zylinderlinsenanordnung aus zwei geeigneten Zylinderlinsen ZL1, ZL2 erzeugt hierbei die notwendige elliptische Beleuchtungsverteilung. Beim Durchtritt durch die Ringblende wird die Ring blende nur teilweise von der Beleuchtungsverteilung erfasst und es entstehen zwei symmetrisch halbkreisförmige Anteile R1, R1 in der Pupillenebene, die im weiteren Verlauf nach der Linsenanordnung einen y-begrenzten Mathieustrahl erzeugt.
Blendet man einen der beiden Anteile R1 oder R2 aus, z. B. durch teilweises Schließen der Ringblende, so kann ein in y-Richtung begrenzter Strahl erzeugt werden, der im Gegensatz zum Mathieustrahl keine periodische Struktur aufweist.
Prinzipiell ist es natürlich denkbar statt eines elliptischen Strahlquerschnittes die Ringblende oben und unten abgedeckt zu gestalten um die zwei halbkreisförmigen Bereiche gemäß 9c zu erzeugen.
In 9b ist anstelle einer Strahlformung mit Zylinderlinsen ein flächiger Lichtmodulator wie ein „Spatial Light Modulator” (SLM) nach dem gaußförmigen Laserstrahl angeordnet, der nur die benötigten Bereiche der Ringblende mit Licht beaufschlagen könnte um wiederum wie in 9a einen Mathieustrahl zu erzeugen.
Prinzipiell könnte aber auch der SLM in der vorderen Brennebene anstelle der Ringblende angeordnet sein und nur die Teilringbereiche, wie in 9c) dargestellt, freigeben.
In 10a)–c) wird der Mathieustrahl durch ein Axicon AX erzeugt, das einer Zylinderlinsenanordnung (10a), einem Intensitätsmodulator IM (10b) beziehungsweise einer Kombination aus Zylinderlinsenanordnung und Intensitätsmodulator (10c) nachgeordnet ist.
Durch die Zylinderlinsenanordnung wird wiederum eine elliptische Lichtverteilung erzeugt, so dass am Axicon keine ringförmige Lichtverteilung anliegt und damit keine Besselstrahlen sondern Mathieustrahlen erzeugt werden.
In 10b übernimmt analog zu 9b wiederum ein Intensitätsmodulator IM diese Strahlformung.
Hier ist der Vorteil, dass durch eine Intensitätsbeeinflussung, die eine radial skalierte elliptische gaußförmige Intensitätsverteilung auf dem Axicon erzeugt, eine Vermischung aus Besselstrahlen und Mathieustrahlen vermieden werden kann.
In 10a–c rechts ist die zu den links nebenstehenden Abbildungen auf dem Axicon ankommende Intensitätsverteilung dargestellt, jeweils links mit einer elliptischen Gaußverteilung und in b) und c) auf der rechten Seite mit einer durch den Lichtmodulator erzeugten radial skalierten elliptischen Gaußverteilung.
Es wird durch IM jeweils ein Mittenbereich der Beleuchtungsverteilung zusätzlich blockiert, wie dargestellt, und nur in den Seitenbereichen eine radial skalierte elliptische Verteilung erzeugt.
Ohne Einschränkung durch die Darstellungen kann durch den IM, SLM oder eine geeignete anamorphotische Optik eine weitere Optimierung der Strahlformung erfolgen.
Weitere Möglichkeiten, einen Mathieustrahl zu erzeugen, bestehen darin, in die vordere Brennebene der Linse L ein Hologramm oder ein diffraktives Element einzubringen und dies mit einem Laser zu beleuchten. Bei Verwendung eines diffraktiven Elements oder eines SLMs kann zusätzlich auch auf die Linse L verzichtet werden.
Der Mathieustrahl weist eine hochfrequente Intensitätsmodulation in x-Richtung auf. Somit kann der Strahl genutzt werden, um die axiale Auflösung durch strukturierte Beleuchtung zu erhöhen. Hierbei werden 3 Fluoreszenzbilder der Probe bei einem statischen Mathieustrahl erzeugt, wobei der Strahl bei jedem Bild um jeweils eine Phase von 120° in x-Richtung verschoben wird. Die drei Bilder werden verrechnet, um so ein resultierendes Bild mit erhöhtem Sectioning zu erhalten. In 11 ist beispielhaft die Beleuchtungsverteilung des erzeugten Mathieustrahles in der XY Ebene an einer Stelle z0 in der optischen Achse bzw. in der XZ Ebene in einem Schnitt entlang der optischen Achse z dargestellt. Deutlich wird eine vorteilhafte Begrenzung des Strahlprofiles in Y Richtung.
Die X Richtung würde der Scanrichtung zur Erzeugung der flächigen Lichtverteilung entsprechen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10257423 A1 [0005]
WO 2004/0530558 A1 [0005]
DE 102007063274 A1 [0008]
WO 2004/053558 A1 [0036]
US 2003/0189097 A1 [0037]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Stelzer et al., Optics Letters 31, 1477 (2006) [0005]
Stelzer et al., Science 305, 1007 (2004) [0005]
„Iterative design of a holographic beamformer”, Eismann, Tai, Cederquist, Applied Optics Vol. 28, No. 13, 1. July 1989 [0035]
„Experimental demonstration of optical Mathieu beams”, Optics Communications 195(2001), 35–40 [0039]

Claims

Mikroskop, bestehend aus – einer Abbildungsoptik, die von einer Probe (1) in einen ersten Aperturwinkel abgestrahltes Licht über ein Abbildungsobjektiv (7) in einer ersten Richtung aufnimmt, – einer Detektierungseinrichtung zur Detektierung des von der Probe (1) in den ersten Aperturwinkel abgestrahlten Lichts, welches mit der Abbildungsoptik aufgenommen wird, – einer Beleuchtungseinrichtung, umfassend eine Beleuchtungslichtquelle (3) mit einer Wellenlänge λ und einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung der Probe (1) mit einer Beleuchtungslichtverteilung in einer zweiten Richtung, wobei die zweite Richtung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung Mittel aufweist, so dass – innerhalb eines Abschnitts (LZ) in der zweiten Richtung die Beleuchtungslichtverteilung im Wesentlichen konstant ist, – innerhalb des vom ersten Aperturwinkel aufgespannten Kegels außerhalb eines Bereich einer Ausdehnung (LY) in der ersten Richtung die Leistung des Beleuchtungslichts weniger als 20% beträgt, wobei gilt: LY < 2 λ, LZ > 8 λ.
Mikroskop nach Anspruch 1, wobei die Mittel einen komplexen Filter umfassen, der die Lichtverteilung in eine Pupille der Beleuchtungseinrichtung in einen im wesentlichen kreisrunden Bereich einschränken.
Mikroskop nach Anspruch 2, wobei der Filter eine Beleuchtungslichtverteilung erzeugt, die in der Pupille der Beleuchtungseinrichtung aus einer Überlagerung von mindestens zwei Sinc-Funktionen besteht.
Mikroskop nach Anspruch 3, wobei eine der beiden Sinc-Funktionen einer entsprechend der Ewald'schen Gleichung in eine, vorzugsweise die X-Y-Ebene projizierten Sinc(z)-Funktion entspricht.
Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Filter eine Beleuchtungslichtverteilung erzeugt, die in der Pupille der Beleuchtungseinrichtung dem Spektrum eines Mathieu-Strahls entspricht.
Mikroskop, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, bestehend aus – einer Beleuchtungseinrichtung, umfassend eine Beleuchtungslichtquelle (3) und einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung der Probe (1) mit einem Lichtblatt, – einer Detektierungseinrichtung zur Detektierung von Licht, das von der Probe (1) abgestrahlt wird, – einer Abbildungsoptik, die die Probe (1) über ein Abbildungsobjektiv (7) in einem Abbildungsstrahlengang mindestens teilweise auf die Detektierungseinrichtung abbildet, – wobei das Lichtblatt im Fokus des Abbildungsobjektivs (7) oder einer definierten Ebene in der Nähe des geometrischen Fokus des Abbildungsobjektivs im Wesentlichen eben ist und wobei das Abbildungsobjektiv (7) eine optische Achse aufweist, die die Ebene des Lichtblattes in einem von Null verschiedenen Winkel, bevorzugt senkrecht schneidet, – wobei ein Amplituden- und/oder Phasenfilter im Beleuchtungsstrahlengang vorgesehen ist, der als Sinc Raumfilter wirkt indem er in mindestens einer Raumrichtung das Beleuchtungslicht durch Filterung der auftretenden Raumfrequenzen mit einer sinc Funktion limitiert und/oder das Beleuchtungslicht bezüglich seiner Phase und Amplitude in mindestens einer Raumrichtung durch eine sinc Filterfunktion limitiert wird und/oder ein kombinierter Amplituden- und Phasenfilter im Beleuchtungsstrahlengang vorgesehen ist, der eine Formung des Lichtblattes durch Beeinflussung des Transsmissionsverlaufes der Beleuchtungslichtverteilung mit einer sinc Filterfunktion vornimmt.
Mikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplituden und/oder Phasenfilter zumindest teilweise in oder in der Nähe einer Pupillenebene einer Beleuchtungsoptik angeordnet ist und/oder der Filter durch Hologramm (CGH) und/oder eine diffraktive Optik realisiert ist und/oder der Filter zumindest teilweise durch einen räumlichen Modulator für Licht (Spatial Light Modulator (SLM) gebildet ist und/oder eine Verschiebung des Lichtblattes senkrecht zur Lichtrichtung mit dem SLM erfolgt und/oder eine Verschiebung der Fokusebene des Abbildungsobjektives bei Verschiebung des Lichtblattes erfolgt und/oder dass eine asymmetrische Sinc Funktion/off axis Verteilung in der Pupillenebene erzeugt ist und/oder dass ein zur optischen Achse ausseraxial wirkender sinc Filter vorgesehen ist und/oder eine Überlagerung mehrerer Sinc Filter zur Lichtblattstrukturierung vorgesehen ist und/oder eine durch Ewald'sche Gleichung umskalierte sinc Funktion als Filterfunktion vorgesehen ist und/oder im Beleuchtungsstrahlengang zur Strahlformung eine Kombination des Filters mit einer anamorphotischen Optik erfolgt
Mikroskopverfahren oder Verfahren zum Betrieb eines Mikroskops nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche
Mikroskop, bestehend aus – einer Beleuchtungseinrichtung, umfassend eine Beleuchtungslichtquelle (3) und einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung der Probe (1) mit einem Lichtblatt, – einer Detektierungseinrichtung zur Detektierung von Licht, das von der Probe (1) abgestrahlt wird, – einer Abbildungsoptik, die die Probe (1) über ein Abbildungsobjektiv (7) in einem Abbildungsstrahlengang mindestens teilweise auf die Detektierungseinrichtung abbildet, – wobei das Lichtblatt im Fokus des Abbildungsobjektivs (7) oder einer definierten Ebene in der Nähe des geometrischen Fokus des Abbildungsobjektivs im Wesentlichen eben ist und wobei das Abbildungsobjektiv (7) eine optische Achse aufweist, die die Ebene des Lichtblattes in einem von Null verschiedenen Winkel, bevorzugt senkrecht schneidet, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Mathieustrahls zur Lichtblatterzeugung bei SPIM
Mikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass Verwendung eines scannenden Mathieustrahls zur Lichtblatterzeugung bei SPIM
Mikroskop, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, bestehend aus – einer Beleuchtungseinrichtung, umfassend eine Beleuchtungslichtquelle (3) und einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung der Probe (1) mit einem Lichtblatt, – einer Detektierungseinrichtung zur Detektierung von Licht, das von der Probe (1) abgestrahlt wird, – einer Abbildungsoptik, die die Probe (1) über ein Abbildungsobjektiv (7) in einem Abbildungsstrahlengang mindestens teilweise auf die Detektierungseinrichtung abbildet, – wobei das Lichtblatt im Fokus des Abbildungsobjektivs (7) oder einer definierten Ebene in der Nähe des geometrischen Fokus des Abbildungsobjektivs im Wesentlichen eben ist und wobei das Abbildungsobjektiv (7) eine optische Achse aufweist, die die Ebene des Lichtblattes in einem von Null verschiedenen Winkel, bevorzugt senkrecht schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass Erzeugung des Mathieustrahls mit einem Intensitäts- und/oder Phasenmodulator erfolgt, insbesondere durch mindestens eines der nachfolgend genannten optischen Elemente: 1) Partielle Ringblende, insbesondere Blende aus zwei gegenüberliegenden Halbkreisen 2) durch einen räumlichen Modulator für Licht (Spatial Light Modulator (SLM) 3) Axicon 4) Hologramm 5) Diffraktives Element
Mikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Erzeugung einer elliptischen Gaußverteilung vor der Ringblende und/oder die Erzeugung einer Gaußverteilung vor der Ringblende, wobei ein oberer und unterer Teil der Ringblende nicht beaufschlagt wird und/oder eine Strahlformung durch eine anamorphotische Optik und/oder einen Intensitätsmodulator wie einen SLM Und/oder einer Erzeugung einer elliptischen Gaußverteilung auf dem Axicon und/oder einer Erzeugung einer Gaußverteilung auf dem Axicon, wobei ein oberer und unterer Teil des Axicons nicht beaufschlagt wird und/oder der Verwendung eines Intensitätsmodulators zur Optimierung der Lichtverteilung und/oder einer Kombination von anamorphotischer Optik und Intensitätsmodulator zur Optimierung der Lichtverteilung und/oder der Unterdrückung von Frequenzanteilen des Mathieustrahls zur Vermeidung der periodischen Intensitätsmodulation des Strahls und/oder der Erzeugung einer strukturierten Beleuchtung und/oder der zeilenweisen Detektion auf einem Flächendetektor, insbesondere CCD Empfänger oder EMCCD Empfänger oder CMOS oder sCMOS Kamera und/oder der flächenhaften Detektion auf einem Flächendetektor, wobei die Fläche der Detektion kleiner als die gesamte Detektionsfläche des Flächendetektors ist.
Mikroskopverfahren oder Verfahren zum Betrieb eines Mikroskopes nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche