DE3804642A1 - Arrangement for avoiding the variable aperture aberration (spherical aberration) in scanning microscopes having z-scan - Google Patents
Arrangement for avoiding the variable aperture aberration (spherical aberration) in scanning microscopes having z-scanInfo
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Abstract
Description
Die Anordnung zur Vermeidung des variablen Öffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan findet Anwendung in Rastermikroskopen mit konfokalem Strahlengang und z-Scan. Sie ist für Durchlicht- und Auflichtverfahren geeignet.The arrangement for avoiding the variable opening error in scanning microscopes with z- scan is used in scanning microscopes with confocal beam path and z- scan. It is suitable for transmitted light and incident light processes.
Es ist bekannt, daß Lichtrastermikroskope vom konfokalen Typ eine
sehr geringe Schärfentiefe haben (US-PS 30 13 467). Es ist daher mög
lich, Intensitätskurven in Abhängigkeit von der Fokustiefe z im
Objekt aufzunehmen, also z-Scanning durchzuführen. Dabei durchdrin
gen im Falle von Durchlichtbeobachtung die beiden Hälften des Licht
bündeldoppelkegels verschiedene Schichtdicken des Objektes. Bei Ver
wendung von starken Trockenobjektiven oder von Immersionsobjektiven
in Verbindung mit Objekten, die nicht genau die geforderte Brechzahl
haben, kommt es beim Durchfokussieren zu verschieden starken
Öffnungsfehlern in den Hälften des Lichtbündeldoppelkegels. Bei den
hohen scheinbaren Aperturen des konfokalen Aufbaus kann dieser
Öffnungsfehler nicht unberücksichtigt bleiben, wenn höchste Abbil
dungsgüte verlangt wird (Brakenhoff, G. I. et. al in Ash, E. A.,
Ed "Scanned image Microscopy", London 1980).
It is known that light scanning microscopes of the confocal type have a very shallow depth of field (US-PS 30 13 467). It is therefore possible to record intensity curves as a function of the depth of focus z in the object, i.e. to carry out z scanning. In the case of transmitted light observation, the two halves of the double-beam cone penetrate different layer thicknesses of the object. When using strong dry lenses or immersion lenses in conjunction with objects that do not have the required refractive index, there are different degrees of opening errors in the halves of the double cone of light when focusing through. Given the high apparent apertures of the confocal structure, this opening error cannot be disregarded if the highest image quality is required (Brakenhoff, GI et. Al in Ash, EA, Ed "Scanned image Microscopy", London 1980).
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Vermeidung des variablen Öffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan zu schaffen, die technisch mit geringem Aufwand realisierbar ist.The aim of the invention is to provide an arrangement for avoiding the variable opening error in scanning microscopes with z- scan, which can be implemented technically with little effort.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ver meidung des variablen Öffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan im konfokalen Strahlengang zu schaffen, bei der in Abhängig keit von einer eingestellten Fokustiefe z 1, 2, . . . n die entstehen den unterschiedlichen Öffnungsfehler durch eine selbsttätige Ein richtung stets minimiert wird.The invention has the object of providing an arrangement for the avoidance of the variable orifice Ver error in scanning microscopes with, for scan in the confocal beam path to provide, at the speed in Depending, of a set focal depth 1, 2,. . . n The different opening errors are always minimized by an automatic device.
Die Aufgabe löst eine Anordnung zur Vermeidung des variablen Öff nungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan, bestehend aus einer punktförmigen Lichtquelle, einem ersten optischen System zur Abbil dung besagter punktförmiger Lichtquelle in einem Objekt, einem Lichtdetektor mit punktförmiger empfindlicher Fläche, wobei die punktförmige Lichtquelle bzw. ihr Bild im Objekt durch das erste optische System vermittels des am Objekt reflektierten Lichtes oder durch ein zweites optisches System vermittels des durch das Objekt transmittierten Lichtes in die punktförmige empfindliche Fläche des Lichtdetektors abgebildet und bei der in bekannter Weise das punkt förmige Lichtquellenbild relativ zum Objekt in den Koordinaten x und/oder y und z verschoben wird und einem Display erfindungsge mäß dadurch, daß die lichtbündelerzeugenden und empfangenden Mittel und/oder mindestens Teile oder das Lichtbündel beeinflussenden op tischen Systeme beweglich entlang des Strahlenganges angeordnet sind und diese Mittel mit einer zentralen Steuereinheit über eine Stell einrichtung in Wirkverbindung stehen und daß eine z-Scanstellein richtung mit der zentralen Steuereinheit und der Stelleinrichtung verbunden ist.The object is achieved by an arrangement for avoiding the variable opening error in scanning microscopes with a z-scan, consisting of a punctiform light source, a first optical system for imaging said punctiform light source in an object, a light detector with punctiform sensitive surface, the punctiform light source or their image in the object is imaged by the first optical system by means of the light reflected from the object or by a second optical system by means of the light transmitted by the object into the punctiform sensitive surface of the light detector and in the known manner the punctiform light source image relative to the object in the coordinates x and / or y and z is shifted and a display according to the invention in that the light beam generating and receiving means and / or at least parts or the light beam influencing optical systems are arranged movably along the beam path and this e means to a central control unit via an actuating means are operatively connected and that a -Scanstellein z direction with the central control unit and the actuating device is connected.
Wird mittels der z-Scanstelleinrichtung nacheinander eine bestimmte Fokustiefe z 1, 2, . . . n im zu betrachtenden Objekt eingestellt, so werden die entlang des Strahlenganges beweglichen Mittel bei jedem Scanschritt jeweils um einen definierten Weg s 1, 2, . . . n verstellt, der so gewählt ist, daß beide Hälften des Lichtbündeldoppelkegels zusammen oder einzeln einen minimalen Öffnungsfehler aufweisen. Die Realisierung der Einstellung des Weges s 1, 2, . . . n erfolgt auf Signal der zentralen Steuereinheit über die Stelleinrichtung, wobei als Stelleinrichtung an sich bekannte, physikalisch wirkende Mittel Anwendung finden.By means of the z -Scanstelleinrichtung sequentially a specific focal depth z 1, 2,. . . n is set in the object to be viewed, then the movable along the beam path means at each scanning step in each case by a defined distance s 1, 2,. . . n adjusted, which is selected so that both halves of the light beam double cone together or individually have a minimal opening error. The realization of the adjustment of the path s 1, 2,. . . n takes place on signal from the central control unit via the actuating device, physically acting means known per se being used as the actuating device.
Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungsform besteht darin, daß die beweglichen Teile des ersten und des zweiten optischen Systemes durch ein Koppelelement miteinander starr verbunden sind und das Koppelelement mit der Stelleinrichtung in Wirkverbindung steht.An advantageous embodiment according to the invention consists in that the moving parts of the first and second optical System are rigidly connected to each other by a coupling element and the coupling element with the actuator in operative connection stands.
Dem Wesen der Erfindung entspricht es ferner, wenn vom Lichtdetektor statt des am Objekt reflektierten oder des durchs Objekt transmit tierten Lichtes Strahlung registriert wird, die durch andere optische Wechselwirkungen vom Objekt ausgeht wie z. B. Streuung, Fluoreszenz und Beugung.It also corresponds to the essence of the invention if from the light detector instead of that reflected on the object or that transmitted by the object tated light radiation is registered by other optical Interactions originating from the object such as B. Scattering, fluorescence and diffraction.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail with reference to drawings. It shows
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung des Strahlenganges eines Rastermikroskopes, mit konfo kalem Strahlengang und z-Scan, mit der erfindungs gemäßen Anordnung, Fig. 1 is a simplified schematic representation of the beam path of a scanning microscope arrangement having konfo kalem beam path and z Scan, with the fiction, modern,
Fig. 1a die einstellbare Fokustiefe z 1, 2, . . . n im Objekt und Fig. 1a, the adjustable focus depth z 1, 2,. . . n in the object and
Fig. 2 und 3 weitere vorteilhafte Ausführungsformen der in Fig. 1 dargestellten Grundvariante. FIGS. 2 and 3 further advantageous embodiments of the basic variant shown in FIG. 1.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung des Strahlen ganges, sowie die Anordnung der wesentlichsten Elemente eines Raster mikroskopes. Das von einer Punktlichtquelle 1 erzeugte und ausgesandte Lichtbündel L gelangt nach Passieren eines ersten optischen Systemes 2 welches mindestens aus einer Linse/Linsengruppe besteht, zum Objekt 6. Von dem Objekt 6 beeinflußt, trifft das Lichtbündel L nach Pas sieren eines zweiten optischen Systemes 3, welches mindestens aus einer Linse/Linsengruppe besteht, auf einen Lichtdetektor 4 mit punktförmiger empfindlicher Fläche auf. Fig. 1 shows a simplified schematic representation of the beam path, as well as the arrangement of the essential elements of a scanning microscope. The light bundle L generated and emitted by a point light source 1 arrives at the object 6 after passing through a first optical system 2 which consists of at least one lens / lens group. Influenced by the object 6 , the light bundle L after passing a second optical system 3 , which consists of at least one lens / lens group, strikes a light detector 4 with a punctiform sensitive surface.
Das Objekt 6 wird mittels einer in den Koordinaten x, y und z stell baren Objekthalterung 8 gehalten. Die Objekthalterung 8 ist mit einer x, y-Scanstelleinrichtung 5 und einer z-Scanstelleinrichtung 9 verbunden.The object 6 is held by means of an object holder 8 which can be set in the coordinates x, y and z . The object holder 8 is connected to an x, y scanning device 5 and a z scanning device 9 .
Erfindungsgemäß sind das erste und zweite optische System 2 und 3 jeweils mit einer entlang des Strahlenganges beweglichen Linse/Lin sengruppe 11 bzw. 12 versehen. Die Linsen/Linsengruppen 11, 12 ste hen über eine Stelleinrichtung 10 mit einer zentralen Steuerein heit 13 in Wirkverbindung. Die z-Scanstelleinrichtung 9 ist mit der zentralen Steuereinheit 13 und mit der Stelleinrichtung 10 verbun den.According to the invention, the first and second optical systems 2 and 3 are each provided with a lens / lens group 11 and 12 which can be moved along the beam path. The lenses / lens groups 11, 12 are connected via an actuating device 10 to a central control unit 13 in operative connection. The z scanning device 9 is connected to the central control unit 13 and to the actuating device 10 .
In der zentralen Steuereinheit 13 sind Informationen über das Ob jekt 6, z. B. Schichtdicke und Brechzahl, sowie die Beziehung zwi schen Änderungsbetrag der Fokustiefe und Änderungsbetrag des Ver stellweges der beweglichen Mittel gespeichert.In the central control unit 13 information about the object 6 , z. B. layer thickness and refractive index, as well as the relationship between rule's amount of change in depth of focus and amount of change in the adjustment path of the movable means stored.
Wird mittels der z-Scanverstelleinrichtung 9, ausgehend von einem Signal der zentralen Steuereinheit 13, nacheinander eine bestimmte Fokustiefe z 1, 2, . . . n , siehe Fig. 1a, im zu betrachtenden Ob jekt 6 eingestellt, so werden die entlang des Strahlenganges beweg lichen Mittel bei jedem Scanschritt z jeweils um einen definier ten Weg s 1, 2, . . . n verstellt, der so gewählt ist, daß die erste Hälfte 14 und die zweite Hälfte 15 des Lichtbündeldoppelkegels ei nen minimalen Öffnungsfehler aufweisen. Der Lichtdetektor 4 liefert ein Signal, von dem die Intensität I (x, y) auf einem Display 7 abgeleitet wird. Das Display 7 ist mit den Elementen 4, 5 und 13 verbunden. Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsge mäßen Anordnung, bei der die einzelnen Teile des ersten und des zweiten optischen Systems 2 und 3 gleichermaßen ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform erfolgt die Verstellung der Linsen/Linsen gruppen 11 und 12 gleichsinnig. Die Linsen/Linsengruppen 11 und 12 sind durch ein Koppelelement 16 miteinander verbunden. In Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der er findungsgemäßen Anordnung dargestellt. Die Punktlichtquelle 1 und/ oder der Lichtdetektor 4 sind beweglich entlang des Strahlenganges angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind die Verschiebewege der beweglichen Mittel 1, 4 größer als in den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2, die erforderlichen Führungsgenauigkeiten der nicht dargestellten Bewegungsmittel werden jedoch kleiner, wodurch der technische Realisierungsaufwand sinkt. By means of the z -Scanverstelleinrichtung 9, starting from a signal of the central control unit 13, successively a specific focal depth z 1, 2,. . . n, see Fig. 1a, to be considered in Whether ject 6 is set, the Move union along the beam path means are in each scanning step for each case by a DEFINE th path s 1, 2,. . . n adjusted, which is chosen so that the first half 14 and the second half 15 of the light beam double cone have a minimal opening error. The light detector 4 supplies a signal from which the intensity I (x, y) on a display 7 is derived. The display 7 is connected to the elements 4, 5 and 13 . Fig. 2 shows an advantageous embodiment of the arrangement according to the invention, in which the individual parts of the first and the second optical systems 2 and 3 are formed equally. In this embodiment, the adjustment of the lenses / lens groups 11 and 12 takes place in the same direction. The lenses / lens groups 11 and 12 are connected to one another by a coupling element 16 . In Fig. 3, a further advantageous embodiment of the inventive arrangement he is shown. The point light source 1 and / or the light detector 4 are arranged to be movable along the beam path. In this embodiment, the displacement paths of the movable means 1, 4 are larger than in the embodiments according to FIGS. 1 and 2, but the required guiding accuracies of the movement means, not shown, are smaller, which reduces the technical implementation effort.
Claims (2)
bestehend aus einer punktförmigen Lichtquelle, einem ersten op tischen System zur Abbildung besagter punktförmiger Lichtquelle in einem Objekt, einem Lichtdetektor mit punktförmiger empfind licher Fläche, wobei die punktförmige Lichtquelle bzw. ihr Bild im Objekt durch das erste optische System vermittels des am Objekt reflektierten Lichtes oder durch ein zweites optisches System vermittels des durch das Objekt transmittierten Lichtes in die punktförmige empfindliche Fläche des Lichtdetektors abgebildet und bei der in bekannter Weise das punktförmige Lichtquellenbild relativ zum Objekt in den Koordinaten x und/oder y und z ver schoben wird und einem Display,
gekennzeichnet dadurch, daß die lichtbündelerzeugenden und -empfangenden Mittel (1, 4) und/oder mindestens Teile (11, 12) der das Lichtbündel beeinflussenden optischen Systeme (2, 3) beweglich entlang des Strahlenganges angeordnet sind und diese Mittel (1, 2, 3, 4, 11, 12) mit einer zentralen Steuereinheit (13) über eine Stelleinrichtung (10) in Wirkverbindung stehen und daß eine z-Scanstelleinrichtung (9) mit der zentralen Steu ereinheit (13) und der Stelleinrichtung (10) verbunden ist.1. arrangement for avoiding the variable opening error in scanning microscopes with z- scan,
consisting of a point light source, a first optical system for imaging said point light source in an object, a light detector with point sensitive surface, the point light source or its image in the object through the first optical system by means of the light reflected on the object or imaged by a second optical system by means of the light transmitted through the object into the punctiform sensitive surface of the light detector and in which the punctiform light source image is shifted ver in relation to the object in the coordinates x and / or y and z and a display,
characterized in that the light beam generating and receiving means ( 1, 4 ) and / or at least parts ( 11, 12 ) of the optical systems ( 2, 3 ) influencing the light beam are arranged movably along the beam path and these means ( 1, 2, 3, 4, 11, 12 ) are operatively connected to a central control unit ( 13 ) via an actuating device ( 10 ) and that a z-scanning actuating device ( 9 ) is connected to the central control unit ( 13 ) and the actuating device ( 10 ).
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