DE102005027077A1

DE102005027077A1 - Lichtscheibenmikroskop

Info

Publication number: DE102005027077A1
Application number: DE102005027077A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Knebel; Jürgen Dr. Hoffmann
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2005-06-11
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2025-06-12
Also published as: DE102005027077B4; DE102005027077C5

Abstract

Ein Mikroskop mit einem Objektiv durch das Detektionslicht entlang eines Detektionsstrahlenganges, der im Bereich des Objektivs eine Detektionsrichtung definiert, zu einem Detektor gelangt und mit einer Beleuchtungseinrichtung, die einen Lichtstreifen erzeugt, der die Probe in einer Beleuchtungsebene im Wesentlichen flächenartig beleuchtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsebene einen von 90 DEG verschiedenen Winkel zur Detektionsrichtung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskop mit einem Objektiv durch das Detektionslicht entlang eines Detektionsstrahlenganges, der im Bereich des Objektivs eine Detektionsrichtung definiert, zu einem Detektor gelangt und mit einer Beleuchtungseinrichtung, die einen Lichtstreifen erzeugt, der die Probe in einer Beleuchtungsebene im Wesentlichen flächenartig beleuchtet.

Aus DE 102 57 423 ist ein Mikroskop bekannt bei dem eine Probe mit einem dünnen Lichtstreifen beleuchtet wird und die Beobachtung senkrecht zu der Ebene des beleuchtenden Lichtstreifens erfolgt. Für die Bildaufnahme wird die Probe durch den bezüglich des Detektors feststehenden Lichtstreifen bewegt, um Fluoreszenz und/oder Streulicht mit einem flächigen Detektor aufzunehmen. Dieses Mikroskop ist auch unter den Begriffen Lichtscheibenmikroskop und Selective-Plane-Illumination-Microscope bekannt.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung ist apparativ sehr aufwendig und stellt äußerst hohe Anforderungen an die Probenpräparation. Die Beschränkung auf einen einzigen Beleuchtungswinkel relativ zur Detektionsrichtung schränkt die praktische Einsetzbarkeit des aus dem Stand der Technik bekannten Mikroskops sehr ein.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroskop mit flächiger Beleuchtung anzugeben, dass auch eine Untersuchung von Proben gestattet, die auf klassische Weise präpariert sind und das weitgehend flexibel und leicht handhabbar in der Anwendung ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Strahlablenkeinrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Beleuchtungsebene einen von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Detektionsrichtung aufweist.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass – entgegen aller Erwartung – eine Mikroskopie bei flächenartiger Beleuchtung auch dann möglich ist, wenn die Beleuchtungsebene einen von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Detektionsrichtung aufweist und das hierdurch eine wesentliche Erweiterung der Einsetzbarkeit und eine Vereinfachung der Handhabbarkeit erzielbar ist. Der Fachmann geht irreführender Weise davon aus, dass bei von 90 Grad abweichender Beleuchtung in der üblichen Zwischenbildebene bzw. der Bildebene des Mikroskops nur ein schmaler Streifen scharf abgebildet wird, während der Rest des Bildes dunkel und unscharf erscheint. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass auch bei von 90 Grad abweichender Beleuchtung eine Zwischenbildebene bzw. eine Bildebene existiert, die jedoch räumlich nicht deckungsgleich mit der „üblichen" Zwischenbildebene ist.

Vorteilhafter Weise kann bei einer von 90 Grad abweichenden Beleuchtung eine Relativdrehung der Beleuchtungsebene um eine Drehachse, die in Detektionsrichtung ausgerichtet ist sinnvoll realisiert werden; was bei einer Beleuchtung senkrecht zu Detektionsrichtung keinen Sinn macht, da dabei stets dieselbe Probenebene untersucht würde und man demgemäss keine 3-D-Informationen erhält. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit der Drehung der Beleuchtungsebene um eine Drehachse, die in Detektionsrichtung ausgerichtet ist, erschließt sich ein neues Feld apparativer Möglichkeiten, die eine große Flexibilisierung der Einsetzbarkeit und einer verbesserte Benutzbarkeit des Mikroskops möglich machen.

Durch die im Wesentlichen flächenartige Beleuchtung der Probe mit einem Lichtstreifen wird eine Probenschicht beleuchtet und beispielsweise dort vorhandene Farbstoffe optisch angeregt. Es ist auch möglich, das von der Beleuchteten Probenschicht ausgehende Streulicht zu detektieren. Die beleuchtete Probenschicht bzw. die beleuchteten Probenschichten liegen in der Regel innerhalb der Probe, so dass man eine wirkliche 3D-Information erhält. Die Auflösung ist umso besser, je mehr unterschiedliche Probenschichten des Objekts abgetastet werden. Die Probenschichten sind hierbei in der Regel nicht parallel zueinander, sondern überlappen und durchschneiden sich.

Bei der Bildauswertung werden die von den einzelnen Probenschichten zu einem Gesamtdatensatz vereinigt, wobei vorzugsweise zuvor eine Fouriertransformation vorgenommen wird und nach dem Verrechnen der Daten eine Rücktransformation erfolgt.

Der Lichtstreifen kann beispielsweise durch geeignete Fokussierung eines Laserstrahlenbündels mit einer Zylinderoptik erzeugt werden. Die Dicke des Lichtstreifens hängt vom Grad der Fokussierung ab und ist im Bereich der zu beleuchtenden Probenschicht im Bereich von Mikrometern oder weniger. Beispielsweise kann der Lichtstreifen im Fokalbereich (z.B. 1,5 mm) zwischen 5 μm und 7 μm dick sein. In der Regel weist das Beleuchtungslicht in der Probe einen Linienfokus auf, der den Lichtstreifen bildet.

Ein Laserstrahlenbündel, das in einer Richtung (z.B. Zylinderoptik) fokussiert wird bildet im Bereich des Fokus, einen flachen Lichtstreifen; während das Lichtstrahlenbündel räumlich vor dem Fokalbereich – bezüglich der Ebene in der fokussiert wurde – konvergent und räumlich nach dem Fokalbereich divergent verläuft (Gauss'sche Optik). Die Länge des Lichtstreifens (Fokallänge) kann bis zu einigen Millimetern betragen.

Vorzugsweise weist die Beleuchtungsebene einen von näherungsweise 90 Grad verschiedenen Winkel zur Detektionsrichtung auf. Der Winkel zwischen der Beleuchtungsebene und der Detektionsrichtung kann für unterschiedliche zu beleuchtende Probenschichten unterschiedlich sein; sich also während der Probenuntersuchung verändern. Der Winkel kann beispielsweise kleiner als 85 Grad bzw. größer als 95 Grad sein.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Beleuchtungsebene relativ zur Probe bewegbar – insbesondere drehbar -. Vorzugsweise ruht hierbei die Probe während der Lichtstreifen bewegt wird; denn bei dieser Variante kann auf das Aufwendige einbetten der Probe in einen Volumenträger (z.B. Agarose) verzichtet werden.

In einer besonderen Ausgestaltungsform ist die Beleuchtungsebene um eine Drehachse drehbar, die in Detektionsrichtung ausgerichtet ist.

Die Beleuchtungseinrichtung beinhaltet zum Verändern der räumlichen Lage der Beleuchtungsebene eine einstellbare Strahlablenkeinrichtung. Vorzugsweise ist mit der Strahlablenkeinrichtung die Einstrahlrichtung auf die Probe und/oder der Auftreffpunkt auf der Probe einstellbar.

Die Strahlablenkeinrichtung kann beispielsweise zumindest einen Drehspiegel und/oder zumindest einen Kippspiegel – vorzugsweise einen Galvanometerspiegel – und/oder ein drehbares Prisma beinhalten.

Da, wie bereits erwähnt die räumliche Lage der Zwischenbildebene bzw. der Detektionsebene vor der räumlichen Lage der Beleuchtungsebne abhängt ist in einer ganz besonders bevorzugten Variante vorgesehen, dass der Detektor beweglich angeordnet ist; hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht, dass unterschiedliche Probenschichten mit dem Lichtstreifen beleuchtet und von diesen Probenschichten ausgehendes Detektionslicht erfasst werden kann, ohne dass ein Bewegen der Probe nötig ist.

Vorzugsweise ist der Detektor drehbar und/oder kippbar und/oder schwenkbar angeordnet. Vorzugsweise ist der Detektor synchron zur Bewegung der Beleuchtungsebene bewegbar. Wenn die Beleuchtungsebene beispielsweise von der Strahlablenkeinrichtung um eine zur optischen Achse parallele Drehachse gedreht wird, so wird der Detektor vorzugsweise ebenfalls um eine zu seiner optischen Achse parallele Achse gedreht. Wenn der Winkel zwischen der Beleuchtungsebene und der Detektionsrichtung verändert wird, dann wird vorzugsweise auch der Winkel zwischen der aktiven Detektorfläche und der Ausbreitungsrichtung des auf ihn treffenden Detektionslichtes geändert. Das Maß der Winkeländerung hängt von dem gewählten Abbildungsmaßstab ab.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist der Detektor synchron zur Bewegung der Beleuchtungsebene drehbar und/oder kippbar und/oder schwenkbar. Vorzugsweise ist der Detektor synchron zur einstellbaren Strahlablenkeinrichtung bewegbar angeordnet.

Anstatt den Detektor auf die jeweils eingestellte, von der Lage der Beleuchtungsebene abhängige, räumliche Lage der Zwischenbildebene und/oder Bildebene einzustellen ist in einer besonderen Variante des erfindungsgemäßen Mikroskops ein Einstellmittel zur Beeinflussung der räumlichen Lage der Zwischenbildebene und/oder der Bildebene vorgesehen. Vorzugsweise hält das Einstellmittel die räumlichen Lage der Zwischenbildebene und/oder der Bildebene unabhängig von der Orientierung der Beleuchtungsebene konstant.

Das Einstellmittel kann beispielsweise ein drehbares Prisma und/oder ein verkippbares Prisma und/oder zumindest einen Drehspiegel und/oder zumindest einen Kippspiegel beinhaltet.

In einer besonderen Variante sind die Elemente des Einstellmittels und der Detektor in einer Scheimpflug-Anordnung eingebaut.

Vorzugsweise weist das Einstellmittel einen Regelkreis auf, der in Abhängigkeit von der Lage der Beleuchtungsebne die optischen Elemente des Einstellmittels (z.b. drehbare Prismen) automatisch steuert. Vorzugsweise sind das Einstellmittel und die einstellbare Strahlablenkeinrichtung aufeinander synchronisiert.

Die Zwischenbildebene und/oder die Bildebene kann einen von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtes aufweisen.

Vorzugsweise ist der Detektor ein Flächendetektor (z.B. Diodenarray, CCD-Chip), wobei die Detektionsfläche des Flächendetektor vorzugsweise in der Zwischenbildebene und/oder der Bildebene angeordnet ist.

Der Detektor kann jedoch auch ein rasternder Punktdetektor oder ein rasternder Liniendetektor sein. Bei diesen Varianten wird das von der jeweiligen beleuchteten Probenebene ausgehende Detektionslicht punkt oder linienweise erfasst. Vorzugsweise ist bei diesen Varianten zumindest eine weitere einstellbare Strahlablenkeinrichtung im Strahlengang des Detektionslichtes vorgesehen.

Vorzugsweise weist der rasternde Punktdetektor oder der rasternde Liniendetektor eine weitere einstellbare Strahlablenkeinrichtung auf, die mit der Drehung der Beleuchtungsebne derart synchronisiert ist, dass die Detektionsebene des rasternden Punktdetektors bzw. des rasternden Liniendetektors stets auf die Beleuchtungsebene unabhängig von ihrer Drehstellung ausgerichtet ist.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein Kondensor vorgesehen, durch das Beleuchtungslicht zur Probe gelangt.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleich wirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt:
1 Ein erfindungsgemäßes Mikroskop, und
2 ein anderes erfindungsgemäßes Mirkoskop.
Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Mikroskop 1 mit einer Beleuchtungseinrichtung 3, die einen Laser 5 und eine Zylinderoptik 7 beinhaltet. Das Beleuchtungslicht 9, das von dem Laser 5 erzeugt wird gelangt nach durchlaufen der Zylinderoptik 7, die das Beleuchtungslicht 9 im Wesentlichen in der Zeichnungsebene fokussiert, zu einer einstellbaren Strahlablenkeinrichtung 11, die einen kardanisch aufgehängten Umlenkspiegel 13 beinhaltet, und wird anschließend über einen Kondensor 15 auf die Probe 17 fokussiert. In der Probe 17 ist das Beleuchtungslicht durch die Zylinderoptik 7 und den Kondensor 15 zu einem Lichtstreifen geformt, der die Probe 17 in einer Beleuchtungsebene 19 (gestrichelt angedeutet) im Wesentlichen flächenartig beleuchtet. Die Beleuchtungsebene 19 steht in der gezeigten Einstellung senkrecht auf der Zeichenebene. Sie kann mit der einstellbaren Strahlablenkeinrichtung 11 bezüglich der Probe 17 gekippt und gedreht werden.
Das von der Probe 17 ausgehende Detektionslicht 21 wird mit einem Objektiv 23 kollimiert und gelangt anschließend zur Tubusoptik 25, die das Detektionslicht in die Zwischenbildebne 27 fokussiert. In der Zwischenbildebene 27 wird ein Abbild der von dem Lichtstreifen beleuchteten Probenschicht erzeugt. In der Zwischenbildebne ist ein Detektor 29 angeordnet, der als CCD-Detektor ausgebildet ist.
Der Detektor 29 motorisch drehbar und kippbar angeordnet und ist synchron zur Bewegung der Beleuchtungsebene bewegbar. Eine elektronisches Steuermodul 31, das beispielsweise als PC ausgebildet sein kann, steuert die räumliche Positionierung des Detektors 29 und des Umlenkspiegels 13 derart, dass die von dem Lichtstreifen beleuchtete Probenebne stets auf der aktiven Detektorfläche 33 abgebildet ist.
Die vom Detektor erzeugten Detektionssignale werden in einer nicht gezeigten Verarbeitungseinheit digitalisiert und miteinander verrechnet und können anschließend beispielsweise auf einem PC-Monitor als 3D-Abbild der Probe bzw. eines Probenbereichs dargestellt werden.
2 zeigt ein anderes erfindungsgemäßes Mikroskop mit einem Einstellmittel 35, das die räumlichen Lage der Zwischenbildebene 27 unabhängig von der Orientierung der Beleuchtungsebene 19 konstant hält. Das Einstellmittel 35 beinhaltet zwei motorisch drehbar gelagerte Umlenkprismen 37, 39, deren Orientierung von einem Steuermodul 31 in Anhängigkeit von der jeweils eingestellten Orientierung der Beleuchtungsebene 19, die ebenfalls durch das Stauermodul 31 kontrolliert wird, eingestellt wird. In dieser Variante ist der Detektor 29 ortsfest angeordnet.
Die Beleuchtungsebene 19 weist einen von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Detektionsrichtung (angedeutet durch den Pfeil 35) des Detektionsstrahlenganges auf.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

1: Mikroskop
3: Beleuchtungseinrichtung
5: Laser
7: Zylinderoptik
9: Beleuchtungslicht
11: einstellbare Strahlablenkeinrichtung
13: Umlenkspiegel
15: Kondensor
17: Probe
19: Beleuchtungsebene
21: Detektionslicht
23: Objektiv
25: Tubusoptik
27: Zwischenbildebne
29: Detektor
31: Steuermodul
33: Detektorfläche
35: Einstellmittel
37: Umlenkprisma
39: Umlenkprisma

Claims

Mikroskop mit einem Objektiv durch das Detektionslicht entlang eines Detektionsstrahlenganges, der im Bereich des Objektivs eine Detektionsrichtung definiert, zu einem Detektor gelangt und mit einer Beleuchtungseinrichtung, die einen Lichtstreifen erzeugt, der die Probe in einer Beleuchtungsebene im Wesentlichen flächenartig beleuchtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsebene einen von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Detektionsrichtung aufweist.
Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsebene einen von näherungsweise 90 Grad verschiedenen Winkel zur Detektionsrichtung, vorzugsweise einen Winkel kleiner 85 Grad bzw. größer 95 Grad, insbesondere einen Winkel kleiner 80 Grad bzw. größer 100 Grad, aufweist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsebene relativ zur Probe drehbar ist.
Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsebene um eine Drehachse drehbar ist, die in Detektionsrichtung ausgerichtet ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung eine einstellbare Strahlablenkeinrichtung beinhaltet.
Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkeinrichtung zumindest einen Drehspiegel und/oder zumindest einen Kippspiegel – vorzugsweise einen Galvanometerspiegel – und/oder ein drehbares Prisma beinhaltet.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor beweglich angeordnet ist.
Mikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor drehbar und/oder kippbar und/oder schwenkbar angeordnet ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor synchron zur Bewegung der Beleuchtungsebene bewegbar ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor synchron zur Bewegung der Beleuchtungsebene drehbar und/oder kippbar und/oder schwenkbar ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor synchron zur einstellbaren Strahlablenkeinrichtung bewegbar angeordnet ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop eine Zwischenbildebene und/oder Bildebene aufweist.
Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einstellmittel zur Beeinflussung der räumlichen Lage der Zwischenbildebene und/oder der Bildebene vorgesehen ist.
Mikroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel die räumlichen Lage der Zwischenbildebene und/oder der Bildebene unabhängig von der Orientierung der Beleuchtungsebene konstant hält.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel ein drehbares Prisma und/oder ein verkippbares Prisma und/oder zumindest einen Drehspiegel und/oder zumindest einen Kippspiegel beinhaltet.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel einen Regelkreis aufweist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel und die einstellbare Strahlablenkeinrichtung aufeinander synchronisiert sind.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenbildebene und/oder die Bildebene einen von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtes aufweist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein Flächendetektor ist.
Mikroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsfläche des Flächendetektor in der Zwischenbildebene und/oder der Bildebene angeordnet ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein rasternder Punktdetektor oder ein rasternder Liniendetektor ist.
Mikroskop nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der rasternde Punktdetektor oder der rasternde Liniendetektor eine weitere einstellbare Strahlablenkeinrichtung aufweist, die mit der Drehung der Beleuchtungsebne derart synchronisiert ist, dass die Detektionsebene des rasternden Punktdetektors bzw. des rasternden Liniendetektors stets auf die Beleuchtungsebene unabhängig von ihrer Drehstellung ausgerichtet ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensor vorgesehen ist, durch das Beleuchtungslicht zur Probe gelangt.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungslicht in der Probe einen Linienfokus aufweist.