DE102022117214A1 - Ptychographic imaging method and system - Google Patents

Ptychographic imaging method and system Download PDF

Info

Publication number
DE102022117214A1
DE102022117214A1 DE102022117214.7A DE102022117214A DE102022117214A1 DE 102022117214 A1 DE102022117214 A1 DE 102022117214A1 DE 102022117214 A DE102022117214 A DE 102022117214A DE 102022117214 A1 DE102022117214 A1 DE 102022117214A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
radiation
illumination radiation
lateral positions
imaging
illumination
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022117214.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Michael Kirschbaum
Jan Rothhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102022117214.7A priority Critical patent/DE102022117214A1/en
Priority to PCT/EP2023/069113 priority patent/WO2024013130A1/en
Publication of DE102022117214A1 publication Critical patent/DE102022117214A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4788—Diffraction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N15/1425—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers using an analyser being characterised by its control arrangement
    • G01N15/1433—
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N15/1434—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers using an analyser being characterised by its optical arrangement
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/14—Condensers affording illumination for phase-contrast observation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • G02B21/367—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes providing an output produced by processing a plurality of individual source images, e.g. image tiling, montage, composite images, depth sectioning, image comparison
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/26—Details of magnetic or electrostatic separation for use in medical applications
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/005—Dielectrophoresis, i.e. dielectric particles migrating towards the region of highest field strength
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02—Separators
    • B03C5/022—Non-uniform field separators
    • B03C5/026—Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N2015/1006—Investigating individual particles for cytology
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N15/1434—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers using an analyser being characterised by its optical arrangement
    • G01N2015/1454—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers using an analyser being characterised by its optical arrangement using phase shift or interference, e.g. for improving contrast
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/06113—Coherent sources; lasers

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten: Erzeugung von zumindest teilkohärenter elektromagnetischer Beleuchtungsstrahlung, Beleuchten eines Objektes (3) mit der Beleuchtungsstrahlung, Bewegen des Objektes lateral relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in zwei oder mehrere Lateralpositionen, Detektieren von mehreren Intensitätsmustern, wobei jeder der Lateralpositionen ein detektiertes Intensitätsmuster zugeordnet ist, wobei die Intensitätsmuster durch Streuung oder Beugung der Beleuchtungsstrahlung an dem Objekt (3) in einer Detektionsebene erzeugt werden, und Rekonstruieren eines Bildes des Objektes (3) aus den detektierten Intensitätsmustern mittels eines Phasenrekonstruktionsalgorithmus. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Bildgebungsverfahren bereit zu stellen. Insbesondere soll die Geschwindigkeit der Bildaufnahme erhöht werden. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass sich das Objekt (3) in einem von der Beleuchtungsstrahlung durchstrahlten flüssigen Medium befindet und darin durch Dielektrophorese relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in die zwei oder mehreren Lateralpositionen bewegt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Bildgebungssystem zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to an imaging method with the following method steps: generating at least partially coherent electromagnetic illumination radiation, illuminating an object (3) with the illumination radiation, moving the object laterally relative to the course of the illumination radiation into two or more lateral positions, detecting multiple intensity patterns, each of which A detected intensity pattern is assigned to lateral positions, the intensity patterns being generated by scattering or diffraction of the illumination radiation on the object (3) in a detection plane, and reconstructing an image of the object (3) from the detected intensity patterns using a phase reconstruction algorithm. It is the object of the invention to provide an improved imaging method. In particular, the speed of image capture should be increased. For this purpose, the invention proposes that the object (3) is located in a liquid medium through which the illuminating radiation is irradiated and is moved therein by dielectrophoresis into the two or more lateral positions relative to the path of the illuminating radiation. The invention also relates to an imaging system for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten:

  • - Erzeugung von zumindest teilkohärenter elektromagnetischer Beleuchtungsstrahlung,
  • - Beleuchten eines Objektes mit der Beleuchtungsstrahlung,
  • - Bewegen des Objektes lateral relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in zwei oder mehrere Lateralpositionen,
  • - Detektieren von mehreren Intensitätsmustern, wobei jeder der Lateralpositionen ein detektiertes Intensitätsmuster zugeordnet ist, wobei die Intensitätsmuster durch Streuung oder Beugung der Beleuchtungsstrahlung an dem Objekt in einer Detektionsebene erzeugt werden, und
  • - Rekonstruieren eines Bildes des Objektes aus den detektierten Intensitätsmustern mittels eines Phasenrekonstruktionsalgorithmus.
The invention relates to an imaging method with the following process steps:
  • - Generation of at least partially coherent electromagnetic illumination radiation,
  • - illuminating an object with the illumination radiation,
  • - Moving the object laterally relative to the course of the illumination radiation into two or more lateral positions,
  • - Detecting multiple intensity patterns, each of the lateral positions being assigned a detected intensity pattern, the intensity patterns being generated by scattering or diffraction of the illumination radiation on the object in a detection plane, and
  • - Reconstructing an image of the object from the detected intensity patterns using a phase reconstruction algorithm.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Bildgebungssystem zur Durchführung des Verfahrens, mit

  • - einer Beleuchtungslichtquelle, eingerichtet zur Erzeugung von zumindest teilkohärenter elektromagnetischer Beleuchtungsstrahlung,
  • - einer Positionierungseinheit, eingerichtet zum Bewegen des Objektes und des Verlaufs der Beleuchtungsstrahlung relativ zueinander,
  • - einem Flächendetektor, eingerichtet zum Detektieren von Intensitätsmustern, die durch Streuung oder Beugung der Beleuchtungsstrahlung an dem Objekt in einer durch die Ebene des Flächendetektors vorgegebenen Detektionsebene erzeugt werden,
  • - einer Steuereinheit, eingerichtet zum Ansteuern der Positionierungseinheit und des Flächendetektors in der Weise, dass das Objekt sequenziell in zwei oder mehrere vorgegebene Lateralpositionen bewegt wird und zwei oder mehrere Intensitätsmuster detektiert werden, wobei jeder der Lateralpositionen ein detektiertes Intensitätsmuster zugeordnet ist, und
  • - einem Computer, der durch Software dazu eingerichtet ist, ein Bild des Objektes aus den detektierten Intensitätsmustern mittels eines Phasenrekonstruktionsalgorithmus zu rekonstruieren.
The invention also relates to an imaging system for carrying out the method
  • - an illumination light source, set up to generate at least partially coherent electromagnetic illumination radiation,
  • - a positioning unit, set up to move the object and the course of the illumination radiation relative to one another,
  • - an area detector, set up to detect intensity patterns which are generated by scattering or diffraction of the illumination radiation on the object in a detection plane predetermined by the plane of the area detector,
  • - a control unit, set up to control the positioning unit and the area detector in such a way that the object is moved sequentially into two or more predetermined lateral positions and two or more intensity patterns are detected, with each of the lateral positions being assigned a detected intensity pattern, and
  • - a computer that is set up by software to reconstruct an image of the object from the detected intensity patterns using a phase reconstruction algorithm.

Die Ptychographie ist eine computergestützte Bildgebungsmethode, bei der Bilder durch die Verarbeitung zweier oder mehrerer Intensitätsmuster erzeugt werden, die durch Beugung oder Streuung von zumindest teilkohärentem Licht an einem Objekt durch Interferenz entstehen. Die Intensitätsmuster werden durch eine konstante Funktion (z.B. Fokusgeometrie der Beleuchtungsstrahlung oder Geometrie einer Aperturblende) erzeugt, die sich relativ zu dem Objekt lateral um einen bekannten Betrag seitlich bewegt. Die Intensitätsmuster treten in einiger Entfernung von dem Objekt auf, so dass sich die gebeugten oder gestreuten Lichtwellen der Beleuchtungsstrahlung ausbreiten, überlagern und miteinander interferieren, um so die Intensitätsmuster zu erzeugen.Ptychography is a computer-aided imaging method in which images are created by processing two or more intensity patterns created by diffraction or scattering of at least partially coherent light from an object through interference. The intensity patterns are generated by a constant function (e.g. focus geometry of the illumination radiation or geometry of an aperture stop) that moves laterally relative to the object by a known amount. The intensity patterns occur at some distance from the object so that the diffracted or scattered light waves of the illumination radiation propagate, overlap and interfere with each other to produce the intensity patterns.

Die Ptychographie kann mit sichtbarem Licht, Röntgenstrahlung, extremem Ultraviolett (XUV) oder auch mit Elektronenstrahlung durchgeführt werden. Im Gegensatz zu konventionellen Linsenabbildungen wird die Ptychographie nicht von linsenbedingten Aberrationen oder Beugungseffekten beeinflusst, die durch eine begrenzte numerische Apertur verursacht werden. Die Erzeugung der Intensitätsmuster erfolgt in der Regel linsenlos. Dies ist besonders wichtig für die Abbildung von Wellenlängen im atomaren Bereich, wo es schwierig und teuer ist, qualitativ hochwertige Objektive mit hoher numerischer Apertur herzustellen.Ptychography can be carried out with visible light, X-rays, extreme ultraviolet (XUV) or even with electron beams. Unlike conventional lens imaging, ptychography is not affected by lens-induced aberrations or diffraction effects caused by a limited numerical aperture. The intensity patterns are usually generated without a lens. This is particularly important for imaging wavelengths in the atomic range, where it is difficult and expensive to produce high-quality lenses with high numerical apertures.

Ein weiterer Vorteil der Ptychographie besteht darin, dass transparente Objekte abgebildet werden können. Dies liegt daran, dass die Methode auf die Phase der Beleuchtungsstrahlung, die das Objekt passiert hat, anspricht. Im Fall der biologischen Mikroskopie mit sichtbarem Licht bedeutet dies, dass Zellen nicht gefärbt oder markiert werden müssen, um einen Kontrast zu erzeugen.Another advantage of ptychography is that transparent objects can be imaged. This is because the method responds to the phase of the illuminating radiation that passed through the object. In the case of visible light biological microscopy, this means that cells do not need to be stained or labeled to produce contrast.

Obwohl die an dem Objekt gebeugte oder gestreute Beleuchtungsstrahlung in der Ptychographie als Intensitätsmuster detektiert wird, bedeutet die mathematische Einschränkung durch die Translationsinvarianz von Beleuchtung und Objekt in Kombination mit den bekannten lateralen Verschiebungen zwischen ihnen, dass die Phase des Wellenfeldes durch eine inverse Berechnung (Phasenrekonstruktionsalgorithmus) per Computer rekonstruiert werden kann. Damit können alle Informationen über das Wellenfeld der gebeugten oder gestreuten Beleuchtungsstrahlung (Amplitude und Phase) wiederhergestellt werden, und es können nahezu perfekte Bilder des Objekts gewonnen werden, und zwar mit einer räumlichen Auflösung, die deutlich kleiner ist als die Größe des beleuchteten Bereichs auf dem Objekt. Die Anforderungen an die Beleuchtungsoptik sind vergleichsweise gering (siehe J. Rodenburg and A. Maiden, „Ptychography“ in „Springer Handbook of Microscopy“, herausgegeben von P. W. Hawkes und J. C. H. Spence , Springer International Publishing, 2019, Seiten 819 bis 904 ).Although the illumination radiation diffracted or scattered on the object is detected as an intensity pattern in ptychography, the mathematical limitation imposed by the translational invariance of illumination and object in combination with the known lateral displacements between them means that the phase of the wavefield is determined by an inverse calculation (phase reconstruction algorithm). can be reconstructed by computer. This allows all information about the wave field of the diffracted or scattered illumination radiation (amplitude and phase) to be recovered and almost perfect images of the object to be obtained, with a spatial resolution that is significantly smaller than the size of the illuminated area on the Object. The requirements for the lighting optics are comparatively low (see J. Rodenburg and A. Maiden, “Ptychography” in “Springer Handbook of Microscopy”, edited by PW Hawkes and JCH Spence, Springer International Publishing, 2019, pages 819 to 904 ).

In den vergangen Jahren haben lasergetriebene kohärente Strahlungsquellen im extremen Ultraviolett (XUV) eine enorme Performancesteigerung erfahren, womit hochaufgelöste Ptychographie im Labormaßstab möglich geworden ist. Neueste Implementierungen erreichen eine Auflösung bis in den sub-20 nm-Bereich und erlauben Bildgebung mit quantitativem Amplituden- und Phasenkontrast einschließlich räumlich aufgelöster Materialidentifikation anhand des gemessenen komplexen Brechungsindex.In recent years, laser-driven coherent radiation sources in the extreme ultraviolet (XUV) have had an enormous increase in performance find out what has made high-resolution ptychography possible on a laboratory scale. The latest implementations achieve resolution down to the sub-20 nm range and allow imaging with quantitative amplitude and phase contrast including spatially resolved material identification based on the measured complex refractive index.

Bislang wird die Bewegung des Objektes relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung durch Positionierung des gesamten Aufbaus, welcher die Probe trägt (Probentisch, Probenhalter) mittels mechanischer Präzisionskomponenten, wie Piezoscannern oder Hexapoden (siehe J. Rodenburg et al., aaO, Seite 849) ausgeführt. Hierbei müssen im Verhältnis zu dem tatsächlich interessierenden Objekt (z.B. eine biologische Zelle, ein Mikropartikel etc.) relativ große Massen bewegt und abgestoppt bzw. stabilisiert werden, um die verschiedenen Lateralpositionen sequenziell anzufahren. Dies benötigt in nachteiliger Weise sehr viel Zeit. Die mit herkömmlichen ptychographischen Bildgebungssystemen erzielbare Scanrate ist entsprechend gering. Die Bewegung der Beleuchtungslichtquelle (und ggf. der zugehörigen Beleuchtungsoptik) selbst kann hier in vielen Fällen keine Abhilfe schaffen. Diese führt meist zu Abbildungsfehlern und damit zu unerwünschten Veränderungen (z.B. Phasengradienten) der Beleuchtung. Dadurch wird die Grundannahme der Ptychographie (unveränderliche Beleuchtung bis auf die laterale Bewegung) verletzt (siehe J. Rodenburg et al., aaO, Seite 849).To date, the movement of the object relative to the path of the illumination radiation has been carried out by positioning the entire structure that carries the sample (sample table, sample holder) using mechanical precision components such as piezo scanners or hexapods (see J. Rodenburg et al., ibid., page 849). Relative to the object of interest (e.g. a biological cell, a microparticle, etc.), relatively large masses must be moved and stopped or stabilized in order to approach the various lateral positions sequentially. This disadvantageously takes a lot of time. The scan rate that can be achieved with conventional ptychographic imaging systems is correspondingly low. In many cases, moving the illumination light source (and possibly the associated illumination optics) itself cannot help. This usually leads to imaging errors and thus to undesirable changes (e.g. phase gradients) in the lighting. This violates the basic assumption of ptychography (unchangeable illumination except for lateral movement) (see J. Rodenburg et al., ibid., page 849).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Bildgebungsverfahren und ein entsprechendes System bereit zu stellen, bei denen die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll die Geschwindigkeit der Bildaufnahme erhöht werden.The object of the invention is to provide an improved imaging method and a corresponding system in which the disadvantages described are avoided. In particular, the speed of image capture should be increased.

Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Bildgebungsverfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass sich das Objekt in einem von der Beleuchtungsstrahlung durchstrahlten flüssigen Medium befindet und darin durch Dielektrophorese relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in die zwei oder mehreren Lateralpositionen bewegt wird.The invention solves this problem, starting from an imaging method of the type mentioned at the outset, in that the object is located in a liquid medium through which the illuminating radiation is irradiated and is moved therein by dielectrophoresis into the two or more lateral positions relative to the course of the illuminating radiation.

Ausgehend von einem Bildgebungssystem der eingangs genannten Art löst die Erfindung die Aufgabe entsprechend dadurch, dass die Positionierungseinheit dazu eingerichtet ist, das in einem von der Beleuchtungsstrahlung durchstrahlten flüssigen Medium befindliche Objekt durch Dielektrophorese relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in die zwei oder mehreren Lateralpositionen zu bewegen.Starting from an imaging system of the type mentioned at the outset, the invention solves the problem in that the positioning unit is set up to move the object located in a liquid medium through which the illuminating radiation passes through dielectrophoresis into the two or more lateral positions relative to the course of the illuminating radiation.

Bei der Dielektrophorese wird ein inhomogenes elektrisches Feld zur Manipulation von Objekten, insbesondere kleinen Partikeln benutzt. Durch das inhomogene Feld wird in den Partikeln ein Dipolmoment induziert, das dann in Wechselwirkung mit dem erzeugten Feld tritt. Die Partikel erfahren dadurch eine Kraft und bewegen sich - je nach Feld und Dipolmoment - in Bereiche hoher oder niedriger Feldstärke, d.h. das Objekt bewegt sich auf ein Extremum des Feldes (Feldmaximum oder -minimum) zu und wird dort gehalten. Somit können Objekte gewissermaßen in einem „Feldkäfig“ eingefangen werden. Durch Variation der räumlichen Lage des Feldextremums, d.h. durch Variation der räumlichen Feldverteilung im Verlauf der Zeit, kann das Objekt gezielt in verschiedene Lateralpositionen bewegt werden.Dielectrophoresis uses an inhomogeneous electric field to manipulate objects, especially small particles. The inhomogeneous field induces a dipole moment in the particles, which then interacts with the generated field. The particles thereby experience a force and move - depending on the field and dipole moment - into areas of high or low field strength, i.e. the object moves towards an extremum of the field (field maximum or minimum) and is held there. This means that objects can be captured in a “field cage”, so to speak. By varying the spatial position of the field extremum, i.e. by varying the spatial field distribution over time, the object can be specifically moved into different lateral positions.

Gemäß der Erfindung wird also zur Bewegung des Objektes lateral zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung nicht der Aufbau zur Probenhalterung, sondern das in dem flüssigen Medium (z.B. wässrige Elektrolytlösung, Öl) befindliche Objekt (d.h. biologische Zelle, Mikropartikel) als solches durch dielektrophoretische Kräfte bewegt. Dies erfolgt durch Variation der elektrischen Feldparameter. Da diese sehr schnell verändert werden können und bei der Bewegung des bloßen Objektes nur geringe Trägheitseffekte auftreten, sind die erforderlichen Änderungen der Lateralposition mit sehr kurzer Zeitfolge (z.B. wenige ms pro Lateralposition) möglich. Der gesamte übrige Aufbau, der bei dem Bildgebungsverfahren verwendet wird, bleibt ortsfest.According to the invention, in order to move the object laterally to the course of the illumination radiation, it is not the structure for holding the sample, but rather the object (i.e. biological cell, microparticle) located in the liquid medium (e.g. aqueous electrolyte solution, oil) as such is moved by dielectrophoretic forces. This is done by varying the electric field parameters. Since these can be changed very quickly and only small inertial effects occur when the object moves, the required changes to the lateral position are possible with a very short time sequence (e.g. a few ms per lateral position). All remaining structure used in the imaging process remains stationary.

Bei einer möglichen Ausgestaltung ist das Objekt ein Partikel, dessen Durchmesser 1-1000 µm, vorzugsweise 1-200 µm beträgt. Z.B. kann es sich bei dem Objekt um eine biologische Zelle handeln. Derartig kleine Partikel lassen sich in einem flüssigen Medium sehr gut per Elektrophorese bewegen. Zweckmäßig kann sich das Objekt in einem Mikrokanal befinden, der von dem flüssigen Medium durchströmt wird. Die Breite des Mikrokanals kann bis zu 1000 µm, vorzugsweise bis zu 500 µm betragen, wobei die Höhe in Richtung der Beleuchtungsstrahlung an den Partikeldurchmesser angepasst ist. Das bedeutet, dass die Höhe möglichst nur um ein geringes Maß größer als der Partikeldurchmesser ist, so dass der Partikel zwar in dem Mikrokanal lateral beweglich ist, die Beweglichkeit in Richtung parallel zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung aber eingeschränkt ist, und zwar möglichst in der Weise, dass sie für den Bildgebungsvorgang keine Relevanz hat. Durch das in dem Mikrokanal strömende Medium wird der abzubildende Partikel zugeführt. Die erzeugte dielektrophoretische Kraft hält den Partikel entgegen der durch die Strömung wirkenden Kraft in Position.In one possible embodiment, the object is a particle whose diameter is 1-1000 µm, preferably 1-200 µm. For example, the object can be a biological cell. Such small particles can be moved very well in a liquid medium using electrophoresis. The object can expediently be located in a microchannel through which the liquid medium flows. The width of the microchannel can be up to 1000 μm, preferably up to 500 μm, with the height in the direction of the illumination radiation being adapted to the particle diameter. This means that the height is, if possible, only slightly larger than the particle diameter, so that the particle can be moved laterally in the microchannel, but the mobility in the direction parallel to the course of the illumination radiation is limited, if possible in such a way that that it has no relevance to the imaging process. The particle to be imaged is fed through the medium flowing in the microchannel. The dielectrophoretic force generated holds the particle in position against the force acting through the flow.

Das Bewegen des Objektes kann vorteilhaft, wie oben erläutert, in einem dielektrischen Feldkäfig erfolgen, der durch eine Mehrzahl von auf oder in den Wandungen des Mikrokanals angeordneten Elektroden, die jeweils mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt werden, gebildet wird. Der dielektrische Feldkäfig kann z.B. durch acht mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagte, voneinander beabstandete Elektroden gebildet werden, von denen vier auf oder in der Bodenwandung und die anderen vier auf oder in der Deckwandung des Mikrokanals angeordnet sind. Eine solche Elektrodenanordnung ist besonders praktikabel. Die Anordnung kann mit geringem Aufwand bereitgestellt werden. Durch sie resultiert eine elektrische Oktopolanordnung, mit der sich sehr einfach gezielt Feldextrema zum Positionieren des Partikels erzeugen lassen. Das Bewegen des Objektes relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in die zwei oder mehreren Lateralpositionen kann dabei durch Variation der an die Elektroden angelegten elektrischen Wechselspannungen hinsichtlich Spannungsamplitude und/oder Frequenz und/oder Phase mit einfachen technischen Mitteln erfolgen. Die erforderlichen Frequenzen der elektrischen Wechselspannung liegen je nach den dielektrischen Eigenschaften des Objektes und des Mediums beispielsweise im MHz-Bereich. Bei einer einfachen Ausgestaltung werden die Elektroden mit Wechselspannungen derselben Frequenz beaufschlagt, wobei sich die Wechselspannungen, die an die einzelnen Elektroden angelegt werden, hinsichtlich der Phase voneinander unterscheiden. Die relative Phase bleibt dabei zeitlich konstant, es wird lediglich die Amplitude zur Bewegung des Partikels in die verschiedenen Lateralpositioen variiert. Dabei kann vorteilhaft jeder Lateralposition ein Satz von Wechselspannungswerten (z.B. ein Satz von Spannungsamplitudenwerten bei ansonsten unveränderlicher Frequenz und unveränderlichen relativen Phasen) zugeordnet sein, mit denen die Elektroden beaufschlagt werden.The object can advantageously be moved, as explained above, in a dielectric field cage, which is formed by a plurality of electrodes arranged on or in the walls of the microchannel, each of which is subjected to an electrical alternating voltage. The dielectric field cage can be formed, for example, by eight spaced-apart electrodes supplied with an alternating electrical voltage, four of which are arranged on or in the bottom wall and the other four on or in the top wall of the microchannel. Such an electrode arrangement is particularly practical. The arrangement can be provided with little effort. This results in an electrical octopole arrangement with which field extrema for positioning the particle can be generated very easily. Moving the object relative to the course of the illumination radiation into the two or more lateral positions can be done by varying the electrical alternating voltages applied to the electrodes in terms of voltage amplitude and/or frequency and/or phase using simple technical means. The required frequencies of the alternating electrical voltage are, for example, in the MHz range, depending on the dielectric properties of the object and the medium. In a simple embodiment, the electrodes are subjected to alternating voltages of the same frequency, with the alternating voltages applied to the individual electrodes differing from one another in terms of phase. The relative phase remains constant over time; only the amplitude for moving the particle into the different lateral positions is varied. In this case, each lateral position can advantageously be assigned a set of alternating voltage values (eg a set of voltage amplitude values with an otherwise constant frequency and constant relative phases), with which the electrodes are applied.

Bei einer praktischen Realisierung sollte die Bewegung des Objektes in der Weise erfolgen, dass in benachbarten Lateralpositionen mit der Beleuchtungsstrahlung beleuchtete Bereiche des Objektes räumlich überlappen. Die Überlappung ist vorteilhaft für die Konditionierung der Phasenrekonstruktion anhand der Intensitätsmuster.In a practical implementation, the movement of the object should take place in such a way that areas of the object illuminated with the illumination radiation spatially overlap in adjacent lateral positions. The overlap is advantageous for conditioning the phase reconstruction based on the intensity patterns.

Das erfindungsgemäße Bildgebungsverfahren eignet sich für Beleuchtungswellenlängen im Bereich zwischen 0,01 nm und 3 mm, vorzugsweise im Röntgenbereich, im XUV-Bereich, im VIS-Bereich, im IR-Bereich, im midlR-Bereich oder im THz-Bereich. Damit werden die relevanten praktischen Anwendungsfelder der Erfindung abgedeckt.The imaging method according to the invention is suitable for illumination wavelengths in the range between 0.01 nm and 3 mm, preferably in the X-ray range, in the XUV range, in the VIS range, in the IR range, in the midLR range or in the THz range. This covers the relevant practical fields of application of the invention.

Vorteilhaft kann die Detektion der Intensitätsmuster, wie bei der Ptychographie üblich, ohne abbildende Optik erfolgen. Abbildungsfehler von optischen Komponenten spielen somit bei der Bildgebung keine Rolle.Advantageously, the intensity patterns can be detected without imaging optics, as is usual in ptychography. Imaging errors in optical components therefore play no role in imaging.

Bei einer möglichen Ausgestaltung kann eine zur Strahlformung ausgelegte Maske im Strahlverlauf zwischen Beleuchtungslichtquelle und Objekt vorgesehen sein, um den beleuchteten Bereich auf dem Objekt, d.h. die Beleuchtungsfunktion präzise vorzugeben.In one possible embodiment, a mask designed for beam shaping can be provided in the beam path between the illumination light source and the object in order to precisely specify the illuminated area on the object, i.e. the illumination function.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1: schematisch ein erfindungsgemäßes Bildgebungssystem;
  • 2: Illustration der Bewegung eines Partikels im Feldkäfig per Dielektrophorese.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
  • 1 : schematically an imaging system according to the invention;
  • 2 : Illustration of the movement of a particle in the field cage using dielectrophoresis.

Die 1 zeigt schematisch ein Bildgebungssystem für die Ptychographie gemäß der Erfindung.The 1 shows schematically an imaging system for ptychography according to the invention.

Das System umfasst einen Laser 1 als Beleuchtungslichtquelle, der einen Laserstrahl als Beleuchtungsstrahlung emittiert. Als Beleuchtungsoptik 2 ist eine Maske im Strahlverlauf zwischen Beleuchtungslichtquelle 1 und Objekt 3 vorgesehen, um den beleuchteten Bereich präzise vorzugeben.The system includes a laser 1 as an illuminating light source, which emits a laser beam as illuminating radiation. A mask is provided as the illumination optics 2 in the beam path between the illumination light source 1 and the object 3 in order to precisely specify the illuminated area.

Eine Positionierungseinheit 4 und ein Flächendetektor 5 (z.B. ein CCD-Element) dienen zur Gewinnung von Bilddaten mittels der Ptychographie. Bei einem Ptychographiescan werden mittels einer Steuereinheit 6 die Positioniereinheit 4 und der Flächendetektor 5 in der Weise angesteuert, dass das Objekt 3 sequenziell in mehrere vorgegebene Lateralpositionen (quer zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung) bewegt wird und entsprechend mehrere Beugungsbilder als digitale Intensitätsmuster mittels des Flächendetektors 5 detektiert werden, wobei jeder der Lateralpositionen ein detektiertes Intensitätsmuster zugeordnet ist. Die den einzelnen Intensitätsmustern zugeordneten Positionsdaten werden zu den Intensitätsmustern auf einem Computer 7 gespeichert und aus der Kombination der Positionsdaten und den Intensitätsmustern entsteht ein Ptychographie-Datensatz. Ein geeigneter numerischer Phasenrekonstruktionsalgorithmus (wie er als solcher im Stand der Technik bekannt ist) wird mittels des Computers 7 auf den Ptychographie-Datensatz angewendet, um ein Bild des Objektes 3 zu erzeugen, das mittels des Computer 7 schließlich ausgegeben und (z.B. per Monitor) dargestellt werden kann.A positioning unit 4 and an area detector 5 (e.g. a CCD element) are used to obtain image data using ptychography. During a ptychography scan, the positioning unit 4 and the area detector 5 are controlled by means of a control unit 6 in such a way that the object 3 is moved sequentially into several predetermined lateral positions (transverse to the course of the illumination radiation) and correspondingly several diffraction images are detected as digital intensity patterns by means of the area detector 5 are assigned, with each of the lateral positions being assigned a detected intensity pattern. The position data assigned to the individual intensity patterns are stored on a computer 7 for the intensity patterns and a ptychography data set is created from the combination of the position data and the intensity patterns. A suitable numerical phase reconstruction algorithm (as known as such in the art) is applied to the ptychography data set by means of the computer 7 to produce an image of the object 3, which is finally output by means of the computer 7 and (e.g. via monitor) can be displayed.

Gemäß der Erfindung ist die Positionierungseinheit 4 dazu eingerichtet ist, das in einem von der Beleuchtungsstrahlung durchstrahlten flüssigen Medium befindliche Objekt 3 durch Dielektrophorese relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in die zwei oder mehreren Lateralpositionen zu bewegen. Das partikuläre Objekt 3 (z.B. biologische Zelle, Mikropartikel) wird dabei als solches bewegt. Hierfür befindet sich das Objekt 3 in einem transparenten flüssigen Medium (z.B. wässrige Lösung, Öle, Alkohol etc.) in einem ebenfalls für die Beleuchtungsstrahlung transparenten Mikrokanal 8, der von dem flüssigen Medium durchströmt wird (angedeutet in 1 durch Blockpfeile). Das Bewegen des Objektes 3 erfolgt in einem dielektrischen Feldkäfig, der durch eine Mehrzahl (hier acht) von auf den Boden- und Deckwandungen des Mikrokanals angeordneten Elektroden E1-E8, die jeweils mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt werden, gebildet wird. Der dielektrische Feldkäfig wird durch räumliche Feldextrema mittels der dargestellten Elektrodenanordnung erzeugt. Das durch das elektrische Feld polarisierte Objekt 3 wird auf diese Weise in einem Potentialtopf gefangen. Die acht Elektroden E1-E8 sind hierzu bei dem Ausführungsbeispiel rechtwinklig, kreuzförmig auf den Boden- und Deckwandungen angeordnet, wobei die freien Enden der Elektroden auf das von den Elektroden freibleibende Zentrum des Feldkäfigs zuweisen. In diesem freibleibenden Bereich wird der Feldkäfig von der Beleuchtungsstrahlung passiert. Ein derartiger Feldkäfig lässt sich nahezu beliebig miniaturisieren, entsprechend dem Durchmesser des abzubildenden Objektes 3. Elektrodenanordnungen mit typischen Abmessungen von wenigen 100 nm und darunter sind mittels Elektronenstrahl-Lithographie oder anderer aus dem Bereich der Halbleitertechnologie bekannter Strukturierungs- und Depositionsverfahren realisierbar. Die Manipulation von organischen Zellen erfordert einen Feldkäfig mit einem zwischen den Elektrodenspitzen freibleibenden Bereich mit Längenabmessungen von 10 bis 200 µm. Als günstig hat sich ein Verhältnis von Kammer- zu Objektdurchmesser von 2 bis 40 erwiesen. Für die Handhabung biologischer Zellen sind Temperaturen über 270 K und leitfähige Elektrolytlösungen als flüssiges Medium sinnvoll. Der dielektrische Feldkäfig schirmt in dem erzeugten Potentialtopf gefangene Objekte gegen das Eindringen weiterer Objekte ab.According to the invention, the positioning unit 4 is set up to be in a liquid irradiated by the illuminating radiation To move the object 3 located in the medium into the two or more lateral positions by dielectrophoresis relative to the course of the illumination radiation. The particulate object 3 (eg biological cell, microparticle) is moved as such. For this purpose, the object 3 is located in a transparent liquid medium (e.g. aqueous solution, oils, alcohol, etc.) in a microchannel 8, which is also transparent to the illuminating radiation and through which the liquid medium flows (indicated in 1 by block arrows). The object 3 is moved in a dielectric field cage, which is formed by a plurality (here eight) of electrodes E1-E8 arranged on the bottom and top walls of the microchannel, each of which is supplied with an alternating electrical voltage. The dielectric field cage is generated by spatial field extrema using the electrode arrangement shown. The object 3 polarized by the electric field is trapped in a potential well in this way. In the exemplary embodiment, the eight electrodes E1-E8 are arranged at right angles in a cross shape on the bottom and top walls, with the free ends of the electrodes pointing towards the center of the field cage that is free of the electrodes. In this free area, the field cage is passed through by the lighting radiation. Such a field cage can be miniaturized in almost any way, depending on the diameter of the object 3 to be imaged. Electrode arrangements with typical dimensions of a few 100 nm and below can be realized using electron beam lithography or other structuring and deposition processes known from the field of semiconductor technology. The manipulation of organic cells requires a field cage with a free area between the electrode tips with length dimensions of 10 to 200 µm. A ratio of chamber diameter to object diameter of 2 to 40 has proven to be favorable. Temperatures above 270 K and conductive electrolyte solutions as a liquid medium are useful for handling biological cells. The dielectric field cage shields objects trapped in the potential well created from the intrusion of further objects.

Die acht auf der Boden- und Deckwandung des Mikrokanals 8 angeordneten Elektroden E1-E8 bilden bei dem Ausführungsbeispiel der 1 einen Oktopol, in dem bei Beaufschlagung der einzelnen Elektroden E1-E8 mit um 180° phasenverschobenen Wechselfeldern ein elektrisches Feldextremum im Zentrum der Anordnung entsteht, in welches das Objekt 3 bei geeigneter Wechselfeldfrequenz (im MHz-Bereich) getrieben wird. Durch Variation der an den einzelnen Elektroden E1-E8 angelegten Spannungsamplituden verändert sich die Verteilung der lokalen elektrischen Feldstärke und damit die dielektrophoretische Kraft, die auf das Objekt 8 wirkt, wodurch es in unterschiedliche Bereiche des Feldkäfigs lateral verschoben wird. Dies illustriert die 2, die ein Schema eines dielektrophoretischen Feldkäfigs mit den Elektroden E1-E8 zeigt und ein in der Feldfalle gefangenes Objekt 3 (nicht maßstabsgetreu). Die Pfeile verdeutlichen die Translation des Partikels, wenn ein oder mehrere Elektrodenpaare gegenüber den anderen durch Ansteuerung mit einer gegenüber U1 niedrigeren Spannungsamplitude U2 beufschlagt werden. Der Spitze-Spitze-Abstand einander diagonal gegenüberliegender Elektroden beträgt hier 40 µm, was z.B. die Manipulation von biologischen Zellen mit einem Durchmesser um 10 µm erlaubt.The eight electrodes E1-E8 arranged on the bottom and top walls of the microchannel 8 form the 1 an octopole in which, when the individual electrodes E1-E8 are exposed to alternating fields that are phase-shifted by 180°, an electric field extremum is created in the center of the arrangement, into which the object 3 is driven at a suitable alternating field frequency (in the MHz range). By varying the voltage amplitudes applied to the individual electrodes E1-E8, the distribution of the local electric field strength and thus the dielectrophoretic force that acts on the object 8 changes, causing it to be laterally displaced into different areas of the field cage. This illustrates the 2 , which shows a schematic of a dielectrophoretic field cage with electrodes E1-E8 and an object caught in the field trap 3 (not to scale). The arrows illustrate the translation of the particle when one or more pairs of electrodes are subjected to a voltage amplitude U2 that is lower than that of the others by driving. The tip-to-tip distance between diagonally opposite electrodes is 40 µm, which allows, for example, the manipulation of biological cells with a diameter of around 10 µm.

Die maximale Positionsverschiebung, welche mit der beschriebenen Anordnung erzielt werden kann, ist gegeben durch das Verhältnis aus Größe des Feldkäfigs (welche durch den Abstand benachbarter Elektroden E1-E8 bestimmt ist) und den Objektdurchmesser. Dieses Verhältnis kann zweckmäßig so gewählt werden, dass der Bewegungsspielraum eines typischen Objektes 3 (z.B. biologische Zelle, Mikropartikel) den zweifachen Durchmesser des Feldkäfigs übersteigt. Dies ist für einen Ptychographiescan ausreichend. Die Genauigkeit der Positionierung liegt in der Praxis im Bereich < 50 nm, abhängig von der Präzision und Stabilität der Wechselspannungserzeugung hinsichtlich Frequenz, Phase und Amplitude. Die Genauigkeit hängt auch von möglichen hydrodynamischen und/oder thermischen Störungen in dem flüssigen Medium ab. Ggf. kann der Fluidstrom bei der Detektion des Intensitätsmusters jeweils gestoppt werden, um die Genauigkeit zu erhöhen.The maximum position shift that can be achieved with the arrangement described is given by the ratio of the size of the field cage (which is determined by the distance between adjacent electrodes E1-E8) and the object diameter. This ratio can expediently be chosen so that the range of motion of a typical object 3 (e.g. biological cell, microparticle) exceeds twice the diameter of the field cage. This is sufficient for a ptychography scan. In practice, the accuracy of the positioning is in the range < 50 nm, depending on the precision and stability of the alternating voltage generation in terms of frequency, phase and amplitude. The accuracy also depends on possible hydrodynamic and/or thermal disturbances in the liquid medium. If necessary, the fluid flow can be stopped when the intensity pattern is detected in order to increase the accuracy.

Im Gegensatz zu den üblicherweise im Rahmen einer Ptychographie zur Positionierung bzw. Bewegung eines partikulären Objektes relativ zur Beleuchtungsstrahlung eingesetzten Techniken ermöglicht die Nutzung der Dielektrophorese sehr viel schnellere zeitliche Abfolgen von Lateralpositionen, wodurch Aufnahmen mit höherer Bildrate durchgeführt werden können. Die Geschwindigkeit der Bildaufnahme (Messzeit pro Fläche) kann um mehrere Größenordnungen gesteigert werden. Außerdem kann auf aufwändige und teure Präzisionsmechanik zur Positionierung verzichtet werden, was die Kosten des Aufbaus senkt. Insbesondere dann, wenn das Objekt, wie bei biologischen Zellen, in einer Flüssigkeit vorliegt/vorliegen muss, kann die Positionierung mittels Dielektrophorese wesentlich genauer sein als die mechanische Bewegung der gesamten Flüssigkeitszelle mit verzögerter und ggfs. unvollständiger sowie kaum reproduzierbarer Folgebewegung des Objektes im Fluid. Somit lässt sich durch die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik auch die Qualität der erzeugten Bilder erhöhen.In contrast to the techniques usually used in ptychography to position or move a particulate object relative to the illuminating radiation, the use of dielectrophoresis enables much faster temporal sequences of lateral positions, which means that recordings can be carried out at a higher frame rate. The speed of image acquisition (measuring time per area) can be increased by several orders of magnitude. In addition, complex and expensive precision mechanics for positioning can be dispensed with, which reduces the costs of the structure. In particular, if the object is/must be in a liquid, as is the case with biological cells, the positioning using dielectrophoresis can be much more precise than the mechanical movement of the entire liquid cell with delayed and possibly incomplete and hardly reproducible subsequent movement of the object in the fluid. The invention can therefore also increase the quality of the images generated compared to the prior art.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • J. Rodenburg and A. Maiden, „Ptychography“ in „Springer Handbook of Microscopy“, herausgegeben von P. W. Hawkes und J. C. H. Spence , Springer International Publishing, 2019, Seiten 819 bis 904 [0006]J. Rodenburg and A. Maiden, “Ptychography” in “Springer Handbook of Microscopy”, edited by P. W. Hawkes and J. C. H. Spence, Springer International Publishing, 2019, pages 819 to 904 [0006]

Claims (16)

Bildgebungsverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten: - Erzeugung von zumindest teilkohärenter elektromagnetischer Beleuchtungsstrahlung, - Beleuchten eines Objektes (3) mit der Beleuchtungsstrahlung, - Bewegen des Objektes (3) lateral relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in zwei oder mehrere Lateralpositionen, - Detektieren von mehreren Intensitätsmustern, wobei jeder der Lateralpositionen ein detektiertes Intensitätsmuster zugeordnet ist, wobei die Intensitätsmuster durch Streuung oder Beugung der Beleuchtungsstrahlung an dem Objekt (3) in einer Detektionsebene erzeugt werden, und - Rekonstruieren eines Bildes des Objektes (3) aus den detektierten Intensitätsmustern mittels eines Phasenrekonstruktionsalgorithmus, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Objekt (3) in einem von der Beleuchtungsstrahlung durchstrahlten flüssigen Medium befindet und darin durch Dielektrophorese relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in die zwei oder mehreren Lateralpositionen bewegt wird.Imaging method with the following method steps: - generating at least partially coherent electromagnetic illumination radiation, - illuminating an object (3) with the illumination radiation, - moving the object (3) laterally relative to the course of the illumination radiation into two or more lateral positions, - detecting several intensity patterns, wherein each of the lateral positions is assigned a detected intensity pattern, the intensity patterns being generated by scattering or diffraction of the illumination radiation on the object (3) in a detection plane, and - reconstructing an image of the object (3) from the detected intensity patterns using a phase reconstruction algorithm, thereby characterized in that the object (3) is located in a liquid medium through which the illuminating radiation is irradiated and is moved therein by dielectrophoresis into the two or more lateral positions relative to the course of the illuminating radiation. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Objekt (3) ein Partikel ist, dessen Durchmesser 1-1000 µm, vorzugsweise 1-200 µm beträgt.imaging procedures Claim 1 , wherein the object (3) is a particle whose diameter is 1-1000 µm, preferably 1-200 µm. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 2, wobei sich das Objekt (3) in einem Mikrokanal (8) befindet, der von dem flüssigen Medium durchströmt wird, dessen Breite bis zu 1000 µm, vorzugsweise bis zu 500 µm beträgt und dessen Höhe in Richtung der Beleuchtungsstrahlung an den Partikeldurchmesser angepasst ist.imaging procedures Claim 2 , wherein the object (3) is located in a microchannel (8) through which the liquid medium flows, the width of which is up to 1000 µm, preferably up to 500 µm and the height of which is adapted to the particle diameter in the direction of the illuminating radiation. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das Bewegen des Objektes (3) in einem dielektrischen Feldkäfig erfolgt, der durch eine Mehrzahl von auf oder in den Wandungen des Mikrokanals angeordneten Elektroden (E1-E8), die jeweils mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt werden, gebildet wird.imaging procedures Claim 3 , wherein the object (3) is moved in a dielectric field cage, which is formed by a plurality of electrodes (E1-E8) arranged on or in the walls of the microchannel, each of which is subjected to an alternating electrical voltage. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 4, wobei der dielektrische Feldkäfig durch acht mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagte, voneinander beabstandete Elektroden (E1-E8) gebildet wird, von denen vier auf oder in der Bodenwandung und die anderen vier auf oder in der Deckwandung des Mikrokanals (8) angeordnet sind.imaging procedures Claim 4 , wherein the dielectric field cage is formed by eight spaced-apart electrodes (E1-E8) supplied with an alternating electrical voltage, four of which are arranged on or in the bottom wall and the other four on or in the top wall of the microchannel (8). Bildgebungsverfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Bewegen des Objektes (3) relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in die zwei oder mehreren Lateralpositionen durch Variation der elektrischen Wechselspannungen hinsichtlich Spannungsamplitude und/oder Frequenz und/oder Phase erfolgt.imaging procedures Claim 4 or 5 , wherein the object (3) is moved relative to the course of the illumination radiation into the two or more lateral positions by varying the electrical alternating voltages in terms of voltage amplitude and/or frequency and/or phase. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 6, wobei jeder Lateralposition ein Satz von Wechselspannungswerten zugeordnet ist, mit denen die Elektroden (E1-E8) beaufschlagt werden.imaging procedures Claim 6 , whereby each lateral position is assigned a set of alternating voltage values with which the electrodes (E1-E8) are applied. Bildgebungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Objekt (3) eine einzelne biologische Zelle oder ein Aggregat mehrerer biologischer Zellen ist.Imaging method according to one of the Claims 1 until 7 , where the object (3) is a single biological cell or an aggregate of several biological cells. Bildgebungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Beleuchtungswellenlänge im Bereich zwischen 0,01 nm und 3 mm liegt, vorzugsweise im Röntgenbereich, im XUV-Bereich, im VIS-Bereich, im IR-Bereich, im midlR-Bereich oder im THz-Bereich.Imaging method according to one of the Claims 1 until 8th , where the illumination wavelength is in the range between 0.01 nm and 3 mm, preferably in the X-ray range, in the XUV range, in the VIS range, in the IR range, in the midLR range or in the THz range. Bildgebungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in benachbarten Lateralpositionen mit der Beleuchtungsstrahlung beleuchtete Bereiche des Objektes (3) räumlich überlappen.Imaging method according to one of the Claims 1 until 9 , with areas of the object (3) illuminated by the illumination radiation spatially overlapping in adjacent lateral positions. Bildgebungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit - einer Beleuchtungslichtquelle (1), eingerichtet zur Erzeugung von zumindest teilkohärenter elektromagnetischer Beleuchtungsstrahlung, - einer Positionierungseinheit (4), eingerichtet zum Bewegen des Objektes (3) und des Verlaufs der Beleuchtungsstrahlung relativ zueinander, - einen Flächendetektor (5), eingerichtet zum Detektieren von Intensitätsmustern, die durch Streuung oder Beugung der Beleuchtungsstrahlung an dem Objekt (3) in einer durch die Ebene des Flächendetektors (5) vorgegebenen Detektionsebene erzeugt werden, - einer Steuereinheit (6), eingerichtet zum Ansteuern der Positionierungseinheit (4) und des Flächendetektors (5) in der Weise, dass das Objekt (3) sequenziell in zwei oder mehrere vorgegebene Lateralpositionen bewegt wird und zwei oder mehrere Intensitätsmuster detektiert werden, wobei jeder der Lateralpositionen ein detektiertes Intensitätsmuster zugeordnet ist, und - einen Computer (7), der durch Software dazu eingerichtet ist, ein Bild des Objektes (3) aus den detektierten Intensitätsmustern mittels eines Phasenrekonstruktionsalgorithmus zu rekonstruieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinheit (4) dazu eingerichtet ist, das in einem von der Beleuchtungsstrahlung durchstrahlten flüssigen Medium befindliche Objekt (3) durch Dielektrophorese relativ zum Verlauf der Beleuchtungsstrahlung in die zwei oder mehreren Lateralpositionen zu bewegen.Imaging system for carrying out the method according to one of the Claims 1 until 10 , with - an illumination light source (1), set up to generate at least partially coherent electromagnetic illumination radiation, - a positioning unit (4), set up to move the object (3) and the course of the illumination radiation relative to one another, - an area detector (5), set up for Detecting intensity patterns that are generated by scattering or diffraction of the illumination radiation on the object (3) in a detection plane predetermined by the plane of the area detector (5), - a control unit (6), set up to control the positioning unit (4) and the area detector (5) in such a way that the object (3) is moved sequentially into two or more predetermined lateral positions and two or more intensity patterns are detected, each of the lateral positions being assigned a detected intensity pattern, and - a computer (7) which is operated by Software is set up to reconstruct an image of the object (3) from the detected intensity patterns using a phase reconstruction algorithm, characterized in that the positioning unit (4) is set up to pass through the object (3) located in a liquid medium irradiated by the illuminating radiation To move dielectrophoresis into the two or more lateral positions relative to the course of the illumination radiation. Bildgebungssystem nach Anspruch 11, wobei die Positionierungseinheit (4) einen von dem flüssigen Medium durchströmbaren Mikrokanal (8) zur Aufnahme des Objektes (3) umfasst, dessen Breite bis zu 1000 µm, vorzugsweise bis zu 500 µm beträgt und dessen Höhe in Richtung der Beleuchtungsstrahlung an den Durchmesser des Objektes (3) angepasst ist.imaging system Claim 11 , wherein the positioning unit (4) comprises a microchannel (8) through which the liquid medium can flow for receiving the object (3), the width of which is up to 1000 µm, preferably up to 500 µm and the height of which in the direction of the illuminating radiation corresponds to the diameter of the Object (3) is adapted. Bildgebungssystem nach Anspruch 12, wobei die Positionierungseinheit (4) dazu eingerichtet ist, das Objekt (3) in einem dielektrischen Feldkäfig zu bewegen.imaging system Claim 12 , wherein the positioning unit (4) is set up to move the object (3) in a dielectric field cage. Bildgebungssystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei auf oder in den Wandungen des Mikrokanals (8) mehrere Elektroden (E1-E8) angeordnet sind, wobei die Positionierungseinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Elektroden (E1-E8) jeweils mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen.imaging system Claim 12 or 13 , wherein a plurality of electrodes (E1-E8) are arranged on or in the walls of the microchannel (8), the positioning unit (4) being set up to apply an alternating electrical voltage to the electrodes (E1-E8). Bildgebungssystem nach Anspruch 14, wobei acht jeweils mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagbare, voneinander beabstandete Elektroden (E1-E8) vorgesehen sind, von denen vier auf oder in der Bodenwandung und die anderen vier auf oder in der Deckwandung des Mikrokanals (8) angeordnet sind.imaging system Claim 14 , wherein eight spaced-apart electrodes (E1-E8) are provided, each of which can be acted upon by an alternating electrical voltage, four of which are arranged on or in the bottom wall and the other four on or in the top wall of the microchannel (8). Bildgebungssystem nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Positionierungseinheit (5) dazu eingerichtet ist, die elektrischen Wechselspannungen hinsichtlich Spannungsamplitude und/oder Frequenz und/oder Phase zu variieren.imaging system Claim 14 or 15 , wherein the positioning unit (5) is set up to vary the electrical alternating voltages in terms of voltage amplitude and / or frequency and / or phase.
DE102022117214.7A 2022-07-11 2022-07-11 Ptychographic imaging method and system Pending DE102022117214A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022117214.7A DE102022117214A1 (en) 2022-07-11 2022-07-11 Ptychographic imaging method and system
PCT/EP2023/069113 WO2024013130A1 (en) 2022-07-11 2023-07-11 Ptychographic imaging method and imaging system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022117214.7A DE102022117214A1 (en) 2022-07-11 2022-07-11 Ptychographic imaging method and system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022117214A1 true DE102022117214A1 (en) 2024-01-11

Family

ID=87520107

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022117214.7A Pending DE102022117214A1 (en) 2022-07-11 2022-07-11 Ptychographic imaging method and system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022117214A1 (en)
WO (1) WO2024013130A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60202374T2 (en) 2002-10-25 2005-12-08 Evotec Technologies Gmbh Method and apparatus for taking three-dimensional images of suspended micro-objects using high-resolution microscopy
US20210191096A1 (en) 2019-02-06 2021-06-24 Olympus Corporation Image pickup apparatus
WO2022096315A1 (en) 2020-11-06 2022-05-12 Technische Universität München Analysis of tissue samples using quantitative phase-contrast microscopy

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60202374T2 (en) 2002-10-25 2005-12-08 Evotec Technologies Gmbh Method and apparatus for taking three-dimensional images of suspended micro-objects using high-resolution microscopy
US20210191096A1 (en) 2019-02-06 2021-06-24 Olympus Corporation Image pickup apparatus
WO2022096315A1 (en) 2020-11-06 2022-05-12 Technische Universität München Analysis of tissue samples using quantitative phase-contrast microscopy

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Rodenburg and A. Maiden, „Ptychography" in „Springer Handbook of Microscopy", herausgegeben von P. W. Hawkes und J. C. H. Spence , Springer International Publishing, 2019, Seiten 819 bis 904
RODENBURG, John ; MAIDEN, Andrew: Ptychography. In: HAWKES, P.W., SPENCE, J.C.H. (eds) - Springer Handbook of Microscopy. Cham : Springer International Pub., 2019 (Springer Handbooks (SHB)). S. 819-904. - ISBN 978-3-030-00068-4 (P); 978-3-030-00069-1 (E). DOI: /10.1007/978-3-030-00069-1_17.

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024013130A1 (en) 2024-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010023099B3 (en) Method and device for characterizing biological objects
EP3528029B1 (en) Microscope
DE69931346T2 (en) DEVICE FOR GENERATING OPTICAL GRADIENT RESOURCES
DE102006062823B4 (en) Method and microscope for spatially high-resolution examination of samples
EP2718762B1 (en) High-resolution luminescence microscopy
WO2014005682A2 (en) Microscope and method for spim microscopy
EP3447559B1 (en) High resolution 2d microscopy with improved cut thickness
EP1157297A1 (en) Method and device for representing an object
EP3650905B1 (en) Improved method and devices for microscopy with structured illumination
DE102018124984A1 (en) Method and device for high-resolution fluorescence microscopy
DE102011002583B9 (en) Particle beam apparatus and method for processing and / or analyzing a sample
EP3304165B1 (en) Assembly and method for beam shaping and for light sheet microscopy
EP2535754A1 (en) Sampling microscope and method for imaging an object using a light microscope
DE102011112649A1 (en) Laser spot control in MALDI mass spectrometers
DE112015001072B4 (en) Fluorescence spectrometer
EP2976627B1 (en) Method for generating image data relating to an object
DE102009015341A1 (en) Method for optical testing of sample during e.g. chemical analysis, involves detecting optical emission of sample depending on characteristic modulation i.e. temporally periodic modulation, of particle beam
WO2016071033A1 (en) Method for generating an image of a sample
EP3374755A1 (en) Light microscope and method for determining a wavelength-dependent refractive index of a sample medium
DE102022117214A1 (en) Ptychographic imaging method and system
DE102015116598A1 (en) Method and microscope for high-resolution imaging by means of SIM
LU93143B1 (en) A method of assaying a sample and apparatus for carrying out such a method
DE102014019408B4 (en) Imaging energy filter device and method of operation thereof
DE102022112789A1 (en) Ptychographic imaging method and system
DE102014113827A1 (en) Device for imaging a sample

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed