WO2025016759A1 - Minflux or sted minflux microscope having increased temporal-spatial resolution, and corresponding method - Google Patents
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Definitions
- the invention is directed to a microscope and to MINFLUX methods or STED-MINFLUX methods that can be carried out with the microscope for determining the location of individual emitters with high temporal and spatial resolution or for tracking emitters with high temporal and spatial resolution.
- the emitters in question can in particular be individual fluorophores.
- MINFLUX nanoscopy is a method of localization microscopy.
- the localization of individual emitters, in particular individual fluorophores, is carried out using structured illumination light distributions, whereby the illumination light is scattered at the emitters or whereby the illumination light excites them to luminescence, in particular to fluorescence, and in such a general sense is an excitation light.
- the fundamental special feature of MINFLUX nanoscopy is that the illumination of the emitters, in particular the excitation of the fluorophores, is carried out in such a way that an emitter to be localized or an emitter whose movement in a sample is to be tracked is placed at different positions close to one or at a minimum of the excitation light distribution, which is ideally a zero point, whereby the excitation light distribution has an intensity increase region adjacent to the minimum.
- This ensures that the amount of photons scattered by the emitter or the fluorescence photons or each individual such photon contains a lot of information about the current position of the respective emitter. This is particularly true for applications in which the movement of fluorophores is to be tracked over time.
- the light emitted from the area of the minimum is detected.
- Tracking an individual emitter using an excitation minimum is known, for example, from patent DE 10 2011 055 367 B4, and localizing an individual fluorescent molecule using an intensity distribution of excitation light with a local intensity minimum is known from German patent DE 10 2013 114 860 B3.
- German patent DE 10 2013 114 860 B3 On this basis, a number of refinements for information acquisition have been developed that enable localization of the fluorophores with an uncertainty in the range below 2 nm and tracking of the movement of individual fluorophores both within a range of a few nanometers and within a range of a few micrometers.
- MINFLUX nanoscopy A detailed but not exhaustive description of MINFLUX nanoscopy can be found in the publication “Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes” (F. Balzarotti et al., Science 355, 606-612 (2017), DOI:10.1126/science. aak9913 ). Non-iterative MINFLUX localization and tracking of individual fluorophores using MINFLUX are experimentally demonstrated. The concept of iterative MINFLUX is also presented. Basically, in order to be able to localize a fluorophore using MINFLUX nanoscopy as described in the publication mentioned, the intensity minimum or zero point must be placed at a number of positions relative to the position of the fluorophore.
- a current position of the fluorophore in a preparatory step, must be estimated with an initial, lower level of accuracy or must be known. This can be done, for example, using conventional localization microscopy (PALM, STORM) or other known methods.
- the fluorescence response of the fluorophore is measured. The same is usually done for several other positions of the intensity distribution that are placed around the estimated position and, if necessary, also for the position that corresponds to the estimated position.
- the set of all such scanning positions forms a set of scanning positions.
- the position of the fluorophore is determined with greater accuracy by means of a ratiometric evaluation of the intensity ratios. This more precisely determined position can now be used as the starting position for repeating the sequence of the aforementioned steps, whereby the positions of the minimum of the intensity distribution of excitation light can be placed closer to the estimated position of the fluorophore in the case of a fluorophore localization. This process can be continued iteratively. If the movement of an emitter is to be tracked, it may be useful not to reduce the distance of the positions at which the intensity minimum is placed from the position estimated in the previous step from step to step.
- European patent EP 3 372 990 B1 discloses a method in which a set or sets of scanning positions are scanned with a local zero of an intensity distribution of fluorescence prevention light, which is superimposed with, for example, a Gaussian intensity distribution of excitation light.
- the position of the fluorophore can then be determined in basically the same way as with MINFLUX methods, whereby the dependence of the fluorescence intensity on the distance of the fluorophore with respect to the zero of the intensity distribution of the fluorescence prevention light differs from MINFLUX in that the fluorescence intensity or the rate at which photons can be detected decreases with increasing distance.
- STED-MINFLUX methods are referred to in this application as STED-MINFLUX methods.
- the international publication WO 2021/122407 A1 discloses a method for correcting, in particular, short-term, transient interference in a laser scanning microscope and a laser scanning microscope with a device for detecting an interference, which is designed to carry out an interference correction method.
- the microscope can contain a scanner system that has EOD and a scanner that serves for a comparatively slow but possible coarse positioning of the focused excitation light over a large image field.
- the scanner can be designed in a quad configuration.
- a method for correcting interference during image recordings according to the MINFLUX principle is disclosed.
- the invention disclosed in the publication solves the problem of achieving a high level of localization accuracy even if interference occurring during data recording according to the MINFLUX method cannot be avoided by determining the size of an interference during data recording for a localization, from which a weighting factor is derived that is taken into account when determining the location of a dye molecule;
- the data acquisition is interrupted and continued depending on the size of the disturbance.
- the size of the disturbance can be detected using different types of sensors.
- the size of the disturbance is detected by passing a measuring light beam provided by an auxiliary light source along a section of the beam path together with the beam of an excitation light and/or a fluorescence prevention light and is finally directed to a position-sensitive detector.
- the signal from the measuring device for detecting a disturbance can be used to carry out a beam position correction, in particular by applying a corrected control signal to electro-optical deflectors of a beam deflection device, so that a scanning position of an intensity minimum of the excitation light in the sample is held at its target position.
- a device is described and shown in a figure in which a measuring light beam provided by an auxiliary light source is coupled into the beam path of the excitation light by means of a first dichroic beam splitter and is coupled out again at another point with the help of a further dichroic beam splitter, wherein in the section between the beam splitters the measuring light beam runs in the beam path of the excitation light.
- the excitation light beam runs in the beam direction through an electro-optical deflection device, which has two electro-optical deflectors connected in series to deflect the excitation light beam in the horizontal and vertical directions, and after passing the further dichroic beam splitter through another scanner, for example in a quad configuration, i.e. a special arrangement with four tilting mirrors.
- the beam path section common to the measuring light beam and the excitation light beam does not include a deflection device or scanner.
- the publication states that both scanning with an EOD and scanning with a mechanical scanner results in jitter in the sense of a time-varying deviation of the actual position from a target position.
- the size of the jitter depends on the scanning speed.
- the inertia of the mass causes disturbances during fast scanning, while various drifts can occur during slow scanning.
- the experimental determination of the respective jitter shows that the jitter of the EOD and the mechanical scanner in the existing configuration are in the same order of magnitude, namely in the range of single-digit values in nanometers, and can also be neglected in connection with high-resolution STED measurements.
- the publication US 2002/179828 A1 is directed at a device for scanning a sample, with which image data that is largely free of image errors can be generated even when scanning a sample quickly.
- the device has, among other things, a device for determining an actual signal for each scan point from the setting of a scanning device. It also has a processing unit for calculating a display signal and an image point position from the actual signal and/or the target signal provided by a control unit of the scanning device and the detection signal of a detection device, as well as a processing unit for assigning the display signal to the image point position.
- the German patent DE 10 2007 008 009 B3 describes a scanning microscope that has a beam deflection device and a detection device, wherein the detection device detects at least one piece of information about a frequency and/or a phase and/or an amplitude of the beam deflection device.
- the patent is directed at a method in which the measurement signal of the detection device is processed and, after processing, is used either to control the deflection device or to assign image data to positions in the sample.
- a direct digital synthesis method is used for the processing; according to the standard technical definition, this is a method in which periodic, band-limited signals are obtained.
- the method according to the patent solves a problem in particular with fast resonant scanning, namely that a phase shift occurs between the control signal of a resonant scanner and the course of the scanning by the scanner, depending on the control frequency and the quality of the resonator.
- the detection device can be a device integrated in a scanner.
- an auxiliary light beam is directed to the back of a galvanometer mirror.
- the auxiliary light beam reflected at the back of the mirror and deflected according to the position of the galvanometer mirror is directed to a position-sensitive detector, the signal of which forms the measurement signal.
- a collimated laser beam is directed onto a mirror of a resonant galvo scanner and from the mirror through a focusing Lens in the direction of a photodiode, in front of which a slit is placed in the focus of the lens, so that the photodiode regularly detects light and emits a signal when the scanner passes through zero, when the light is deflected by the scanner at a right angle.
- Light from a reference laser is directed via a lens and the scanner's mirror to another detection device consisting of a photodiode and a slit.
- the reference laser is switched in such a way that a reference signal is only received during a single zero crossing of an oscillation cycle. This reference signal is fed back to the control of the resonant scanner.
- the publication US 2021/239452 A1 is directed to a device for measuring an angle of a collimated coherent light beam, a beam stabilization device and a laser scanning microscope with a beam stabilization device.
- the measuring device aims to measure an angle so precisely that angular changes that lead to deviations in the position of an illumination focus in a sample in the order of 1 nm after focusing through an objective can be detected.
- a microscope is described which has a laser whose light is collimated and directed to a beam splitter. Part of the light passes through the beam splitter and is focused into a sample through an objective, another part is directed through the beam splitter in the direction of the measuring device for measuring an angle of the collimated coherent light beam.
- the beam stabilization device and its function are not explained in more detail.
- the galvo scanners enable the scanning of a large scan field, the EODs enable fast fine adjustment.
- the combined scanning system is controlled as follows: A control device sends a control signal to the scanning device, whereby the signal is divided in such a way that the galvo scanners receive a target signal; in addition, an actual signal is tapped from the galvo scanners at a monitoring output, which is provided by the position sensors implemented at the factory; the target signal is not only output to the galvo scanners, but also to comparators, into which, in addition to the target signal, the actual signal tapped at the monitoring output is fed; the difference between the target signal and the The actual signal is sent to the EOD as a correction signal so that, in conjunction with the deflection by the EOD, the target scanning point is reached quickly and precisely, regardless of the inertia-related delay in setting the galvo scanner.
- the device is used to locally vary the scanning speed, ie the duration during which a pixel is addressed
- the sampling points of a single set of sampling points are each addressed using the EOD.
- the adjustment of the position of the center of a set is then carried out using the galvo scanners.
- the microscope is used to track biomolecules over a period of time in the range of seconds with a time resolution in the range of 100 microseconds.
- the publication mentions that the accuracy of the position determination during the tracking of a particle is reduced by the particle moving during the determination of the individual positions.
- the invention is therefore based on the object of providing solutions which, when using a microscope with a beam scanner when carrying out MINFLUX methods or STED-MINFLUX methods, enable an improved spatial-temporal resolution of the localization of individual emitters, in particular individual fluorophores.
- emitters are understood to mean objects which, when illuminated with excitation light, can be considered as point light sources with regard to the measurements according to the invention.
- the light emitted by the object acting as a point light source can, for example, be scattered light resulting from elastic scattering such as Rayleigh scattering or inelastic scattering such as Raman scattering, or it can be luminescent light, in particular fluorescent light. It is essential for an emitter that it emits light immediately or with a small time delay in response to illumination. When movements of the emitter are to be tracked, the maximum time delay is related to the temporal resolution with which the movements of the light-emitting particles or light-emitting units are to be tracked and to the speed with which the particles or units move in the sample.
- the time delays can be up to about 10 ps, but are usually in the Range up to several tens of nanoseconds, frequently in the range of 1 to 10 ns and, if the emission is scattered light, at zero.
- fluorescence emitter is used to describe emitters that act as fluorescence point light sources. Emitters can be, for example, metallic nanoparticles. The more specific term fluorescence emitter includes, for example, individual fluorescent dye molecules or their fluorescent chemical groups. Instead of dyes, other fluorescent units such as quantum dots or up-converting nanoparticles can also be used for marking.
- excitation light is therefore understood to mean not only fluorescence excitation light, but generally light that causes light to emanate from an emitter.
- an emitter is referred to as isolated if a distance to a next-neighbouring emitter from which it is optically indistinguishable is at least as large as a distance corresponding to the resolution of the optical arrangement with which the emissions are detected when carrying out the method.
- emission suppression light is understood to mean light that prevents, reduces or completely suppresses the emission of an emitter.
- the emission suppression light can be stimulation light or STED light.
- STED light is understood, as is generally the case, to be light that suppresses fluorescence emission by exciting stimulated emission.
- STED light is a special form of emission suppression light.
- MINFLUX methods are used to summarize localization and tracking methods for individual emitters in which light distributions of illumination light that excites light emissions from the emitter are generated at the focus in the sample, the light distributions having a local minimum, and in which the position of an individual emitter is determined by detecting light emissions from the emitter for different positions of the minima of the respective light distributions or for different such light distributions in a close range of the emitter, the smaller the distance between the emitter and the minimum of the light distribution, the less light is emitted by the emitter.
- STED-MINFLUX methods are understood to mean methods corresponding to the MINFLUX methods as defined above, with the difference that instead of the intensity distribution of excitation light, an intensity distribution of emission suppression light occurs, which overlaps with excitation light.
- the fact that the intensity distribution of emission suppression light overlaps with excitation light means that the sample in the region of the intensity minimum and the adjacent sections of the intensity increase regions of the emission suppression light, within which an emitter is located, are exposed to excitation light in such a way that an emission of the emitter is excited or would be excited in the absence of emission suppression light, so that the emission suppression light, according to its intensity distribution, affects the excited emission or the excitation of the emission in such a way that a measured emission of an emitter located within the intensity distribution of the emission suppression light decreases with increasing distance from the intensity minimum.
- the emission suppression light is STED light and the emitter is a fluorescence emitter, this means that the spontaneous emission of the fluorescence emitter decreases with increasing distance from the intensity minimum of the STED light.
- the stimulated emission of the emitter which has the same wavelength as the STED light, does not contribute to the measured emission, as is usual in STED microscopy; it is blocked, for example, by a filter.
- the fact that the intensity distribution of emission suppression light overlaps with excitation light does not mean that the excitation light and the emission suppression light are introduced into the sample at strictly the same time. For example, as is usual in STED microscopy, it is possible to apply a short pulse of excitation light, which is immediately followed by a pulse of STED light as emission suppression light.
- the excitation light with which the intensity distribution of emission suppression light overlaps can, for example, have an intensity distribution as is usual in confocal microscopy, i.e. correspond at least approximately to an Airy function or a Gaussian function, whereby the central maximum of these can coincide with the minimum of the emission suppression light. It can also correspond to a Tophat function. Constant excitation in the wide field is also possible.
- STED-MINFLUX is used in a generalized sense and should not be understood to mean that the emission suppression light must be STED light.
- the sample is illuminated with focused illumination light, whereby the illumination light forms an intensity distribution with a central intensity minimum, in particular an intensity zero, around a geometric focus in the sample.
- the position of an individual emitter relative to the central minimum determines the intensity or the photon emission rate of the emitter's light emissions, which are used to determine the position.
- Intensity distributions with a central minimum can be achieved in particular by phase modulation of the illumination light by a phase filter or a spatial light modulator (SLM) in the illumination beam path, focusing the illumination light using an objective lens and If necessary, additional circular polarization of the illumination light can be generated.
- the intensity distribution is then created at the geometric focus by interference.
- the intensity distribution of the illumination light being shifted at scanning positions
- a donut-shaped intensity distribution is understood to mean a special form of an intensity distribution with a central minimum, which has a minimum that is surrounded by intensity increase regions in all spatial directions within a given plane.
- this minimum extends along an axis perpendicular to this plane, this minimum is referred to in this application as a 2D minimum.
- a 2D minimum can be obtained, for example, by means of a vortex phase plate in the beam path, whereby the minimum can then extend, for example, along the optical axis of an objective.
- a 3D minimum is understood to mean a minimum that is surrounded by areas of increasing intensity in all spatial directions.
- a 3D minimum can be obtained, for example, by superimposing two light beams, whereby in each pupil the wave front of one of the two is phase modulated by means of a so-called annular phase plate and that of the other is phase modulated by means of a vortex phase plate.
- a 3D minimum can also have a donut-shaped intensity distribution in a given plane.
- the term localization describes a method in which a position of an individual emitter in a sample is determined. In contrast to conventional light microscopic methods, in particular, no optical imaging of the sample is required. Rather, in the MINFLUX localization method according to the invention, light emissions from the emitter are detected for different positions of the intensity distribution of the illumination light and the position of the emitter is determined from these, for example calculated using a position estimator. This process can be carried out successively for several individual emitters, and the determined positions can be displayed in a localization map, which can produce a high-resolution light microscopic image. Both localizations that are carried out using a MINFLUX method and those that are carried out using a STED-MINFLUX method are referred to as MINFLUX localizations for the purposes of this application.
- Tracking an emitter means determining the trajectory of an emitter moving in the sample, in particular by repeatedly localizing it in time.
- a beam scanner is a device that variably deflects or shifts a light beam.
- a shift in a light beam can be achieved, for example, by means of a beam scanner composed of several individual beam scanners, each of which variably deflects the light beam.
- a beam scanner can in particular be designed to shift a beam of the illumination light, i.e. an illumination light beam, by means of an optical component or by means of several optical components, so that the focus of the illumination light on or in the sample is shifted in at least one spatial direction.
- the focus can be shifted in particular in two spatial directions, further in particular in a focal plane that is perpendicular to an optical axis of an objective.
- the spatial directions can be defined in a wide variety of coordinate systems, e.g. in Cartesian coordinates (e.g. x and y directions), in polar coordinates or in spherical coordinates (e.g. radial and azimuthal directions).
- the beam scanner can comprise, for example, mechanical scanners, in particular scanners based on tilting mirrors each connected to a galvo motor, electro-optical deflectors or acousto-optical deflectors.
- a galvo scanner is understood to mean a module with a galvo drive and a tilting mirror connected to it and movable by the galvo drive.
- the drive can be designed in such a way that the angular positions of the tilting mirror can be adjusted, or in such a way that the tilting mirror performs a periodic rotary movement.
- the term galvo scanner therefore includes resonant galvo scanners and galvo scanners in which the angular positions of the tilting mirror can be adjusted; these are referred to as adjustable galvo scanners in the context of this application.
- the tilting mirror can be flat or curved, for example concavely curved.
- a galvo scanner can also have elements other than a galvo motor and tilting mirror.
- a galvoscanner system is defined as a scanning unit that has one or more galvoscanners, which as a whole is designed to shift and/or deflect a light beam in one or more spatial directions.
- a MEMS scanner system is a scanning unit having one or more MEMS scanners
- a piezo scanner system is a scanning unit having one or more piezo scanners, each of which is configured as a whole to shift and/or deflect a light beam in one or more spatial directions.
- a mechanical scanner is a scanner that variably deflects or shifts an illumination light, wherein the variation of the deflection or shift occurs by moving at least one optical component, e.g. a mirror.
- the movement can in particular be a rotation, in particular a tilt, about one or more axes of rotation.
- a galvo scanner or a galvo scanner system and a micro-electromechanically actuated scanner, i.e. a MEMS scanner are mechanical scanners within the meaning of this application.
- a scanner based on rotatable Risley prisms is a mechanical scanner within the meaning of this application.
- the deflection device refers to the totality of all beam scanners in the beam path of the illumination light.
- the microscope according to the invention is designed to carry out a MINFLUX method and/or a STED-MINFLUX method.
- MINFLUX method according to the invention and/or the STED-MINFLUX method according to the invention the position of an individual emitter in a sample is determined and/or an emitter is tracked.
- the microscope according to the invention for carrying out a MINFLUX method and/or a STED-MINFLUX method has a light source for generating an illumination light. It also has optical elements that form an illumination light beam path through which the illumination light is guided as an illumination light beam from the light source into a sample area. In the illumination light beam path, it has optical means for focusing the illumination light into a focus area in a sample in the sample area such that in the focus area of the illumination light, an intensity minimum of the illumination light in a focus point is bordered on both sides by intensity increase areas in at least one direction. It also has a deflection device in the beam path of the illumination light, which comprises a first beam scanner.
- the deflection device is designed to position the focus point in the sample at several positions in the sample.
- the microscope has a detection device for detecting emissions from the focus area of the illumination light. From state-of-the-art microscopes for performing MINFLUX methods or STED-MINFLUX
- the microscope according to the invention differs from the method by a measuring device for detecting a position and/or a direction of a reference light beam which is deflected and/or displaced by the first beam scanner, wherein the measuring device is designed to output a signal at a signal output as a function of the position and/or the direction of the reference light beam, which signal is indicative of a position of the focal point in the sample.
- the optical means for focusing the illumination light into a focus area in a sample may in particular comprise an objective lens.
- intensity increase areas border on both sides of an intensity minimum of the illumination light in a focus point in at least one direction includes in particular the cases in which a 2D minimum is formed in the focus area in the sample, that a 3D minimum is formed and that in a plane that contains the optical axis and thus the focus point, a leaf-shaped intensity minimum, ideally a zero point, with adjacent intensity increase areas is formed.
- the optical means for focusing the illumination light in a focus area in a sample comprise one or more elements that cause or cause intensity increase areas to border on both sides of an intensity minimum of the illumination light in a focus point in at least one direction in the focus area of the illumination light.
- such an element can comprise a vortex phase plate to form a 2D minimum, or an annular phase plate to form a 3D minimum, or a phase plate with a phase jump of 180° along a diameter to form a 1D minimum.
- Corresponding elements influencing the phase can also be implemented as adjustable spatial light modulators. Adjustable amplitude modulators, for example, can also be used to generate corresponding intensity distributions in the focus area.
- the microscope according to the invention has a deflection device in the beam path of the illumination light, which has a first beam scanner.
- This first beam scanner is designed to position the focus point in the sample.
- the first beam scanner can have several individual beam scanners, i.e. several individual deflection units or displacement units, for example a galvo scanner system according to the definition given above.
- the first beam scanner can also be the only beam scanner that the deflection device of the microscope has.
- the term "the first beam scanner" serves to make it easier to distinguish in cases in which the deflection device of the microscope has several beam scanners.
- Positioning the focus point in the sample does not mean that the positioning of the focus point in the sample is carried out exclusively by means of the first beam scanner, but it means that the current position of the focus point in the sample is at least partly determined by the current setting of the first beam scanner.
- the fact that the focus point is positioned in the sample by the first beam scanner also means that the current setting of the first beam scanner changes randomly, so that the current position of the focus point in the sample changes according to the random change in the setting of the first beam scanner.
- the first beam scanner can have a mechanical scanner or be designed entirely as a mechanical scanner.
- the mechanical scanner of the first beam scanner can in particular have a deflection unit with at least one connected mirror that deflects all of the illumination light.
- this mechanical scanner can have one or more movable, in particular rotatable elements through which the illumination light shines, such as a prism or several prisms.
- prism-based mechanical scanners are known, for example, from the publication “Laser scanners with rotational Risley prisms: Exact scan patterns” (Duma, Virgil-Florin and Schitea, Alexandru; Proceedings of the Romanian Academy - Series A; Volume 19, Number 1/2018, pp. 53-60).
- the mechanical scanner of the first beam scanner can, for example, contain MEMS scanners (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems), piezo scanners or galvo scanners or can be designed as a MEMS scanner system, piezo scanner system or galvo scanner system. Piezo scanners and MEMS scanners can be designed such that a mirror can be tilted about two mutually orthogonal axes.
- the first beam scanner can in particular have or be designed from resonant mechanical scanners with at least one connected mirror that deflects all of the illumination light, for example resonant or adjustable galvo scanners or resonant or adjustable MEMS scanners.
- adjustable scanners are understood to mean scanners that enable targeted addressing of focus positions, i.e. in which the displacement and/or deflection they cause can be directly adjusted.
- the first beam scanner can comprise electro-optical deflectors (EOD) or acousto-optical deflectors (AOD) or can be formed entirely from EOD or AOD or from EOD and AOD.
- the first beam scanner is formed from mechanical scanners, in particular from adjustable galvo scanners, piezo scanners and/or MEMS scanners, and non-mechanical scanners, in particular AOD or EOD.
- mechanical scanners in particular from adjustable galvo scanners, piezo scanners and/or MEMS scanners, and non-mechanical scanners, in particular AOD or EOD.
- Beam scanners that deflect the illumination light beam in such a way that the above-mentioned condition is met can, for example, have a mirror that can be tilted about two axes and is located in a pupil, i.e.
- the first beam scanner has two separate tiltable mirrors for shifting the focus point in the sample in one direction; more preferably, it has two tiltable mirrors for each of two mutually orthogonal shift directions.
- the latter arrangement is known from the prior art (see, for example, WO 2021/122407 A1) as a scanner in quad configuration or also as a quad scanner.
- Mechanical scanners based on galvo scanners are preferred when large image fields are to be addressed, for example in order to be able to record a confocal overview image or to be able to shift the focal point of the illumination light to different areas within the larger image field, among other things because they typically enable a larger usable scanning area compared to other scanner types due to their properties such as their usable beam diameter and their maximum deflection angle.
- Another preferred embodiment with two separate tiltable mirrors for shifting the focal point in the sample in one direction has two MEMS scanners, whereby the mirrors of the MEMS scanners can each be tilted about two mutually orthogonal axes. Compared to a quad scanner, this embodiment requires fewer reflective surfaces.
- the deflection device of the microscope can have further beam scanners in addition to the first beam scanner. All beam scanners, the first beam scanner and the further beam scanners, can be designed as mechanical scanners.
- the microscope can have a further beam scanner in the beam path of the illumination light, which is preferably designed and configured to shift the focal point of the illumination light in the sample in conjunction with the deflection or shifting by the first beam scanner.
- different scanning positions are addressed or different scanning paths are scanned by combining controlled deflections by the first beam scanner and controlled deflections by the further beam scanner, and also that different scanning positions are addressed or different scanning paths are scanned by only controlled deflections by the further beam scanner, while the first beam scanner is controlled in such a way that it is, as far as achievable, in a static position, that is, in the case of a mechanical scanner, that it is, as far as achievable, in a rest position, or that it is controlled in such a way that it specifically carries out very small setting changes, in the case of a mechanical scanner, very small movements, which, in the case of an unchanged setting of the further beam scanner, would cause a shift of the focal point of the illumination light in the sample around a fixed position.
- Such control of very small movements can have the advantage of reducing irregularities of a shift of the focus point in the sample compared to irregularities that occur when a static adjustment of the first beam scanner is sought. This is especially true if the first beam scanner comprises adjustable galvo scanners and/or adjustable MEMS scanners.
- the deflection device is preferably designed such that the focal point can be quickly displaced within a close range with dimensions that correspond approximately to the extent of a diffraction-limited illumination spot.
- the fact that the focal point can be quickly displaced also includes cases in which the rapid displacement of the focal point in the sample is induced by rapid irregular or irregular-seeming changes in the state of the deflection device, for example the first beam scanner.
- the deflection device is preferably designed to displace the focal point of the illumination light in the sample over larger distances, for example over 10 pm or 20 pm or 100 pm or 500 pm.
- the deflection unit therefore has a plurality of beam scanners, wherein one of the beam scanners, preferably the further beam scanner, is configured to quickly shift the focal point of the illumination light so that, for example, a set of scanning positions for a MINFLUX localization can be addressed or covered in less than 1 ms, and another of the beam scanners, preferably the first beam scanner, is configured to shift the focal point of the illumination light in the sample over larger distances, for example over 10 pm or 20 pm or 100 pm or 500 pm.
- the further beam scanner i.e. a different beam scanner than the first beam scanner
- the further beam scanner has a high bandwidth and is designed to quickly adjust the focal point of the illumination light on a set of scanning positions for a MINFLUX localization. to shift.
- the bandwidth of the further beam scanner is greater than the bandwidth of the first beam scanner, for example twice as large, five times as large, ten times as large or a hundred or more than a hundred times as large.
- the response times of the deflection unit i.e. the time periods that a scanner requires to be moved from one angular position to another angular position, are preferably smaller than those of the first beam scanner, for example they are only 50%, 20%, 10%, 1% or less than 1% of that of the first beam scanner.
- the further beam scanner has one or more AODs or EODs or is formed from one or more AODs or EODs.
- AODs and EODs have the advantage that the adjustment of the deflection angle is not limited by the inertia. Both types of deflectors thus enable extremely fast displacement to any point within the range that can be addressed by the further beam scanner.
- the bandwidth of an EOD in conjunction with suitable control electronics can be, for example, 1 MHz or 5 MHz or higher and thus enables the focus point to be shifted within less than 1 ps.
- the additional beam scanner of the microscope can also have a mechanical scanner or be designed entirely as a mechanical scanner.
- the mechanical scanner of the additional beam scanner can in particular have a deflection unit with at least one connected mirror that deflects all of the illumination light.
- the mechanical scanner of the additional beam scanner can, for example, contain MEMS scanners, piezo scanners or galvo scanners or can be designed as a MEMS scanner system, piezo scanner system or galvo scanner system. Piezo scanners and MEMS scanners in particular can be designed so that a mirror can be tilted about two mutually orthogonal axes.
- the further beam scanner of the microscope has mechanical scanners with a deflection unit with at least one continuous mirror that deflects all of the illumination light
- mechanical scanners with a small aperture can preferably be selected for this purpose.
- the microscope then preferably has an objective.
- the continuous mirror that deflects all of the illumination light can preferably be arranged in a pupil.
- the microscope can then have an expansion unit in the illumination light beam after the further beam scanner, with which the illumination light beam is adapted to the aperture of an objective.
- a mirror of a mechanical scanner with a small aperture can be small and therefore have a low mass and consequently a low moment of inertia, so that the bandwidth of the mechanical scanner system of the additional beam scanner can be much larger than the bandwidth of the first beam scanner and the response time of the additional beam scanner can be much smaller than that of the first beam scanner.
- the mechanical scanners of the additional beam scanner are resonant scanners or if the mechanical scanner of the additional beam scanner is a resonant scanner, it preferably has a high resonance frequency or these preferably have a high resonance frequency. Due to the nature of the system, such resonant scanners enable significantly higher displacement speeds than adjustable scanners with the same usable aperture, but only along certain paths.
- the focus point can be shifted along circular paths; if the frequencies differ, other paths result, for example Lissajous paths result with integer frequency ratios.
- the microscope can also have one resonant scanner with two mutually perpendicular tilt axes, in particular such a MEMS scanner.
- the further beam scanner comprises a resonant mechanical scanner, which can in particular be placed in a pupil and which displaces the illumination light beam in the sample in a first direction, and an adjustable mechanical scanner which displaces the illumination light beam in the sample in a second direction orthogonal to the first direction.
- the microscope additionally has an expansion unit as described above. With such an embodiment, scanning for MINFLUX localization can be carried out particularly quickly along a path that corresponds to a scanning path of a raster image recording.
- the aperture of the further beam scanner and the expansion unit and the aperture of the objective are preferably coordinated with one another, more preferably coordinated with one another in such a way.
- the further beam scanner may be or comprise a resonantly operated EOD.
- the microscope according to the invention further comprises a detection device for detecting light emitted from the focus area of the illumination light, i.e. for detecting emissions from the focus area of the illumination light.
- the detection device is designed to detect emissions in such a way that an emission can be assigned to a position of the focus point in the sample.
- the detection device preferably comprises a detector that can detect individual photons, for example a photomultiplier tube (PMT), a single-photon avalanche diode (SPAD) or a SPAD array; with a SPAD array that spatially resolves a diffraction pattern of an emitter in the detection plane, an emission can be assigned not only to a location of the focus point in the sample, but also to a location in the detection plane.
- PMT photomultiplier tube
- SPAD single-photon avalanche diode
- SPAD array that spatially resolves a diffraction pattern of an emitter in the detection plane, an emission can be assigned not only to a location of the focus point in the sample, but also to a location in the detection plane.
- the microscope according to the invention differs from microscopes known from the prior art in that the microscope according to the invention has a measuring device for detecting a position and/or a direction of a reference light beam that is deflected and/or displaced by the first beam scanner, wherein the measuring device is designed to output a signal at a signal output depending on the position and/or the direction, which is indicative of a position of the focal point in the sample.
- the reference light beam can be a light beam that was split off from the light beam emanating from the illumination light source, or it can emanate from a reference light source.
- the fact that the reference light beam is deflected and/or shifted by the first beam scanner means that the deflection and/or shifting of the reference light beam is deflected and/or shifted by the same deflecting element or elements as the illumination light beam when the focal point of the illumination light is positioned in the sample by the first beam scanner. If the first beam scanner is a mechanical scanner with a continuous mirror that deflects all of the illumination light, it means that the reference light beam and the illumination light beam are deflected and/or shifted by the same mirror surface or surfaces.
- the fact that the signal is indicative of a position of the focal point in the sample means that a position of the focal point in the sample can be determined from the signal, at least in conjunction with other known values.
- the signal can, for example, be a measure of the deviation from a target position of a mechanical scanner that corresponds to a target position of the focal point in the sample. Then the position of the focal point in the sample can be determined from the known target position and the signal, which then represents a deviation from the target position, whereby the imaging properties of the microscope are taken into account in a manner known to the person skilled in the art.
- the signal can also be a direct measure of a position of the mechanical Scanner, which corresponds to the position of a focal point in the sample.
- the measuring device preferably has a signal output.
- the signal output is connected via an analog line of the fast, adjustable scanner, in particular an EOD scanner, which can be part of the first beam scanner or which forms the additional beam scanner. Then, after appropriate amplification, the signal of the measuring device is fed back to the fast beam scanner as an analog control signal.
- the measuring device preferably has a detector that is position-sensitive or spatially resolving at one end of the reference light beam path.
- a detector of the measuring device is also preferably a position-sensitive diode, in particular a diode that is position-sensitive in two spatial directions.
- Position-sensitive diodes have the particular advantage that they have a high temporal resolution and thus allow fast data acquisition and fast control, for example of an EOD scanner of the deflection device, for example with a frequency of several hundred kilohertz.
- the measuring device is designed to detect a direction of the reference light beam deflected by the first beam scanner by focusing the reference light beam or a portion of the reference light beam on the detector. If, for example, the reference light beam is deflected by the first beam scanner, i.e. if the first beam scanner imposes an angle on the reference light beam to an optical axis of the beam scanner, which the latter has in a zero position, then the imprinted angle in particular determines the position of the focus on the spatially resolving detector of the measuring device.
- the measuring device is designed to detect a position of the reference light beam deflected and/or displaced by the first beam scanner by directing the reference light beam or a portion of the reference light beam in a collimated manner to the or another position-sensitive or spatially resolving detector.
- the reference light beam propagates along a reference light beam path, wherein the reference light beam path comprises the first beam scanner.
- the microscope comprises a reference light source for generating the reference light beam.
- the reference light source is a laser. Further properties of the reference light source emerge from the description of the method according to the invention given further below in connection.
- the microscope according to the invention preferably has a control unit which is designed to control the first beam scanner or the further beam scanner(s) or the first beam scanner and the further beam scanner(s) in such a way that the focal point is positioned in the sample, for example at scanning positions of a set of scanning points of a MINFLUX localization or is displaced along a scanning path for a MINFLUX localization.
- the first beam scanner can receive control signals from the control unit, in particular electrical signals, which influence a state of the at least one deflection unit in order to displace or position the illumination light beam. If the first beam scanner is a mechanical scanner with at least one movable optical component, the control signals are assigned target positions or target movements of the at least one optical component, which are determined by the control signals.
- the control unit is preferably further designed, in particular, to control the first beam scanner in such a way that the focal point in the sample is positioned and/or shifted within a larger image field, for example in such a way that, for example, a confocal raster image is recorded.
- the control unit can in particular be an integral component of a computing and control unit.
- the computing and control unit is preferably also designed in particular to receive and/or evaluate and/or store signals from the measuring device and the detection device.
- the signal output of the measuring device is preferably connected to the control unit of the deflection device, wherein the connection can be direct or indirect, mediated by further elements of the computing and control unit, of which it can be an integral component.
- the computing and control unit is designed to determine control and regulating signals for the deflection device on the basis of the signals from the measuring device and to output them to the deflection device.
- the position of a single emitter in a sample is determined or a single emitter in a sample is tracked so that a trajectory of the emitter can be determined
- an illumination light is focused into the sample in such a way that in the focus area of the illumination light, an intensity minimum of the illumination light in a focus point is bordered on both sides by areas of intensity increase in at least one direction, the focus point is positioned at several positions in the sample by means of a deflection device which has a first beam scanner, an emitter in the focus area of the illumination light is excited by the illumination light or by another light to emit luminescence or scattered light as emitted light, the light emitted from the focus area of the illumination light is detected by a detection device, measurement values of the detection device are assigned to the scanning positions, and a position or trajectory of an emitter is determined from the measurement values and the assigned scanning positions.
- the MINFLUX method according to the invention and the STED-MINFLUX method according to the invention differ from MINFLUX methods and STED-MINFLUX methods known from the prior art in that in the MINFLUX method according to the invention and in the STED-MINFLUX method according to the invention a reference light beam is deflected and/or displaced by the first beam scanner, and that a measuring device detects a position and/or a direction of the deflected and/or displaced reference light beam and, depending on the position and/or the direction, outputs a signal at a signal output that is indicative of a position of the focal point in the sample.
- the positioning of the focal point in the sample can be achieved by sequentially addressing different positions in the sample using the deflection device.
- the set of addressed scanning positions can form or contain a continuous path of scanning positions, for example a circular path around the presumed position of the emitter; the path can also run in a grid-like manner or form a Lissajous path, a rosette or a loop.
- the deflection device can address only one scanning position and for the sequential positioning to various actual scanning positions to result from random setting changes of the first beam scanner. In both cases, the positioning of the focus point is then carried out sequentially at different actual scanning positions, whereby each actual scanning position, i.e.
- each position of the focus point does not correspond exactly to the respective addressed scanning position, but deviates from it by an amount that depends on a difference between the respective actual setting of the first beam scanner and the respective target setting, i.e. the respective setting of the first beam scanner associated with the addressed scanning position.
- a position and/or a direction of the reference light beam deflected and/or displaced by the first beam scanner is detected by means of a measuring device; the associated measuring signal, which is indicative of a respective position of the focus point in the Sample, ie from which the respective position of the focus point in the sample can be determined, is output at a signal output.
- the focal point in the sample is positioned sequentially at different scanning positions by means of a deflection device comprising a first beam scanner.
- the set of addressed scanning positions can form or contain a continuous path of scanning positions, for example a circular path around the presumed position of the emitter; the path can also run in a grid-like manner or form a Lissajous path, a rosette or a loop.
- an emitter is excited by the illumination light or by another light in the focus area of the illumination light to emit luminescence or scattered light. If the excitation is carried out by the illumination light, the illumination light can be the only light that is irradiated into the sample when the method is carried out.
- the position of an emitter at which illumination light is elastically scattered such as a gold bead, as well as a luminescent particle, for example a fluorescent bead or in particular a fluorophore, can be determined and a corresponding emitter can be tracked.
- the further light can be a fluorescence prevention light, in particular a STED light, with which the emission of free, i.e. non-stimulated, fluorescence from an area adjacent to the focus area of the illumination light and/or from outer areas of the focus area, of which it is known from previous position determinations or position estimates that the fluorophore whose position is to be determined is not located in them, is suppressed.
- the fluorescence prevention light can therefore be used in particular to suppress background light that would reduce the quality of the position determination.
- the fluorescence prevention light can form a wide STED donut, which is generated, for example, by means of a vortex phase plate with a multiple increase in the modulation of the phase of the wave front from 0 to 2TT over one revolution along the circumferential direction. It can also form a 3D donut, which can be created using an annular phase plate, for example.
- the additional light can then rest in the sample, so that the illumination light is displaced relative to the additional light, or the additional light can be displaced together with the illumination light, but not necessarily in the same way.
- the illumination light can be a luminescence prevention light, in particular a STED light, i.e.
- the method according to the invention can be carried out as a STED-MINFLUX method according to the definition given in the relevant section.
- the emitter the position of which is to be determined or which is to be tracked, is excited with additional light as excitation light.
- the additional light can be light focused together with the illumination light through an objective, wherein the shape of the intensity distribution can correspond at least approximately to an Airy function or a Gaussian function or a top-hat function.
- the intensity distribution preferably has a wide range in its center - wide in comparison with the distances of the scanning positions of the illumination light to which the illumination light is shifted - in which the intensity does not change or changes only slightly.
- This condition can be met, for example, by focusing the additional light using part of the aperture of the objective, i.e. not the full aperture.
- the additional light can rest in the sample so that the illumination light is displaced relative to the additional light, or the additional light can be displaced together with the illumination light, but not necessarily in the same way.
- the light emissions of the emitter are detected by a detection device.
- a detection device This can, for example, have a point detector, such as an avalanche photodiode (APD), a photomultiplier or a hybrid detector, or a spatially resolving detector such as a camera or a so-called APD array.
- the detection device also comprises evaluation electronics.
- the detection device is designed in particular to detect individual photons emanating from the emitter and to register them in such a way that the scanning positions associated with the light emissions can be assigned.
- the position and/or direction of the reference light beam deflected and/or shifted by the first beam scanner and the position and/or direction of the illumination light beam after the scanner whereby it is necessary to take into account how the directions and/or positions of the reference light beam and the illumination light beam relate to one another.
- the position and/or direction of the illumination light beam after the scanner and the position of the focal point in the sample.
- the detection of the position and/or direction of the reference light beam therefore enables the determination of the respective actual scanning position, i.e. the respective actual position of the focal point in the sample, at the respective measurement time, i.e. at the respective time of excitation of the emission detected by the detection device.
- the signal of the Measuring device can be used in two ways, which can also be combined with each other, to increase the spatial and temporal resolution.
- the detection takes place in connection with the use of the signal from the measuring device in such a way that a correction value is determined from the signal in real time, by which the control signal of the deflection device or at least one beam scanner of the deflection device is corrected.
- the signal from the measuring device can, after appropriate amplification, be fed back as an analog control signal to the deflection device as a whole or to a beam scanner that forms part of the deflection device.
- the correction value is determined by an amplification unit, for example an operational amplifier tailored to the application. The reference light beam and the measuring device are therefore used to control the deflection device.
- the control can be implemented using control strategies known in the art, for example in the form of a PID controller (PID: proportional-integral-differential).
- PID proportional-integral-differential
- the use of the measurement signal for control can be particularly advantageous when the deflection device has a further adjustable beam scanner that allows random access to scanning points, which has shorter, in particular much shorter response times, for example only 20%, 10%, 1% or less than 1% of that of the first beam scanner, than the first beam scanner, i.e. a fast beam scanner.
- the first beam scanner itself has different units with correspondingly different response times, fast and slow units, in which case the control of the deflection device takes place by feeding the measurement signal or a signal derived from the measurement signal back to the fast unit or units.
- control is preferably carried out in such a way that fast corrections of the position of the focal point in the sample are effected by the further, fast beam scanner or by the fast unit or units of the first beam scanner.
- This does not exclude the possibility of slower corrections being made using or co-using the first beam scanner or the slow unit or units for correction.
- it is particularly simple to control the first beam scanner or the slow units of the first beam scanner and to regulate only the other beam scanner or the fast unit or units of the first beam scanner.
- the position and/or direction of the reference light beam can be detected with a bandwidth or time resolution of the detection that is adapted to the bandwidth or response time of the other beam scanner.
- the bandwidth with which the position and/or direction of the reference light beam is detected can in particular also be higher than the bandwidth of the other beam scanner or the fast units of the first beam scanner. for example twice as high or more than twice as high.
- the bandwidth of the control signal is preferably reduced compared to the bandwidth of the detection of the position and/or the direction.
- the control can advantageously be implemented particularly simply as a proportional control of the deflection unit.
- the other type is that the detection is carried out in such a way that actual scanning positions are determined from the signal of the measuring device.
- the signal of the measuring device for detecting the position and/or the direction or a signal that is derived from a control signal of the deflection device and the signal of the measuring device is preferably stored in a storage device in such a way that it can be assigned to a measurement signal of the detection device for detecting the light emitted from the focus area. This can be achieved, for example, by storing both the signal of the measuring device or the signal derived from it and the signal of the detection device, each provided with a time stamp.
- Both types can be advantageously combined, especially if the bandwidth of the detection of the position and/or direction of the reference light beam is higher than the bandwidth of the other beam scanner.
- Determining the position of the emitter or tracking the emitter by determining a trajectory can now be done according to the methods that are usually used when carrying out MINFLUX methods or STED-MINFLUX methods. This also applies to the selection of the sampling positions at which the focus point is to be positioned.
- the deflection device is controlled based on the signal from the measuring device, an advantage arises from the fact that the actual scanning positions are actually scanned with greater accuracy. This is especially true if the first beam scanner is controlled during a sequential shift of the focal point in the sample in such a way that the focal point would not change its position if the first beam scanner were perfect. Investigations by the applicant using a typical microscope configuration with a quad scanner have shown that the jitter of all individual galvo scanners of the nominally stationary quad scanner can result in shifts in the focal point in the sample with a stroke of several nanometers, with the noise power spectrum having large values in the frequency range of several kilohertz.
- the measuring device and, for example, the EOD of the deflection device, it can be achieved, for example, that a scanning position can be addressed with an uncertainty of less than 1 nm, which significantly reduces the uncertainty of determining the position during fast scanning or, conversely, makes it possible to achieve a high level of accuracy even during very fast measurements, as is particularly necessary when tracking a fast-moving emitter.
- the first beam scanner can comprise several, in particular different scanners, for example a galvo scanner system and an EOD system.
- the signal from the measuring device for detecting the position and/or direction of the reference light beam can be used to control the deflection device in such a way that only one or individual scanners of the first beam scanner are controlled, while the control signal of other scanners is not dependent on the signal from the measuring device.
- the measuring device measures a deflection and/or displacement that depends on both the setting of the galvo scanner system and the setting of the EOD system, but the measurement signal is nevertheless fed back to the EOD system in this example.
- the measurement signal of the measuring device for determining the position and/or the position or the signal derived from it can alternatively or additionally be used in another way to increase the spatial-temporal resolution, namely by taking into account the actual focus points at the time of excitation of the emission when determining the position or trajectory of the emitter from the emissions detected by the detection device, i.e. the focus points determined on the basis of the measurement of the position and/or the direction of the reference light beam. If this other type of accuracy improvement is used exclusively, it is particularly suitable for evaluating data that has already been recorded. During data recording, the values that correspond to the target positions can then be used as the coordinates of the scanning positions, as in the prior art.
- a position of the emitter can then be determined in real time, based on which subsequent scanning positions can be determined, to which the focus point is moved in the further course of the measurement in order to determine the position of the emitter more precisely or to track the emitter.
- measuring the position and/or direction of the reference light beam after the scanner does not have a direct effect on the rest of the measurement process.
- a scanning position can now be determined with greater accuracy from the measured position and/or position of the reference light beam than from the data from controlling the deflection device. If the actual scanning positions determined from the measurement, i.e. the positions of the focal point in the sample, are used as a basis for determining the position of the emitter instead of the target positions, the position of the emitter is also determined with greater accuracy in this evaluation than if the target positions are used as a basis.
- the actual positions of the focal point in the sample at the time of excitation of the emission i.e. the positions determined on the basis of the measurement of the position and/or direction of the reference light beam
- the routine for evaluating the data in real time can be modified accordingly and adapted hardware such as a powerful Field Programmable Gate Array (FPGA) can be used.
- the actual scanning positions can be determined from the measurement signal of the measuring device, for example in a separate unit and sent from there to an FPGA to control the deflection unit, or the signal from the measuring device can be sent to an FPGA to control the deflection unit and fully evaluated there.
- a combination of both types of use of the signal from the measuring device i.e. the use for controlling the deflection device and for determining the scanning positions, i.e. the positions of the focal point in the sample, is also advantageously possible.
- the deflection unit is controlled using the signal from the measuring device, there remains a deviation between the actual scanning position and the target position, which is recorded using the measuring device. This deviation is reduced compared to the deviation in the absence of control.
- the data can now be evaluated in real time in the same way as when the signal from the measuring device is used exclusively to determine the scanning positions, by using the target positions as a basis for determining the position of the emitter, or by taking into account the actual focus points, i.e. the focus points determined on the basis of the measurement of the position and/or direction of the reference light beam at the time of excitation of the emission, during data acquisition.
- a reference light beam is generated by means of a reference light source and is guided over the first beam scanner.
- the reference light source can be, for example, a laser, a light-emitting diode or a laser diode.
- the reference light source is a broadband light source, then generating the reference light beam can include filtering the wavelengths.
- the light of the reference light beam does not comprise a wavelength range that contains wavelengths that are used in the microscope associated with the method according to the invention for the microscopic images of samples to be examined.
- the wavelength range of the reference light beam can exclusively comprise wavelengths above the largest wavelength used when carrying out microscopy methods with the microscope, for example a largest STED laser wavelength or a largest fluorescence wavelength to be detected; alternatively, the wavelength range of the reference light source can exclusively comprise wavelengths below the smallest wavelength used for carrying out microscopy methods, which can, for example, be the smallest wavelength used for fluorescence excitation or for activating or deactivating switchable fluorophores.
- the wavelength range of the reference light beam does not overlap with that of the illumination light beam.
- the choice of wavelength and other properties, such as the polarization of the reference light beam is fundamentally interrelated with the specific design of the first beam scanner and the choice of the entire beam path.
- the first beam scanner comprises AOD and/or EOD
- boundary conditions arise for the properties of the reference light beam.
- the deflection angle that the first beam scanner imposes on a light beam can be dependent on polarization, as is regularly the case with a single EOD, or it can be dependent on the wavelength, as is regularly the case with a single AOD.
- the deflection unit has EOD and the reference light beam is guided through the deflection unit, preferably that the reference light beam guided through or over the first beam scanner has the same polarization as the illumination light beam, but preferably a different wavelength, thereby enabling the reference light beam to be separated from the illumination light beam by means of a color splitter.
- This preferred embodiment is one in which the wavelength range of the reference light beam does not overlap with that of the illumination light beam.
- EOD in the first beam scanner it is not absolutely necessary that the wavelength ranges of the illumination light beam and the reference light beam do not overlap.
- the reference light beam In order to guide the reference light beam over the first beam scanner, it can be introduced into the beam path of the illumination light beam at a shallow angle on one side of the first beam scanner and correspondingly be guided out of the beam path of the illumination light at a shallow angle on the other side of the first beam scanner.
- the reference light beam is separated completely independently of differences in internal properties such as wavelength or polarization.
- the reference light beam basically experiences the same deflections as the illumination light beam, insofar as these are caused by the first beam scanner.
- the angles at which the reference light beam can be introduced so that it is guided over the first beam scanner result from the parameters of the first beam scanner, for example from the dimensions of mirrors and the structure of the beam path in the area of the first beam scanner, which can have relay optics, for example.
- the reference light beam can be coupled, for example by means of a mirror, into an edge region of the beam path of the illumination light parallel to the optical axis of the beam path of the illumination light, which is present when the deflection device is in a neutral position. This edge region of the beam path cannot then be used by the illumination light.
- the reference light beam is coupled into the beam path of the illumination light by means of a beam splitter element, for example by means of a dichroic beam splitter.
- a beam splitter element for example by means of a dichroic beam splitter.
- the reference light beam is preferably parallel to the optical axis of the beam path of the Illumination light, which is present when the deflection device is in a neutral position, is coupled in. More preferably, the coupling takes place on this optical axis.
- the reference light beam can be coupled in or introduced at a shallow angle such that the illumination light beam and the reference light beam pass through the first beam scanner in the same direction, that is, the illumination light source and the reference light source are on the same side of the scanner, or that the illumination light beam and the reference light beam pass through the first beam scanner in opposite directions, that is, the illumination light source and the reference light source are on opposite sides of the first beam scanner.
- the output or the decoupling can take place in the same way as the coupling.
- the decoupling does not necessarily have to take place using the same method as the coupling; combinations of different methods are also possible.
- the coupling can take place using a mirror in an edge area and the decoupling can take place using a beam splitter.
- the output preferably takes place when the reference light beam was introduced at an angle, also without using another optical element that would be touched by the illumination light. If the reference light is coupled onto the optical axis using a beam splitter, the decoupling also takes place using a beam splitter.
- the types of beam splitters can differ on both sides of the first beam scanner; in preferred embodiments they are the same.
- the reference light beam is coupled onto the optical axis using a dichroic beam splitter and also decoupled again using a dichroic beam splitter.
- the reference light beam can also be coupled or introduced into the beam path of the illumination light beam in such a way that the reference light beam path includes the other beam scanner(s) in question in addition to the first beam scanner.
- the reference light beam can be coupled or introduced into the beam path of the illumination light beam as a collimated, convergent or divergent light beam, or the reference light can have two different components, for example a collimated and a convergent component, when coupled or introduced. If the reference light has such different components, it is preferred that it additionally either differs from the illuminating light in another property, such as wavelength or polarization, or that the components are coupled in separately from one another. "Separated from one another" can mean, for example, spatially separated and parallel or at different angles or temporally separated, e.g. by coupling in short pulses intermittently. When using several different components, it is essential that the components can be detected separately after the scanner.
- the reference light beam can further be coupled or introduced in such a way that, in the beam path section that it has in common with the illumination light beam, it has a state corresponding to that of the illumination light beam with regard to its convergence or divergence or in particular with regard to a position of a focus within this beam path section.
- the reference light or a portion of the reference light is collimated and coupled onto the optical axis by means of a beam splitter and, after the first beam scanner, is coupled out again at a location where the reference light beam is also collimated.
- the position of such locations can easily be determined by a person skilled in the art in a given beam path.
- a quad scanner there are no imaging optical elements within a quad scanner, such as is used in the applicant's microscopes, i.e. between the first and last tilting mirror of a quad scanner. Accordingly, when using a quad scanner, a collimated coupling or introduction can take place adjacent to one of the outer mirrors along the beam path and the coupling or exit can take place adjacent to the outer mirror opposite along the beam path. According to the functional principle of a quad scanner (see e.g.
- a quad scanner in a microscope having an objective deflects an illuminating light beam in such a way that for each deflection angle the axis of the illuminating light beam intersects the optical axis of the objective in the pupil, i.e. the rear focal plane of the objective.
- a first optical element for example a lens
- a second optical element for example a lens
- a first optical element for example a lens
- a second optical element for example a lens
- the quad scanner can be arranged after the quad scanner, which collimates the illumination light again after the focus, so that it enters the lens in a collimated state, whereby an angle of the illumination light beam to the optical axis of the lens, and thus the position of the Focus of the illumination light in the sample depends on the position of the quad scanner.
- the lens and the second optical element form a telecentric system
- the condition that the axis of the illumination light beam intersects the optical axis of the lens for all scanner settings in the rear focal plane or the pupil is met if, for all different scanner settings, the illumination light beams after the last mirror of the scanner and before the second optical element run parallel to each other and to the optical axis, i.e. if the scanner only offsets the illumination light beam but does not tilt it.
- the change in the position of the focal point of the illumination light in the sample by the scanner is then directly dependent on the change in the offset of the illumination light caused by the scanner. The same change in offset is now impressed on a reference light beam.
- the offset of the reference light beam and thus the change in the offset of the illumination light beam can be determined in a simple manner by directing or decoupleing the reference light beam in the direction of the reference light beam after the scanner and before the first or second optical element, depending on whether the reference light beam propagates in the direction of the illumination light beam or against it, and collimating it onto a position-sensitive or spatially resolving detector, which is an essential element of the measuring device for detecting - here - the position of the reference light beam after the scanner.
- the reference light beam can be directed or decoupled in the direction of the reference light beam after the scanner and before the first or second optical element and focused onto a position-sensitive or spatially resolving detector, which is then an essential element of the measuring device for detecting the - here - direction of the reference light beam.
- the position of the focus would not change if the scanner were functioning ideally. It is a measure of the change in angle that the scanner imposes on the reference light beam and thus also on the illumination light beam. This change in angle, which is recorded with the measuring device, leads to a change in the position of the illumination light beam in the rear focal plane, i.e. the pupil of the objective. Recording this change in position makes it possible to draw conclusions about the change in the quality of the excitation light distribution and a shift in the focus point in the sample resulting from the change in position in the pupil.
- Fig. 1 shows an embodiment of a microscope according to the invention with a reference light source.
- Fig. 2 shows an embodiment of a microscope according to the invention, in which a
- Reference light beam is split from light from an illumination light source.
- Fig. 3 shows an embodiment of a microscope according to the invention, in which a
- Reference light beam from a reference light source runs in the opposite direction to the illumination light beam.
- Fig. 4 shows an embodiment of a microscope according to the invention, which has a measuring device whose signal is fed back analogously to a beam scanner.
- Fig. 5 shows a section of an embodiment of a microscope according to the invention with a measuring device for determining a tilt.
- Fig. 6 shows a section of an embodiment of a microscope according to the invention with a measuring device for determining a tilt with an enlarged measuring range.
- Fig. 7 shows a section of a further embodiment of a microscope according to the invention with a measuring device for determining a tilt with an enlarged measuring range and improved sensitivity.
- Fig. 8 shows a part of the measuring device of the microscope shown in Fig. 7 in detail.
- Fig. 9 shows exemplary measurement data that can be recorded with the measuring device of the microscope shown in Fig. 7.
- Fig. 10 shows a section of an embodiment of a microscope according to the invention with a measuring device for determining a displacement.
- the microscope 1 has a light source 2 for generating an illumination light.
- the illumination light emanating from this light source 2 forms an illumination light beam B, which is guided into a sample region 7 by optical elements that form an illumination light beam path, so that a focus is formed in a sample 8 introduced into the sample region 7 such that in the focus region of the illumination light, an intensity minimum of the illumination light in a focus point is bordered on both sides in at least one direction by intensity increase regions, which can specifically mean that a 2D donut or a 3D donut is formed in the sample.
- the sample region 7 is formed on an adjustable sample table 20.
- the embodiments of the microscope 1 shown in these figures each have a fast, adjustable scanner, which is specifically an EOD scanner 11 here, and they all have a mechanical beam scanner 10, and in all embodiments shown the mechanical scanner 10 and the EOD scanner 11 form a deflection unit 9. All embodiments of the microscope 1 shown in these figures have a light modulator, which is specifically designed as a phase filter 3 here.
- a static phase plate for example a vortex phase plate or an annular phase plate, or adjustable phase modulators can be used as the phase filter 3.
- Adjustable phase modulators in particular can be reflective elements. For reasons of simplicity, a transmissive phase filter 3 is shown in all figures.
- the embodiments of the microscope 1 shown in the figures mentioned each have a main beam splitter 4, which allows the illumination light to pass through, but redirects emissions 19 originating from the sample 8 to a detection device 12.
- the embodiments of the microscope 1 shown in the figures mentioned each have a mechanical Scanner 10 which deflects the illumination light beam B, an X/4 plate 5 for adjusting a polarization of the illumination light with a view to forming an intensity minimum of the lowest possible intensity and an objective 6 which focuses the illumination light beam B into the sample 8 in the sample region 7.
- the embodiments of the microscope 1 shown in the above-mentioned Figures 1 to 3 each further comprise a measuring device 13 which is set up to detect a position and/or a direction of a reference light beam R which is deflected and/or displaced by a first beam scanner 18.
- the measuring device 13 each comprises a signal output 13a via which a signal S, which is indicative of a position of the focal point in the sample, is output to a computing and control unit 17.
- the output preferably takes place via a fixed control line, not explicitly shown in each case.
- the computing and control unit 17 can, for example, comprise FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) and a memory device, neither of which is shown separately.
- the computing and control unit 17 is designed such that position values corresponding to the signal S or a position of the focal point determined from the signal or the deviation of the position of the focal point from a respective associated target position can be stored in the storage device, wherein the position values can be assigned in time or stored in a time-associated manner to measured values of the detection device 12 for detecting emissions from the focus area of the illumination light.
- the computing and control unit 17 receives measured values from the detection device 12, which is symbolized in Figures 1 to 3 by a dotted line. Another dotted line indicates that a control signal generated in the computing and control unit 17 is passed on to the EOD scanner 11.
- the control signal is selected such that a scan is carried out for carrying out a MINFLUX method or a STED-MINFLUX method.
- a correction is determined on the basis of the signal S, i.e. there is feedback or regulation of the deflection device 9, specifically in particular of the EOD scanner 11.
- This feedback and regulation is not necessary in all embodiments of the invention, but it is advantageous in order to improve the quality of the data acquisition when carrying out a MINFLUX method or a STED-MINFLUX method.
- the signal S can not only be used to improve the data acquisition, which is usually associated with a first data evaluation carried out in parallel with the data acquisition, but it can also be used to improve a data evaluation to be carried out after the completion of a data acquisition by taking into account the actual scanning positions when determining the position of an emitter, that is, the respective actual positions of the focal point in the sample are used as a basis.
- Another dotted line indicates that a control signal, which is generated in the computing and control unit 17, is passed on to the mechanical beam scanner 10.
- This control signal can be static during the implementation of a localization using a MINFLUX method or a STED-MINFLUX method, or it can vary over time.
- the signal S of the measuring device 13 can also be taken into account.
- the deflection device 9 can be operated during the implementation of a MINFLUX method or a STED-MINFLUX method with settings close to a zero position, in particular close to a zero position of the mechanical scanner 10, by regularly pushing the sample 8 into the center of the area that can be scanned by the deflection device 9 using the sample table 20.
- the mechanical beam scanner 10 forms the first beam scanner 18 and the first beam scanner 18 forms a deflection device 9 together with the EOD scanner 11.
- the mechanical beam scanner 10 alone is the first beam scanner 18, by which the reference light beam R is deflected and/or shifted.
- the microscope 1 has a reference light source 16.
- the reference light beam R is coupled by means of a beam splitter, which is referred to below as the second beam splitter 15, onto an optical axis of the microscope 1, along which the illumination light beam B propagates when the deflection device 9 is set to a zero position.
- the reference light beam R is shown offset slightly parallel for reasons of better representation.
- the reference light beam R propagates after the beam splitter 15 along the illumination beam path and is deflected and/or shifted in the same way as the illumination light beam B according to the setting of the first beam scanner 18, which is formed by the mechanical scanner 10.
- the first beam scanner 18 there is another beam splitter, which is referred to here as the first beam splitter 14.
- the first beam splitter 14 separates the reference light beam R from the illumination light beam B and directs it in the direction of the measuring device 13.
- Both the first beam splitter 14 and the second beam splitter 15 are set to a difference between the reference light beam R and the illumination light beam B. tuned, for example to different polarizations or different wavelengths.
- the EOD scanner 11 and the mechanical beam scanner 10 form the first beam scanner 18, wherein the first beam scanner 18, formed from the EOD scanner 11 and the mechanical beam scanner 10, forms the entire deflection device 9 here.
- the fast, adjustable scanner specifically the EOD scanner 11, is a component of the first beam scanner 18, by which the reference light beam R is deflected and/or shifted.
- the microscope 1 shown in Fig. 2 has a first beam splitter 14 in the illumination beam path after the mechanical scanner 10, which separates the reference light beam R from the illumination light beam B and directs it in the direction of the measuring device 13.
- the reference light beam R is generated by the light source 2 for the illumination light and, together with the illumination light beam B, passes through all optical elements as a common light beam up to the first beam splitter 14.
- the reference light beam R thus undergoes identical deflections and/or displacements as the illumination light beam B up to the first beam splitter 14.
- the beam splitter 14 now splits off a portion, for example half, of the light beam emanating from the light source. Since the reference light beam R deflected and/or displaced by the first beam scanner 18 has undergone phase modulation in this embodiment of the microscope 1, an embodiment of the measuring device 13 that is coordinated with this is preferably used in this embodiment of the microscope 1.
- the mechanical beam scanner 10 forms the first beam scanner 18 and the first beam scanner 18 forms a deflection device 9 together with the EOD scanner 11.
- the embodiment of the microscope 1 shown has a reference light source 16. In contrast to the embodiment of the microscope 1 shown in Fig.
- the reference light beam R which emanates from the reference light source 16, is not coupled into the beam path of the illumination light by means of a beam splitter, but the reference light beam R is introduced into the illumination light beam path at a flat angle, which is not shown at an accurate angle in the figure for reasons of simplicity, such that the reference light beam R and the illumination light beam B are deflected and/or shifted in a corresponding manner by the first beam scanner 18, which is identical here to the mechanical beam scanner 10. Accordingly, the reference light beam R is guided out of the beam path of the illumination light at a flat angle on the other side of the first beam scanner 18.
- the angle at which the Reference light beam R is introduced may not be identical to the angle at which the reference light beam R is guided out on the other side. Rather, the relationship between these two angles depends on which imaging elements the first beam scanner 18 comprises.
- a further difference from the embodiment of the microscope 1 shown in Fig. 1 is that the reference light beam R is guided through the first beam scanner 18 in the opposite direction to the illumination light beam B.
- the properties of the embodiments of Fig. 1 and Fig. 3 could also be combined.
- the reference light beam R could therefore be introduced at a flat angle, but in the direction of the illumination light beam B, or conversely it could be coupled in by means of a beam splitter in the opposite direction to the illumination light.
- the embodiment shown in Fig. 4 corresponds in most respects to that shown in Fig. 3.
- the reference light source 16 and the measuring device 13 are shown in slightly different positions.
- the embodiment shown in Fig. 4 has an analog line 21, by means of which an analog signal that the measuring device 13 generates in conjunction with an analog amplifier is fed back to the EOD scanner 11 as a control signal.
- the analog amplifier can also be regarded as an integral component of the measuring device 13 and is therefore not shown separately.
- the measuring device 13 can in particular be based on a position-sensitive diode.
- Figures 1 to 4 are schematic representations in which not all elements that are typically present, for example lenses for focusing or collimating the illumination light beam B or the reference light beam R, are also shown.
- Fig. 5 shows a section of an embodiment of the microscope 1.
- the section contains the reference light source 16, the second beam splitter 15, the mechanical beam scanner 10, which here forms the first beam scanner 18, and the first beam splitter 14.
- the section shown contains the X/4 plate 5, the objective 6, the sample area 7 with the sample 8, which is placed on the adjustable sample table 20.
- the aforementioned elements are arranged in the same way as in Fig. 1, to which reference is hereby made.
- an entrance lens 22 and an exit lens 23 are shown here, which delimit the mechanical scanner 10 and are to be understood here as elements of the mechanical scanner 10; This does not mean that the lenses 22,23 form a common component, but it simply means that in the terminology of this application they are functional components of the mechanical beam scanner 10 and thus of the first beam scanner 18.
- No beam-forming element, in particular no lens, is shown between the exit lens 23 and the objective 6.
- Figures 1 to 4 are schematic representations in which not all elements that are typically present, for example lenses for focusing or collimating the illumination light beam B or the reference light beam R, are also shown, Fig. 5 is to be understood in such a way that in the embodiment of the microscope 1 shown there is actually no beam-forming element, in particular no lens, between the exit lens 23 and the objective 6.
- the microscope 1 in this embodiment has a measuring device 13 with a signal output 13a.
- the measuring device 13 of this embodiment has a lens 25.
- the reference light beam R is coupled into the illumination beam path by means of the second beam splitter 15.
- the reference light beam R is collimated at the second beam splitter 15.
- the reference light beam R and the illumination light beam B enter the first beam scanner 18 collimated at the entrance lens 22 and exit the first beam scanner 18 at the exit lens 23, also collimated.
- the illumination light beam B and the reference light beam R have been tilted in the same way by the first beam scanner 18.
- the illumination light beam B in particular can enter tilted against the optical axis of the additional beam scanner, which the latter has in a zero position, according to a setting of a further beam scanner not shown here, for example an EOD scanner.
- a beam is tilted does not exclude the possibility that it is also displaced.
- a displacement would cause an axis of the illumination light beam B to pass through the rear aperture of the objective 6 at different points depending on the displacement.
- the illumination light beam B passes through the ⁇ /4 plate 5 after the first beam splitter and is focused by the objective 6 into the sample 8 in the sample area 7.
- the position of the focus point in the sample 8 is determined by the overall tilt imposed on the illumination light beam B, which results additively from the tilt with which the illumination light beam B entered the first beam scanner 18 and the tilt imposed by the first beam scanner 18, and by the properties of the objective 6, in particular by its focal length.
- the reference light beam R is coupled out of the illumination beam path by the first beam splitter 14 and directed in the direction of an embodiment of the measuring device 13.
- the measuring device 13 has a lens 25 which focuses the reference light beam R collimated in front of the lens 25 onto a detector of the measuring device 13, specifically onto a position-sensitive diode 24.
- the position of the focal point of the reference light beam R depends on the tilting imposed on the reference light beam R by the first beam scanner 18 and on the properties of the lens 25, in particular on its focal length.
- the position of the lens 25 in the reference light beam path and the distance of the detector, here the position-sensitive diode 24, from the lens 25 are adjusted to the focal length of the lens 25.
- the measuring device 13 achieves a high sensitivity in determining the tilting and a smaller measuring range in which tilting can be measured, or a lower sensitivity and a larger measuring range.
- Fig. 6 shows a section of another embodiment of the microscope 1, which corresponds to that shown in Fig. 5 with regard to the guidance of the illumination light beam B and the reference light beam R up to the first beam splitter 14.
- the measuring device 13 has a diffractive optical element (DOE) 26 on the one hand and several position-sensitive diodes 24 arranged next to one another on the other.
- DOE 26 splits the incident reference light beam R into several partial beams.
- Each of the partial beams is impressed with an identical tilt by the first scanner 18, so that in principle each of the partial beams is suitable for measuring the impressed tilt.
- the reference light beam R is not tilted by the first beam scanner 18, so that the 0th order partial beam falls centrally on the central position-sensitive diode 24.
- the 0th order beam now runs out of the area of the central position-sensitive diode 24, while either the 1st order partial beam or the -1st order partial beam runs into the area of the central position-sensitive diode 24, depending on the direction of the tilt.
- the splitting and detection with several position-sensitive diodes 24 ensures that small changes in the tilt can be measured even with large tilts of the reference light beam R.
- the individual signals of the several diodes 13 can also be combined for this purpose.
- the DOE 26 can preferably be a 2D DOE, in which case the position-sensitive diodes 24 preferably form a two-dimensional arrangement in the detection plane, so that tilts in two spatial directions, i.e. tilts that lead to displacements of the illumination light in the sample 8 in two spatial directions, can be determined by means of the measuring devices 13. At least three position-sensitive diodes 24 are required for a two-dimensional arrangement. However, more than three position-sensitive diodes 24 can preferably also be arranged, for example on a Cartesian or hexagonal grid. A corresponding splitting as shown in Fig. 6 can also be used in a corresponding manner to determine displacements of the reference light beam R.
- Fig. 7 shows a section of another embodiment of the microscope 1, in which the measuring device 13 is also designed to detect a larger measuring range of the tilt or displacement of the reference light beam R while simultaneously improving sensitivity.
- the measuring device 13 here has a third beam splitter 27, e.g. a 50/50 beam splitter, for splitting the reference light beam R into two partial beams.
- One of the partial beams reaches a position-sensitive diode 24 as in the embodiment according to Fig. 5.
- the other partial beam is reflected via a mirror 28 to an arrangement 29 which comprises a first transmission grating 30a, a second transmission grating 30b, a first measuring sensor 31a and a second measuring sensor 31b.
- the measuring sensors 31a, 31b can be designed as photodiodes, for example.
- Fig. 7 shows the arrangement in cross section in the plane of the optical axis of the incident reference light beam R, wherein the optical axis is defined by the zero position of the reference light beam R.
- the arrangement 29 is shown in detail in a plane perpendicular to the optical axis of the reference light beam R.
- the first transmission grating 30a and the second transmission grating 30b are arranged on opposite sides with respect to this optical axis.
- the first measuring sensor 31a is arranged in the light path of the reference light beam R behind the first transmission grating 30a and the second measuring sensor 31b is arranged in the light path of the reference light beam R behind the second transmission grating 30b.
- the reference light beam R falls on both the first transmission grating 30a and the second transmission grating 30b.
- the transmission gratings 30a each have a periodic stripe pattern with alternating areas of high transmissivity (white in Fig.
- Fig. 9 shows first measurement data 32 of the position-sensitive diode 24 of the measuring device 13 shown in Fig. 7 and second measurement data 33 of the measuring sensors 31a, 31b of the arrangement 29.
- the deflection of the reference light beam R in the deflection direction A is shown on the abscissa, and the corresponding sensor signal is shown on the ordinate.
- the signal of the position-sensitive diode 24 shown in the first measurement data 32 increases monotonically over the measurement range shown, but has a comparatively low sensitivity.
- the second measurement data 33 consists of two phase-shifted sinusoidal signals of the first measuring sensor 31a and the second measuring sensor 31b, which arise when the reference light beam R travels over the respective transmission gratings 30a, 30b.
- the position of the reference light beam R can be determined with significantly greater accuracy or sensitivity to small deflections/tilts than with the position-sensitive diode 24, for example by forming a difference or a ratio of the two sensor signals.
- This type of position determination is known from the prior art for so-called position encoders. Due to the periodic stripe pattern, the position signal of the arrangement is not unambiguous over the entire measuring range, ie the position relative to a stripe can be determined very precisely, but it is not known over which stripe the reference light beam is arranged. This unambiguousness can, however, advantageously be restored on the basis of the first measurement data 32 obtained from the position-sensitive diode 24.
- the position of the reference light beam R can be determined with high sensitivity over a large measuring range. This is particularly advantageous if, in a MINFLUX or STED-MINFLUX method, the image field of the mechanical beam scanner 10 is not centered on the currently estimated emitter position after each measuring step, so that larger deflections of the mechanical beam scanner 10 and thus larger tilting and/or displacements of the reference light beam R are required.
- the measuring device 13 shown in Fig. 7 can be extended to a position determination in two spatial directions by, for example, using a two-dimensional position-sensitive diode 24 and arranging a further fourth beam splitter behind the third beam splitter 27, which splits the reference light, wherein one of the resulting partial beams is guided to a further arrangement 29, the transmission gratings 30a, 30b of which are perpendicular to the transmission gratings 30a, 30b of the other arrangement 29, so that they detect a deflection perpendicular to the deflection direction A shown in Fig. 8 (not shown).
- Fig. 10 shows an arrangement in which a reference light beam R is collimated and directed to a detector. Specifically, the arrangement shown can be used to determine a displacement imposed on the reference light beam R by the first scanner 18.
- the arrangement has essentially the same components as the arrangement shown in Fig. 5.
- the lens 23 is not part of the first scanner 18, but is located exclusively in the illumination beam path. with the function of a tube lens.
- the reference light beam R is collimated and directed to the second beam splitter 15 and coupled into the illumination light beam path.
- the convergent reference light beam R is coupled out of the illumination light beam path by means of the first beam splitter 14.
- a focus F of the reference light beam R is formed between the first beam splitter 14 and a lens 25.
- the fact that the first beam scanner 18 shifts the reference light beam R means that the position of the focus F is shifted along a perpendicular to an optical axis of the arrangement in a zero position of the first scanner 18. This is indicated in the figure by the double arrow.
- the reference light beam R is now collimated by the lens 25 of the measuring device 13.
- the collimated reference light beam R then runs at an angle to the aforementioned optical axis, the angle being dependent on the displacement of the focus F of the reference light beam R.
- the detector of the measuring device 13, the position-sensitive diode 24, is located at a distance which is very large in relation to the focal length of the lens 25, so that the point of incidence of the collimated reference light beam R depends sensitively on the position of the focus F relative to the optical axis, and thus on the displacement to be measured.
- DOE diffractive optical element
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Abstract
Description
MINFLUX- ODER STED-MINFLUX-MIKROSKOP MIT ERHÖHTER ZEITLICHÖRTLICHER AUFLÖSUNG UND ENTSPRECHENDES VERFAHREN MINFLUX OR STED-MINFLUX MICROSCOPE WITH INCREASED TEMPORAL-SPACIAL RESOLUTION AND CORRESPONDING METHOD
Technisches Gebiet der Erfindung Technical field of the invention
Die Erfindung richtet sich auf ein Mikroskop und mit dem Mikroskop durchzuführende MINFLUX- Verfahren oder STED-MINFLUX-Verfahren zur zeitlich und örtlich hochaufgelösten Bestimmung des Ortes einzelner Emitter oder zum zeitlich und örtlich hochaufgelösten Verfolgen von Emittern. Die betreffenden Emitter können insbesondere einzelne Fluorophore sein. The invention is directed to a microscope and to MINFLUX methods or STED-MINFLUX methods that can be carried out with the microscope for determining the location of individual emitters with high temporal and spatial resolution or for tracking emitters with high temporal and spatial resolution. The emitters in question can in particular be individual fluorophores.
Stand der Technik State of the art
Ein im Stand der Technik noch junges Mikroskopieverfahren ist die MINFLUX-Nanoskopie. Bei der MINFLUX-Nanoskopie handelt es sich um Verfahren der Lokalisationsmikroskopie. Die Lokalisation der einzelnen Emitter, insbesondere einzelner Fluorophore erfolgt mittels strukturierter Beleuchtungslichtverteilungen, wobei das Beleuchtungslicht an den Emittern gestreut wird oder wobei das Beleuchtungslicht diese zu Lumineszenz, insbesondere zu Fluoreszenz anregt und in einem solchen allgemeinen Sinne ein Anregungslicht ist. Die grundlegende Besonderheit der MINFLUX-Nanoskopie ist, dass die Beleuchtung der Emitter, insbesondere die Anregung der Fluorophore, jeweils so erfolgt, dass ein zu lokalisierender Emitter oder ein Emitter, dessen Bewegung in einer Probe verfolgt werden soll, an verschiedenen Positionen nah an einem oder an einem Minimum der Anregungslichtverteilung, welches idealerweise eine Nullstelle ist, platziert wird, wobei die Anregungslichtverteilung benachbart zum Minimum einen Intensitätsanstiegsbereich aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass die Menge der an dem Emitter gestreuten Photonen oder die Fluoreszenzphotonen oder jedes einzelne solche Photon besonders viel Information über die momentane Lage des jeweiligen Emitters enthalten. Dies gilt insbesondere auch für Anwendungen, in denen die Bewegung von Fluorophoren über die Zeit verfolgt werden soll. Um die Information zu gewinnen, wird das jeweils aus dem Bereich des Minimums emittierte Licht detektiert. Das Verfolgen eines einzelnen Emitters unter Nutzung eines Anregungsminimums ist beispielsweise bekannt aus dem Patent DE 10 2011 055 367 B4, die Lokalisation eines einzelnen fluoreszenten Moleküls unter Nutzung einer Intensitätsverteilung von Anregungslicht mit einem lokalen Intensitätsminimum ist aus dem deutschen Patent DE 10 2013 114 860 B3 bekannt. Auf Basis dieser Grundlage sind eine Reihe von Verfeinerungen zur Informationsgewinnung entstanden, die eine Lokalisation der Fluorophore mit einer Unsicherheit im Bereich unterhalb von 2 nm sowie ein Verfolgen der Bewegung einzelner Fluorophore sowohl innerhalb eines Bereichs einiger Nanometer als auch innerhalb eines Bereichs von wenigen Mikrometern ermöglichen. Eine ausführliche, aber nicht abschließende Darstellung zur MINFLUX-Nanoskopie findet sich in der Publikation „Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes” (F. Balzarotti et al., Science 355, 606-612 (2017), DOI:10.1126/science. aak9913 ). Experimentell gezeigt wird eine nicht-iterative MINFLUX-Lokalisation sowie ein Verfolgen von vereinzelten Fluorophoren mittels MINFLUX. Zudem wird das Konzept des iterativen MINFLUX vorgestellt. Grundsätzlich muss, um ein Fluorophor mittels MINFLUX- Nanoskopie entsprechend der Beschreibung in der genannten Publikation lokalisieren zu können, das Intensitätsminimum bzw. die Intensitätsnullstelle an einer Mehrzahl von Positionen relativ zur Lage des Fluorophors platziert werden. Hierfür muss in einem vorbereitenden Schritt eine aktuelle Position des Fluorophors mit einer ersten, geringeren Genauigkeit abgeschätzt werden oder bekannt sein. Dies kann beispielsweise mittels gewöhnlicher Lokalisationsmikroskopie (PALM, STORM) geschehen oder mittels anderer bekannter Verfahren. Anschließend wird eine Intensitätsverteilung von Anregungslicht mit einem zentralen Minimum, beispielsweise in der Form eines Donuts, wie aus der STED-Mikroskopie bekannt, an einer bekannten Position platziert, die derart gewählt ist, dass die abgeschätzte Lage des Fluorophors nah am Minimum der Intensitätsverteilung ist. Die Fluoreszenzantwort des Fluorophors wird gemessen. Dasselbe wird in der Regel für mehrere weitere Positionen der Intensitätsverteilung, die um die abgeschätzte Lage herum platziert sind und ggf. auch für die Position, die der abgeschätzten Lage entspricht, durchgeführt. Die Menge aller solchen Abtastpositionen bildet ein Set von Abtastpositionen. Mittels einer ratiometrischen Auswertung der Intensitätsverhältnisse wird die Lage des Fluorophors mit höherer Genauigkeit bestimmt. Diese genauer bestimmte Lage kann nun als Ausgangsposition für eine Wiederholung der Abfolge der vorgenannten Schritte verwendet werden, wobei die Positionen des Minimums der Intensitätsverteilung von Anregungslicht im Falle einer Lokalisation eines Fluorophors dichter an die abgeschätzte Lage des Fluorophors gelegt werden können. Dieses Verfahren kann iterativ fortgesetzt werden. Soll die Bewegung eines Emitters verfolgt werden, so kann es sinnvoll sein, den Abstand der Positionen, an denen das Intensitätsminimum jeweils platziert wird, von der im vorangehenden Schritt geschätzten Position von Schritt zu Schritt jeweils nicht zu verkleinern. Das Verfahren wird entsprechend der Beschreibung in der genannten Publikation mittels eines Mikroskops durchgeführt, welches sowohl einen Piezo-Scanner als auch elektro-optische Deflektoren (EOD) enthält. Mittels dieser kombinierten Scaneinrichtung kann ein Bildfeld von etwa 20 pm x 20 pm adressiert werden. Mittels der EOD alleine kann ein Bildfeld von etwa 2 pm x 2 pm adressiert werden, wobei eine hochschnelle Verlagerung lediglich in einem Feld von etwa 300 nm x 300 nm möglich ist. Sowohl bei Durchführung einer Lokalisierung als auch im Falle einer Verfolgung eines Partikels erfolgt die Ansteuerung der Abtastpositionen eines Sets von Abtastpositionen ausschließlich unter Verwendung der hochschnellen EOD-Abtastung. Für eine Verlagerung des Zentrums kann dann eine Kombination aus Piezo-Scanner und EOD genutzt werden. Die Bewegung einzelner Moleküle, die nur in einem eng umgrenzten Bereich, nämlich in einem Bereich, der von einem Set von Abtastpositionen überdeckt wird, beweglich sind, kann unter Verwendung eines festen Sets von Abtastpunkten erfolgen. A microscopy method that is still relatively new in the state of the art is MINFLUX nanoscopy. MINFLUX nanoscopy is a method of localization microscopy. The localization of individual emitters, in particular individual fluorophores, is carried out using structured illumination light distributions, whereby the illumination light is scattered at the emitters or whereby the illumination light excites them to luminescence, in particular to fluorescence, and in such a general sense is an excitation light. The fundamental special feature of MINFLUX nanoscopy is that the illumination of the emitters, in particular the excitation of the fluorophores, is carried out in such a way that an emitter to be localized or an emitter whose movement in a sample is to be tracked is placed at different positions close to one or at a minimum of the excitation light distribution, which is ideally a zero point, whereby the excitation light distribution has an intensity increase region adjacent to the minimum. This ensures that the amount of photons scattered by the emitter or the fluorescence photons or each individual such photon contains a lot of information about the current position of the respective emitter. This is particularly true for applications in which the movement of fluorophores is to be tracked over time. In order to obtain the information, the light emitted from the area of the minimum is detected. Tracking an individual emitter using an excitation minimum is known, for example, from patent DE 10 2011 055 367 B4, and localizing an individual fluorescent molecule using an intensity distribution of excitation light with a local intensity minimum is known from German patent DE 10 2013 114 860 B3. On this basis, a number of refinements for information acquisition have been developed that enable localization of the fluorophores with an uncertainty in the range below 2 nm and tracking of the movement of individual fluorophores both within a range of a few nanometers and within a range of a few micrometers. A detailed but not exhaustive description of MINFLUX nanoscopy can be found in the publication “Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes” (F. Balzarotti et al., Science 355, 606-612 (2017), DOI:10.1126/science. aak9913 ). Non-iterative MINFLUX localization and tracking of individual fluorophores using MINFLUX are experimentally demonstrated. The concept of iterative MINFLUX is also presented. Basically, in order to be able to localize a fluorophore using MINFLUX nanoscopy as described in the publication mentioned, the intensity minimum or zero point must be placed at a number of positions relative to the position of the fluorophore. To do this, in a preparatory step, a current position of the fluorophore must be estimated with an initial, lower level of accuracy or must be known. This can be done, for example, using conventional localization microscopy (PALM, STORM) or other known methods. An intensity distribution of excitation light with a central minimum, for example in the shape of a donut, as known from STED microscopy, is then placed at a known position that is chosen such that the estimated position of the fluorophore is close to the minimum of the intensity distribution. The fluorescence response of the fluorophore is measured. The same is usually done for several other positions of the intensity distribution that are placed around the estimated position and, if necessary, also for the position that corresponds to the estimated position. The set of all such scanning positions forms a set of scanning positions. The position of the fluorophore is determined with greater accuracy by means of a ratiometric evaluation of the intensity ratios. This more precisely determined position can now be used as the starting position for repeating the sequence of the aforementioned steps, whereby the positions of the minimum of the intensity distribution of excitation light can be placed closer to the estimated position of the fluorophore in the case of a fluorophore localization. This process can be continued iteratively. If the movement of an emitter is to be tracked, it may be useful not to reduce the distance of the positions at which the intensity minimum is placed from the position estimated in the previous step from step to step. The process is carried out as described in the publication mentioned using a microscope that contains both a piezo scanner and electro-optical deflectors (EOD). Using this combined scanning device, an image field of approximately 20 pm x 20 pm can be addressed. Using the EOD alone, an image field of about 2 pm x 2 pm can be addressed, whereby a high-speed displacement is only possible in a field of about 300 nm x 300 nm is possible. Both when localizing and when tracking a particle, the scanning positions of a set of scanning positions are controlled exclusively using the high-speed EOD scanning. A combination of piezo scanner and EOD can then be used to shift the center. The movement of individual molecules that are only mobile in a narrowly defined area, namely in an area covered by a set of scanning positions, can be carried out using a fixed set of scanning points.
In der europäischen Patentschrift EP 3 372 990 B1 wird ein Verfahren offenbart, bei dem ein Set oder Sets von Abtastpositionen mit einer lokalen Nullstelle einer Intensitätsverteilung von Fluoreszenzverhinderungslicht, die überlagert ist mit einer beispielsweise gaußförmigen Intensitätsverteilung von Anregungslicht, abgetastet werden. Die Bestimmung der Position des Fluorophors kann dann in grundsätzlich der gleichen Weise wie bei MINFLUX-Verfahren erfolgen, wobei die Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität vom Abstand des Fluorophors bzgl. der Nullstelle der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts sich gegenüber MINFLUX dadurch unterscheidet, dass die Fluoreszenzintensität oder die Rate, mit der Photonen detektiert werden können, mit zunehmendem Abstand abnimmt. Solche Verfahren werden in dieser Anmeldung in der Folge als STED-MINFLUX-Verfahren bezeichnet. European patent EP 3 372 990 B1 discloses a method in which a set or sets of scanning positions are scanned with a local zero of an intensity distribution of fluorescence prevention light, which is superimposed with, for example, a Gaussian intensity distribution of excitation light. The position of the fluorophore can then be determined in basically the same way as with MINFLUX methods, whereby the dependence of the fluorescence intensity on the distance of the fluorophore with respect to the zero of the intensity distribution of the fluorescence prevention light differs from MINFLUX in that the fluorescence intensity or the rate at which photons can be detected decreases with increasing distance. Such methods are referred to in this application as STED-MINFLUX methods.
Die internationale Offenlegungsschrift WO 2021/122407 A1 offenbart ein Verfahren zur Korrektur insbesondere kurzfristiger, transienter Störeinflüsse in einem Laserscanningmikroskop und ein Laserscanningmikroskop mit einer Vorrichtung zur Erfassung einer Störung, das dazu ausgebildet ist, ein Verfahren zur Störungskorrektur auszuführen. Das Mikroskop kann ein Scannersystem enthalten, das EOD und einen Scanner, der einer vergleichsweise langsamen, aber über ein großes Bildfeld möglichen Grobpositionierung des fokussierten Anregungslichts dient, aufweist. Der Scanner kann in einer Quad-Konfiguration ausgeführt sein. Insbesondere ist ein Verfahren zur Korrektur von Störungen bei Bildaufnahmen nach dem MINFLUX-Prinzip offenbart. Die in der Offenlegungsschrift offenbarte Erfindung löst die Aufgabe, dass eine hohe Lokalisationsgenauigkeit auch dann erreicht wird, wenn bei der Datenaufnahme nach der MINFLUX- Methode auftretende Störeinflüsse nicht vermieden werden können, indem während der Datenaufnahme für eine Lokalisation die Größe einer Störung bestimmt wird, aus der ein Gewichtungsfaktor abgeleitet wird, der bei der Bestimmung des Ortes eines Farbstoffmoleküls berücksichtigt wird; alternativ wird die Datenaufnahme abhängig von der Größe der Störung unterbrochen sowie fortgesetzt. Die Größe der Störung kann dabei mit verschiedenen Arten von Sensoren erfasst werden. In einer der Ausführungsformen wird die Größe der Störung erfasst, indem ein von einer Hilfslichtquelle bereitgestellter Messlichtstrahl entlang eines Abschnitts des Strahlengangs zusammen mit dem Strahl eines Anregungslichts und/oder eines Fluoreszenzverhinderungslichts verläuft und schließlich auf einen positionssensitiven Detektor geleitet wird. In dieser Anordnung werden Störungen, die auf die strahlführenden Elemente zum Beispiel des Anregungslichts übertragen werden und zu einer Veränderung der Lage des fokussierten Anregungslichts in der Probe führen, auch auf den Messlichtstrahl übertragen. In einer Weiterbildung kann das Signal der Messeinrichtung zur Erfassung einer Störung genutzt werden, um eine Strahllagekorrektur vorzunehmen, indem insbesondere elektrooptische Deflektoren einer Strahlablenkvorrichtung mit einem korrigierten Steuersignal beaufschlagt werden, sodass eine Abtastposition eines Intensitätsminimums des Anregungslichts in der Probe an ihrer Sollposition gehalten wird. Konkret wird eine Vorrichtung beschrieben und in einer Figur dargestellt, bei der ein von einer Hilfslichtquelle bereitgestellter Messlichtstrahl mittels eines ersten dichroitischen Strahlteilers in den Strahlengang des Anregungslichts eingekoppelt und mit Hilfe eines weiteren dichroitischen Strahlteilers an anderer Stelle wieder ausgekoppelt wird, wobei im Abschnitt zwischen den Strahlteilern der Messlichtstrahl im Strahlengang des Anregungslichts verläuft. Der Anregungslichtstrahl verläuft dabei in Strahlrichtung vor Erreichen des ersten dichroitischen Strahlteilers durch eine elektrooptische Ablenkeinrichtung, die zwei nacheinander geschaltete elektrooptische Deflektoren zur Ablenkung des Anregungslichtstrahls in der horizontalen bzw. vertikalen Richtung aufweist, und nach Passieren des weiteren dichroitischen Strahlteilers durch einen weiteren Scanner beispielsweise in Quad-Konfiguration, also einer speziellen Anordnung mit vier Kippspiegeln. Der dem Messlichtstrahl und dem Anregungslichtstrahl gemeinsame Strahlengangabschnitt umfasst dagegen keine Ablenkeinrichtung oder Scanner. The international publication WO 2021/122407 A1 discloses a method for correcting, in particular, short-term, transient interference in a laser scanning microscope and a laser scanning microscope with a device for detecting an interference, which is designed to carry out an interference correction method. The microscope can contain a scanner system that has EOD and a scanner that serves for a comparatively slow but possible coarse positioning of the focused excitation light over a large image field. The scanner can be designed in a quad configuration. In particular, a method for correcting interference during image recordings according to the MINFLUX principle is disclosed. The invention disclosed in the publication solves the problem of achieving a high level of localization accuracy even if interference occurring during data recording according to the MINFLUX method cannot be avoided by determining the size of an interference during data recording for a localization, from which a weighting factor is derived that is taken into account when determining the location of a dye molecule; Alternatively, the data acquisition is interrupted and continued depending on the size of the disturbance. The size of the disturbance can be detected using different types of sensors. In one of the embodiments, the size of the disturbance is detected by passing a measuring light beam provided by an auxiliary light source along a section of the beam path together with the beam of an excitation light and/or a fluorescence prevention light and is finally directed to a position-sensitive detector. In this arrangement, disturbances that are transmitted to the beam-guiding elements, for example of the excitation light, and lead to a change in the position of the focused excitation light in the sample, are also transmitted to the measuring light beam. In a further development, the signal from the measuring device for detecting a disturbance can be used to carry out a beam position correction, in particular by applying a corrected control signal to electro-optical deflectors of a beam deflection device, so that a scanning position of an intensity minimum of the excitation light in the sample is held at its target position. Specifically, a device is described and shown in a figure in which a measuring light beam provided by an auxiliary light source is coupled into the beam path of the excitation light by means of a first dichroic beam splitter and is coupled out again at another point with the help of a further dichroic beam splitter, wherein in the section between the beam splitters the measuring light beam runs in the beam path of the excitation light. Before reaching the first dichroic beam splitter, the excitation light beam runs in the beam direction through an electro-optical deflection device, which has two electro-optical deflectors connected in series to deflect the excitation light beam in the horizontal and vertical directions, and after passing the further dichroic beam splitter through another scanner, for example in a quad configuration, i.e. a special arrangement with four tilting mirrors. The beam path section common to the measuring light beam and the excitation light beam, on the other hand, does not include a deflection device or scanner.
Aus der Veröffentlichung „Digital light deflection and electro-optical laser scanning for STED nanoscopy” (Jonas Marquard, Dissertation, Ruperto-Carola University of Heidelberg, 2017, DOI: 10.11588/heidok.00023956) ist ein weiteres Mikroskop bekannt, welches im Strahlengang eines Anregungslichts eine elektro-optische Ablenkeinrichtung und einen Quad-Scanner aufweist. Bei diesem Mikroskop ist der Anregungsstrahlengang gleichzeitig der Strahlengang eines Depletions- bzw. STED-Lichts, das gemeinsam mit dem Anregungslicht aus einer Lichtleitfaser austritt. Außerdem besteht die elektro-optische Ablenkeinrichtung lediglich aus einem elektro-optischen Deflektor (EOD), der in Resonanz betrieben wird, und ausgebildet ist, um den Anregungsstrahl lediglich in einer Richtung, auf der schnellen Achse, abzulenken. In der Veröffentlichung wird ausgeführt, dass sowohl beim Scannen mit einem EOD als auch beim Scannen mit einem mechanischen Scanner ein Jitter im Sinne einer zeitlich variierenden Abweichung der Istposition von einer Sollposition auftritt. Die Größe des Jitters hängt dabei von der Scangeschwindigkeit ab. Bei einem mechanischen Scanner sorge die Massenträgheit beim schnellen Scannen für Störungen, während bei einer langsamen Abtastung verschiedene Drifts auftreten könnten. Die experimentelle Bestimmung des jeweiligen Jitters ergibt, dass der Jitter des EOD und des mechanischen Scanners bei der vorhandenen Konfiguration in derselben Größenordnung, nämlich im Bereich einstelliger Werte in Nanometern, liegen und auch im Zusammenhang mit hochauflösenden STED-Messungen vernachlässigt werden könne. From the publication “Digital light deflection and electro-optical laser scanning for STED nanoscopy” (Jonas Marquard, dissertation, Ruperto-Carola University of Heidelberg, 2017, DOI: 10.11588/heidok.00023956) another microscope is known which has an electro-optical deflection device and a quad scanner in the beam path of an excitation light. In this microscope, the excitation beam path is simultaneously the beam path of a depletion or STED light, which emerges from an optical fiber together with the excitation light. In addition, the electro-optical deflection device consists only of an electro-optical deflector (EOD), which is operated in resonance and is designed to deflect the excitation beam only in one direction, on the fast axis. The publication states that both scanning with an EOD and scanning with a mechanical scanner results in jitter in the sense of a time-varying deviation of the actual position from a target position. The size of the jitter depends on the scanning speed. With a mechanical scanner, the inertia of the mass causes disturbances during fast scanning, while various drifts can occur during slow scanning. The experimental determination of the respective jitter shows that the jitter of the EOD and the mechanical scanner in the existing configuration are in the same order of magnitude, namely in the range of single-digit values in nanometers, and can also be neglected in connection with high-resolution STED measurements.
Die Publikation US 2002/179828 A1 richtet sich auf eine Einrichtung zum Scannen einer Probe, mit der auch bei schnellem Scannen einer Probe weitgehend bildfehlerfreie Bilddaten erzeugbar sind. Die Einrichtung weist unter anderem eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Istsignals für jeden Scanpunkt aus der Einstellung einer Scaneinrichtung auf. Weiter weist sie eine Verarbeitungseinheit zum Errechnen eines Darstellsignals und einer Bildpunktposition aus dem Istsignal und/oder dem von einer Steuereinheit der Scaneinrichtung bereitgestellten Sollsignal und dem Detektionssignal einer Detektionseinrichtung auf sowie eine Verarbeitungseinheit zum Zuordnen des Darstellsignals zu der Bildpunktposition. The publication US 2002/179828 A1 is directed at a device for scanning a sample, with which image data that is largely free of image errors can be generated even when scanning a sample quickly. The device has, among other things, a device for determining an actual signal for each scan point from the setting of a scanning device. It also has a processing unit for calculating a display signal and an image point position from the actual signal and/or the target signal provided by a control unit of the scanning device and the detection signal of a detection device, as well as a processing unit for assigning the display signal to the image point position.
In dem deutschen Patent DE 10 2007 008 009 B3 wird ein Scanmikroskop beschrieben, das eine Strahlablenkeinrichtung und eine Erfassungseinrichtung aufweist, wobei mit der Erfassungseinrichtung mindestens eine Information über eine Frequenz und/oder eine Phase und/oder eine Amplitude der Strahlablenkeinrichtung erfasst wird. Das Patent richtet sich auf ein Verfahren, bei dem das Messsignal der Erfassungseinrichtung aufbereitet und nach der Aufbereitung entweder zur Steuerung der Ablenkeinrichtung oder aber für eine Zuordnung von Bilddaten zu Positionen in der Probe genutzt wird. Für die Aufbereitung wird ein direktes digitales Syntheseverfahren, das ist entsprechend der fachüblichen Begriffsdefinition ein Verfahren, bei dem periodische, bandbegrenzte Signale erhalten werden, genutzt. Mit dem patentgemäßen Verfahren wird insbesondere ein Problem beim schnellen resonanten Scannen gelöst, nämlich das zwischen dem Ansteuersignal eines resonanten Scanners und dem Verlauf der Abtastung durch den Scanner abhängig von der Ansteuerfrequenz und der Güte des Resonators ein Phasenversatz auftritt. Die Erfassungseinrichtung kann eine in einen Scanner integrierte Einrichtung sein. In anderen Ausführungsformen wird ein Hilfslichtstrahl auf die Rückseite eines Galvanometerspiegels geleitet. Der an der Rückseite des Spiegels reflektierte und entsprechend der Stellung des Galvanometerspiegels abgelenkte Hilfslichtstrahl wird auf einen positionssensitiven Detektor geleitet, dessen Signal das Messsignal bildet. The German patent DE 10 2007 008 009 B3 describes a scanning microscope that has a beam deflection device and a detection device, wherein the detection device detects at least one piece of information about a frequency and/or a phase and/or an amplitude of the beam deflection device. The patent is directed at a method in which the measurement signal of the detection device is processed and, after processing, is used either to control the deflection device or to assign image data to positions in the sample. A direct digital synthesis method is used for the processing; according to the standard technical definition, this is a method in which periodic, band-limited signals are obtained. The method according to the patent solves a problem in particular with fast resonant scanning, namely that a phase shift occurs between the control signal of a resonant scanner and the course of the scanning by the scanner, depending on the control frequency and the quality of the resonator. The detection device can be a device integrated in a scanner. In other embodiments, an auxiliary light beam is directed to the back of a galvanometer mirror. The auxiliary light beam reflected at the back of the mirror and deflected according to the position of the galvanometer mirror is directed to a position-sensitive detector, the signal of which forms the measurement signal.
Aus der Veröffentlichung „Jitter suppression for resonant galvo based high-throughput laser scanning systems” (Jianian Lin, Opt. Express 28, 26414-26420 (2020), doi: 10.1364/OE.402883) sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion des bei einem resonanten Scannen auftretenden Jitters bekannt. Beschrieben ist eine Vorrichtung, die zu Zwecken der Analyse des Jitters einer Strahlablenkeinrichtung ausgebildet ist. Ein Laserstrahl wird kollimiert auf einen Spiegel eines resonanten Galvoscanners geleitet und von dem Spiegel durch eine fokussierende Linse in Richtung einer Fotodiode geleitet, vor der im Fokus der Linse ein Spalt platziert ist, sodass die Fotodiode regelmäßig bei einem Nulldurchgang des Scanners, bei dem das Licht von dem Scanner um einen rechten Winkel umgelenkt wird, Licht detektiert und ein Signal ausgibt. Licht eines Referenzlasers wird über eine Linse und den Spiegel des Scanners auf eine weitere Detektionseinrichtung bestehend aus einer Fotodiode und einem Spalt geleitet. Der Referenzlaser wird derart geschaltet, dass nur jeweils während eines einzigen Nulldurchgangs eines Schwingungszyklus ein Referenzsignal erhalten wird. Dieses Referenzsignal wird auf die Ansteuerung des resonanten Scanners rückgekoppelt. From the publication “Jitter suppression for resonant galvo based high-throughput laser scanning systems” (Jianian Lin, Opt. Express 28, 26414-26420 (2020), doi: 10.1364/OE.402883) a method and a device for reducing the jitter occurring during resonant scanning are known. A device is described which is designed for the purpose of analyzing the jitter of a beam deflection device. A collimated laser beam is directed onto a mirror of a resonant galvo scanner and from the mirror through a focusing Lens in the direction of a photodiode, in front of which a slit is placed in the focus of the lens, so that the photodiode regularly detects light and emits a signal when the scanner passes through zero, when the light is deflected by the scanner at a right angle. Light from a reference laser is directed via a lens and the scanner's mirror to another detection device consisting of a photodiode and a slit. The reference laser is switched in such a way that a reference signal is only received during a single zero crossing of an oscillation cycle. This reference signal is fed back to the control of the resonant scanner.
Die Publikation US 2021/239452 A1 richtet sich auf eine Vorrichtung zur Messung eines Winkels eines kollimierten kohärenten Lichtstrahls, eine Strahlstabilisierungsvorrichtung und ein Laser- Scanning-Mikroskop mit einer Strahlstabilisierungsvorrichtung. Die Messvorrichtung zielt darauf, einen Winkel so genau zu messen, dass Winkeländerungen, die nach Fokussierung durch ein Objektiv zu Abweichungen der Lage eines Beleuchtungsfokus in einer Probe in der Größenordnung von 1 nm führen, detektiert werden können. Es wird ein Mikroskop beschrieben, welches einen Laser aufweist, dessen Licht kollimiert zu einem Strahlteiler geleitet wird. Ein Teil des Lichts passiert den Strahlteiler und wird durch ein Objektiv in eine Probe fokussiert, ein anderer Teil wird durch den Strahlteiler in Richtung der Messeinrichtung zur Messung eines Winkels des kollimierten kohärenten Lichtstrahls geleitet. Die Strahlstabilisierungseinrichtung und deren Funktion werden nicht näher erläutert. The publication US 2021/239452 A1 is directed to a device for measuring an angle of a collimated coherent light beam, a beam stabilization device and a laser scanning microscope with a beam stabilization device. The measuring device aims to measure an angle so precisely that angular changes that lead to deviations in the position of an illumination focus in a sample in the order of 1 nm after focusing through an objective can be detected. A microscope is described which has a laser whose light is collimated and directed to a beam splitter. Part of the light passes through the beam splitter and is focused into a sample through an objective, another part is directed through the beam splitter in the direction of the measuring device for measuring an angle of the collimated coherent light beam. The beam stabilization device and its function are not explained in more detail.
Aus der Veröffentlichung „Pixel hopping enables fast STED nanoscopy at low light dose” (Britta Vingon, Opt. Express 28, 4516-4528 (2020), DOI: htps://doi.Org/10.1364/OE.385174) ist ein STED-Mikroskop mit einer Scaneinrichtung, die sowohl Galvo-Scanner als auch zwei elektrooptische Deflektoren (EOD) aufweist, bekannt. Die EOD und die Galvo-Scanner sind dabei derart in einem Strahlengang für Anregungs- und STED-Licht sowie für Fluoreszenzlicht angeordnet, dass sich eine Gesamtverschiebung des beobachteten Spots in der Probe aus der Summe der von EOD und Galvo-Scanner verursachten Verschiebungen ergibt. Die Galvo-Scanner ermöglichen die Abtastung eines großen Scanfeldes, die EOD ermöglichen eine schnelle Feineinstellung. Um nun innerhalb eines großen Scanfelds schnell und genau mit hoher Geschwindigkeit abtasten zu können, wird das kombinierte Scansystem wie folgt angesteuert: Eine Steuerungseinrichtung gibt ein Steuersignal an die Scaneinrichtung, wobei das Signal derart aufgeteilt wird, dass die Galvo-Scanner ein Sollsignal erhalten; zusätzlich wird aus den Galvo-Scannern ein Istsignal an einem Monitoringausgang abgegriffen, welches mittels der werkseitig implementierten Positionssensoren bereitgestellt wird; das Sollsignal wird nicht nur an die Galvo-Scanner ausgegeben, sondern auch an Komparatoren, in die außer dem Sollsignal auch das am Monitoringausgang abgegriffene Istsignal eingespeist wird; die Differenz aus dem Sollsignal und dem Istsignal wird als Korrektursignal auf die EOD gegeben, sodass in Verbindung mit der Ablenkung durch die EOD unabhängig von der trägheitsbedingt verzögerten Einstellung der Galvo-Scanner der Sollabtastpunkt schnell und genau erreicht wird. Die Einrichtung wird genutzt, um bei Durchführung eines Rasterscans während einer Abtastung die Abtastgeschwindigkeit, d.h. die Dauer, während der ein Pixel adressiert oder überstrichen wird, lokal stark zu variieren. From the publication “Pixel hopping enables fast STED nanoscopy at low light dose” (Britta Vingon, Opt. Express 28, 4516-4528 (2020), DOI: htps://doi.Org/10.1364/OE.385174) a STED microscope with a scanning device that has both a galvo scanner and two electro-optical deflectors (EOD) is known. The EOD and the galvo scanners are arranged in a beam path for excitation and STED light as well as for fluorescence light in such a way that a total shift of the observed spot in the sample results from the sum of the shifts caused by the EOD and galvo scanner. The galvo scanners enable the scanning of a large scan field, the EODs enable fast fine adjustment. In order to be able to scan quickly and accurately at high speed within a large scanning field, the combined scanning system is controlled as follows: A control device sends a control signal to the scanning device, whereby the signal is divided in such a way that the galvo scanners receive a target signal; in addition, an actual signal is tapped from the galvo scanners at a monitoring output, which is provided by the position sensors implemented at the factory; the target signal is not only output to the galvo scanners, but also to comparators, into which, in addition to the target signal, the actual signal tapped at the monitoring output is fed; the difference between the target signal and the The actual signal is sent to the EOD as a correction signal so that, in conjunction with the deflection by the EOD, the target scanning point is reached quickly and precisely, regardless of the inertia-related delay in setting the galvo scanner. The device is used to locally vary the scanning speed, ie the duration during which a pixel is addressed or scanned, when performing a raster scan during a scan.
In der Publikation “MINFLUX nanometer-scale 3D imaging and microsecond-range tracking on a common fluorescence microscope” (Schmidt, R. et al., Nat Commun 12, 1478 (2021). htps://doi.org/10.1038/s41467-Q21-21652-z ) wird nun die Durchführung von MINFLUX-Verfah- ren mit einem kommerziell verfügbaren Mikroskop beschrieben. Das Mikroskop weist neben EOD einen Quad-Scanner, der aus vier Galvo-Scannern (zwei Galvo-Scanner je Ablenkrichtung) aufgebaut ist, auf. Mit dem Quad-Scanner kann in Verbindung mit der Verwendung eines Objektivs mit 100-facher Vergrößerung ein Bildfeld von etwa 80 pm x 80 pm adressiert werden, sodass das Mikroskop auch geeignet ist zur Aufnahme konfokaler Bilder oder von STED-mikro- skopischen Aufnahmen. Bei Durchführung eines MINFLUX-Verfahrens werden die Abtastpunkte eines einzelnen Sets von Abtastpunkten jeweils mittels der EOD adressiert. Die Anpassung der Lage des Zentrums eines Sets wird anschließend jeweils mittels der Galvo-Scanner durchgeführt. Mit dem Mikroskop werden Biomoleküle über eine Zeitdauer im Bereich von Sekunden mit einer Zeitauflösung im Bereich von 100 Mikrosekunden verfolgt. In der Publikation wird angesprochen, dass die Genauigkeit der Positionsbestimmung während der Verfolgung eines Partikels dadurch reduziert wird, dass sich das Partikel während der Bestimmung der einzelnen Positionen verlagert. The publication “MINFLUX nanometer-scale 3D imaging and microsecond-range tracking on a common fluorescence microscope” (Schmidt, R. et al., Nat Commun 12, 1478 (2021). htps://doi.org/10.1038/s41467-Q21-21652-z ) now describes the implementation of MINFLUX procedures with a commercially available microscope. In addition to EOD, the microscope has a quad scanner made up of four galvo scanners (two galvo scanners per deflection direction). With the quad scanner, in conjunction with the use of an objective with 100x magnification, an image field of approximately 80 pm x 80 pm can be addressed, so that the microscope is also suitable for taking confocal images or STED microscopic images. When performing a MINFLUX procedure, the sampling points of a single set of sampling points are each addressed using the EOD. The adjustment of the position of the center of a set is then carried out using the galvo scanners. The microscope is used to track biomolecules over a period of time in the range of seconds with a time resolution in the range of 100 microseconds. The publication mentions that the accuracy of the position determination during the tracking of a particle is reduced by the particle moving during the determination of the individual positions.
Untersuchungen der Anmelderin haben nun weiter gezeigt, dass die Positionsbestimmung bei Verwendung von Strahlscannern zusätzlich dadurch reduziert ist, dass während der Messung von Fluoreszenz zu einem Set von Abtastpunkten schnelle unregelmäßige oder unregelmäßig erscheinende Zustandsänderungen des Strahlscanners eine schnelle unregelmäßige oder jedenfalls unregelmäßig erscheinende Bewegung der Beleuchtungslichtverteilung in der Probe induzieren. Sowohl diese schnellen unregelmäßigen Zustandsänderungen des Strahlscanners als auch die schnellen unregelmäßigen Bewegungen der Beleuchtungslichtverteilung in der Probe werden in dieser Anmeldung als Jitter bezeichnet. Der Jitter kann eine gesteuerte oder geregelte Verlagerung des Beleuchtungslichts überlagern und er kann auch dann auftreten, wenn der Strahlscanner nominell auf eine feste Position zielt. Er kann insbesondere bei Verwendung einer Strahlablenkeinrichtung auftreten, die Galvoscanner für eine Adressierung eines großen Bildfeldes und EOD für eine Adressierung des Sets von Abtastpunkten für eine MINFLUX- Lokalisation aufweist. In diesem Fall können insbesondere schnelle unregelmäßige oder unregelmäßig erscheinende Bewegungen der Spiegel der Galvoscanner, die sich während der MINFLUX-Abtastung nominell in einer Ruhelage befinden, die unregelmäßige oder unregelmäßig erscheinende Bewegung des Beleuchtungslichts induzieren. Grundsätzlich kann ein solcher Jitter auch bei anderen Strahlscanner-Systemen auftreten, insbesondere wenn diese derart ausgelegt sind, dass sie im betreffenden Mikroskop für die Abtastung eines großen Bildfeldes ausgelegt sind. Derartige Scanner für große Bildfelder weisen im Regelfall bewegliche Komponenten, zum Beispiel bewegliche Spiegel, auf. Die Auswirkung des Jitters ist umso größer, je kürzer die effektive Messzeit an den einzelnen Punkten des Sets von Abtastpunkten ist. Demzufolge begrenzt der Jitter in den aus dem Stand der Technik bekannten Mikroskopen die örtlich-zeitliche Auflösung. Investigations by the applicant have now further shown that the position determination when using beam scanners is additionally reduced by the fact that during the measurement of fluorescence at a set of scanning points, rapid irregular or irregular-seeming changes in the state of the beam scanner induce a rapid irregular or at least irregular-seeming movement of the illumination light distribution in the sample. Both these rapid irregular changes in the state of the beam scanner and the rapid irregular movements of the illumination light distribution in the sample are referred to in this application as jitter. The jitter can superimpose a controlled or regulated displacement of the illumination light and it can also occur when the beam scanner is nominally aimed at a fixed position. It can occur in particular when using a beam deflection device that has galvo scanners for addressing a large image field and EOD for addressing the set of scanning points for MINFLUX localization. In this case, in particular rapid irregular or irregular-seeming movements of the mirrors of the galvo scanners that move during the MINFLUX scanning is nominally in a rest position, which induces irregular or irregular-seeming movement of the illumination light. In principle, such jitter can also occur in other beam scanner systems, especially if they are designed to scan a large image field in the microscope in question. Such scanners for large image fields usually have moving components, for example moving mirrors. The effect of the jitter is greater the shorter the effective measurement time at the individual points of the set of scanning points. Consequently, the jitter in the microscopes known from the state of the art limits the spatial-temporal resolution.
Aufgabe der Erfindung task of the invention
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, die bei der Verwendung eines Mikroskops mit einem Strahlscanner bei der Durchführung von MINFLUX- Verfahren oder STED-MINFLUX-Verfahren eine verbesserte örtlich-zeitliche Auflösung der Lokalisation einzelner Emitter, insbesondere einzelner Fluorophore, ermöglichen. The invention is therefore based on the object of providing solutions which, when using a microscope with a beam scanner when carrying out MINFLUX methods or STED-MINFLUX methods, enable an improved spatial-temporal resolution of the localization of individual emitters, in particular individual fluorophores.
Lösung Solution
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Mikroskop mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 19 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des Mikroskops, die abhängigen Ansprüche 21 und 22 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens. The object of the invention is achieved by a microscope having the features of independent patent claim 1 and by a method having the features of claim 20. Dependent claims 2 to 19 relate to preferred embodiments of the microscope, dependent claims 21 and 22 relate to preferred embodiments of the method.
Definitionen definitions
Unter Emittern werden in dieser Anmeldung Objekte verstanden, die, wenn sie mit Anregungslicht beleuchtet werden, mit Blick auf die erfindungsgemäßen Messungen als Punktlichtquellen betrachtet werden können. Das von dem Objekt, das als Punktlichtquelle wirkt, ausgehende Licht kann beispielsweise Streulicht sein, das aus einer elastischen Streuung wie beispielsweise einer Rayleigh-Streuung oder einer unelastischen Streuung wie beispielsweise einer Raman-Streuung resultiert oder es kann Lumineszenzlicht, insbesondere Fluoreszenzlicht, sein. Wesentlich für einen Emitter ist, dass von ihm als Reaktion auf das Beleuchten sofort oder mit kleiner Zeitverzögerung Licht ausgeht. Hierbei steht die maximale Zeitverzögerung dann, wenn Bewegungen des Emitters verfolgt werden sollen, in einer Beziehung zu der zeitlichen Auflösung, mit der die Bewegungen der Licht emittierenden Partikel oder Licht emittierenden Einheiten verfolgt werden sollen, und mit der Geschwindigkeit, mit der sich die Partikel oder Einheiten in der Probe bewegen. Die Zeitverzögerungen können bis etwa 10 ps betragen, liegen in der Regel aber im Bereich bis zu einigen zehn Nanosekunden, häufig im Bereich von 1 bis 10 ns und, wenn die Emission Streulicht ist, bei Null. In dieser Anmeldung dient der Begriff Fluoreszenzemitter der Bezeichnung von Emittern, die als Fluoreszenzpunktlichtquellen wirken. Emitter können beispielsweise metallische Nanopartikel sein. Unter den spezielleren Begriff Fluoreszenzemitter fallen zum Beispiel einzelne Fluoreszenzfarbstoffmoleküle oder deren fluoreszierende chemische Gruppen. Anstelle von Farbstoffen können auch andere fluoreszierende Einheiten wie zum Beispiel Quantum Dots oder aufwärtskonvertierende Nanopartikel zur Markierung verwendet werden. Im Kontext der Anmeldung wird dementsprechend unter Anregungslicht nicht nur Fluoreszenzanregungslicht verstanden, sondern allgemein solches Licht, das bewirkt, dass von einem Emitter Licht ausgeht. In this application, emitters are understood to mean objects which, when illuminated with excitation light, can be considered as point light sources with regard to the measurements according to the invention. The light emitted by the object acting as a point light source can, for example, be scattered light resulting from elastic scattering such as Rayleigh scattering or inelastic scattering such as Raman scattering, or it can be luminescent light, in particular fluorescent light. It is essential for an emitter that it emits light immediately or with a small time delay in response to illumination. When movements of the emitter are to be tracked, the maximum time delay is related to the temporal resolution with which the movements of the light-emitting particles or light-emitting units are to be tracked and to the speed with which the particles or units move in the sample. The time delays can be up to about 10 ps, but are usually in the Range up to several tens of nanoseconds, frequently in the range of 1 to 10 ns and, if the emission is scattered light, at zero. In this application, the term fluorescence emitter is used to describe emitters that act as fluorescence point light sources. Emitters can be, for example, metallic nanoparticles. The more specific term fluorescence emitter includes, for example, individual fluorescent dye molecules or their fluorescent chemical groups. Instead of dyes, other fluorescent units such as quantum dots or up-converting nanoparticles can also be used for marking. In the context of the application, excitation light is therefore understood to mean not only fluorescence excitation light, but generally light that causes light to emanate from an emitter.
Im Kontext der Anmeldung wird ein Emitter dann als vereinzelt bezeichnet, wenn ein Abstand zu einem nächstbenachbarten Emitter, von dem er optisch nicht unterscheidbar ist, zumindest so groß ist wie ein Abstand entsprechend dem Auflösungsvermögen der optischen Anordnung, mit der die Emissionen bei Durchführung des Verfahrens detektiert werden. In the context of the application, an emitter is referred to as isolated if a distance to a next-neighbouring emitter from which it is optically indistinguishable is at least as large as a distance corresponding to the resolution of the optical arrangement with which the emissions are detected when carrying out the method.
Unter Emissionsunterdrückungslicht wird in dieser Anmeldung Licht verstanden, das die Emission eines Emitters verhindert, reduziert oder gänzlich unterdrückt. Insbesondere kann das Emissionsunterdrückungslicht Stimulationslicht bzw. STED-Licht sein. In this application, emission suppression light is understood to mean light that prevents, reduces or completely suppresses the emission of an emitter. In particular, the emission suppression light can be stimulation light or STED light.
Unter STED-Licht wird in dieser Anmeldung, wie allgemein üblich, solches Licht verstanden, das durch die Anregung von stimulierter Emission Fluoreszenzemission unterdrückt. STED-Licht ist im Rahmen dieser Anmeldung eine spezielle Form des Emissionsunterdrückungslichts. In this application, STED light is understood, as is generally the case, to be light that suppresses fluorescence emission by exciting stimulated emission. In the context of this application, STED light is a special form of emission suppression light.
Unter MINFLUX-Verfahren werden in dieser Anmeldung Lokalisierungs- und Trackingverfahren für vereinzelte Emitter zusammengefasst, bei denen am Fokus in der Probe Lichtverteilungen von Beleuchtungslicht, das Lichtemissionen des Emitters anregt, erzeugt werden, wobei die Lichtverteilungen ein lokales Minimum aufweisen, und bei denen die Position eines vereinzelten Emitters durch Erfassen von Lichtemissionen des Emitters für verschiedene Lagen der Minima der betreffenden Lichtverteilungen oder für verschiedene solche Lichtverteilungen in einem Nahbereich des Emitters bestimmt wird, wobei von dem Emitter umso weniger Licht emittiert wird, je geringer der Abstand zwischen dem Emitter und dem Minimum der Lichtverteilung ist. In this application, MINFLUX methods are used to summarize localization and tracking methods for individual emitters in which light distributions of illumination light that excites light emissions from the emitter are generated at the focus in the sample, the light distributions having a local minimum, and in which the position of an individual emitter is determined by detecting light emissions from the emitter for different positions of the minima of the respective light distributions or for different such light distributions in a close range of the emitter, the smaller the distance between the emitter and the minimum of the light distribution, the less light is emitted by the emitter.
Unter STED-MINFLUX-Verfahren werden in dieser Anmeldung den MINFLUX-Verfahren entsprechend obiger Definition entsprechende Verfahren mit der Abweichung, dass an Stelle der Intensitätsverteilung von Anregungslicht eine Intensitätsverteilung von Emissionsunterdrückungslicht, die mit Anregungslicht überlappt, tritt, verstanden. Dass die Intensitätsverteilung von Emissionsunterdrückungslicht mit Anregungslicht überlappt, bedeutet dabei, dass die Probe in dem Bereich des Intensitätsminimums und der angrenzenden Abschnitte der Intensitätsanstiegsbereiche des Emissionsunterdrückungslichts, innerhalb der ein Emitter liegt, derart mit Anregungslicht beaufschlagt wird, dass eine Emission des Emitters angeregt wird oder in Abwesenheit von Emissionsunterdrückungslicht angeregt werden würde, sodass sich das Emissionsunterdrückungslicht entsprechend seiner Intensitätsverteilung derart auf die angeregte Emission oder das Anregen der Emission auswirkt, dass eine gemessene Emission eines innerhalb der Intensitätsverteilung des Emissionsunterdrückungslichts gelegenen Emitters mit zunehmendem Abstand vom Intensitätsminimum abnimmt. Wenn das Emissionsunterdrückungslicht STED-Licht und der Emitter ein Fluoreszenzemitter ist, bedeutet das, dass die spontane Emission des Fluoreszenzemitters mit zunehmendem Abstand vom Intensitätsminimum des STED-Lichts abnimmt. Die stimulierte Emission des Emitters, die dieselbe Wellenlänge wie das STED-Licht aufweist, trägt, wie in der STED-Mikroskopie üblich, nicht zur gemessenen Emission bei, sie wird beispielsweise mittels eines Filters geblockt. Dass die Intensitätsverteilung von Emissionsunterdrückungslicht mit Anregungslicht überlappt, bedeutet dabei nicht, dass das Anregungslicht und das Emissionsunterdrückungslicht streng gleichzeitig in die Probe eingebracht werden. So ist es zum Beispiel möglich, wie in der STED-Mikroskopie üblich, dass ein kurzer Puls von Anregungslicht angewendet wird, dem ein Puls von STED-Licht als Emissionsunterdrückungslicht unmittelbar nachfolgt. Das Anregungslicht, mit dem die Intensitätsverteilung von Emissionsunterdrückungslicht überlappt, kann beispielsweise eine Intensitätsverteilung aufweisen, wie sie in der konfokalen Mikroskopie üblich ist, also zumindest näherungsweise einer Airyfunktion oder einer Gaußfunktion entsprechen, wobei deren zentrales Maximum mit dem Minimum des Emissionsunterdrückungslichts zusammenfallen kann. Sie kann auch einer Tophat-Funktion entsprechen. Auch eine konstante Anregung im Weitfeld ist möglich. In this application, STED-MINFLUX methods are understood to mean methods corresponding to the MINFLUX methods as defined above, with the difference that instead of the intensity distribution of excitation light, an intensity distribution of emission suppression light occurs, which overlaps with excitation light. The fact that the intensity distribution of emission suppression light overlaps with excitation light means that the sample in the region of the intensity minimum and the adjacent sections of the intensity increase regions of the emission suppression light, within which an emitter is located, are exposed to excitation light in such a way that an emission of the emitter is excited or would be excited in the absence of emission suppression light, so that the emission suppression light, according to its intensity distribution, affects the excited emission or the excitation of the emission in such a way that a measured emission of an emitter located within the intensity distribution of the emission suppression light decreases with increasing distance from the intensity minimum. If the emission suppression light is STED light and the emitter is a fluorescence emitter, this means that the spontaneous emission of the fluorescence emitter decreases with increasing distance from the intensity minimum of the STED light. The stimulated emission of the emitter, which has the same wavelength as the STED light, does not contribute to the measured emission, as is usual in STED microscopy; it is blocked, for example, by a filter. The fact that the intensity distribution of emission suppression light overlaps with excitation light does not mean that the excitation light and the emission suppression light are introduced into the sample at strictly the same time. For example, as is usual in STED microscopy, it is possible to apply a short pulse of excitation light, which is immediately followed by a pulse of STED light as emission suppression light. The excitation light with which the intensity distribution of emission suppression light overlaps can, for example, have an intensity distribution as is usual in confocal microscopy, i.e. correspond at least approximately to an Airy function or a Gaussian function, whereby the central maximum of these can coincide with the minimum of the emission suppression light. It can also correspond to a Tophat function. Constant excitation in the wide field is also possible.
Der Begriff STED-MINFLUX wird in einem verallgemeinerten Sinn verwendet, er soll keinesfalls so verstanden werden, dass das Emissionsunterdrückungslicht STED-Licht sein muss. The term STED-MINFLUX is used in a generalized sense and should not be understood to mean that the emission suppression light must be STED light.
Bei der MINFLUX-Mikroskopie und STED-MINFLUX-Mikroskopie wird die Probe mit fokussiertem Beleuchtungslicht beleuchtet, wobei das Beleuchtungslicht um einen geometrischen Fokus in der Probe herum eine Intensitätsverteilung mit einem zentralen Intensitätsminimum, insbesondere einer Intensitätsnullstelle, ausbildet. Die Lage eines einzelnen Emitters relativ zu dem zentralen Minimum bestimmt dann die Intensität bzw. die Photonenemissionsrate der Lichtemissionen des Emitters, welche zur Positionsbestimmung genutzt werden. Intensitätsverteilungen mit einem zentralen Minimum können insbesondere durch Phasenmodulation des Beleuchtungslichts durch einen Phasenfilter oder einen räumlichen Lichtmodulator (spatial light modulator, SLM) im Beleuchtungsstrahlengang, Fokussierung des Beleuchtungslichts mittels einer Objektivlinse und ggf. zusätzlich Zirkularpolarisation des Beleuchtungslichts erzeugt werden. Die Intensitätsverteilung entsteht dann am geometrischen Fokus durch Interferenz. In MINFLUX microscopy and STED-MINFLUX microscopy, the sample is illuminated with focused illumination light, whereby the illumination light forms an intensity distribution with a central intensity minimum, in particular an intensity zero, around a geometric focus in the sample. The position of an individual emitter relative to the central minimum then determines the intensity or the photon emission rate of the emitter's light emissions, which are used to determine the position. Intensity distributions with a central minimum can be achieved in particular by phase modulation of the illumination light by a phase filter or a spatial light modulator (SLM) in the illumination beam path, focusing the illumination light using an objective lens and If necessary, additional circular polarization of the illumination light can be generated. The intensity distribution is then created at the geometric focus by interference.
Wenn in der vorliegenden Anmeldung davon die Rede ist, dass die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts an Abtastpositionen verlagert wird, so ist damit gemeint, dass die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts relativ zu der Probe so verlagert wird, dass der Fokuspunkt, in dem das zentrale Minimum ausgebildet ist, jeweils an einer Abtastposition angeordnet ist. When the present application refers to the intensity distribution of the illumination light being shifted at scanning positions, this means that the intensity distribution of the illumination light is shifted relative to the sample such that the focal point at which the central minimum is formed is arranged at a respective scanning position.
Unter einer donutförmigen Intensitätsverteilung wird in dieser Anmeldung eine spezielle Form einer Intensitätsverteilung mit einem zentralen Minimum verstanden, die ein Minimum aufweist, das in allen Raumrichtungen innerhalb einer gegebenen Ebene von Intensitätsanstiegsbereichen umgeben ist. In this application, a donut-shaped intensity distribution is understood to mean a special form of an intensity distribution with a central minimum, which has a minimum that is surrounded by intensity increase regions in all spatial directions within a given plane.
Erstreckt sich dieses Minimum entlang einer Achse senkrecht zu dieser Ebene, wird dieses Minimum in dieser Anmeldung als 2D-Minimum bezeichnet. Ein 2D-Minimum kann beispielsweise mittels einer Vortex-Phasenplatte im Strahlengang erhalten werden, wobei sich das Minimum dann beispielsweise entlang der optischen Achse eines Objektivs erstrecken kann. If this minimum extends along an axis perpendicular to this plane, this minimum is referred to in this application as a 2D minimum. A 2D minimum can be obtained, for example, by means of a vortex phase plate in the beam path, whereby the minimum can then extend, for example, along the optical axis of an objective.
Unter einem 3D-Minimum wird in dieser Anmeldung ein Minimum verstanden, das in allen Raumrichtungen von Intensitätsanstiegsbereichen umgeben ist. Ein 3D-Minimum kann beispielsweise durch Überlagerung zweier Lichtstrahlen, wobei jeweils in einer Pupille die Wellenfront des einen der beiden mittels einer sogenannten annular phase plate und die des anderen mittels einer Vortex-Phasenplatte in der Phase moduliert wird, erhalten werden. Auch ein 3D-Minimum kann in einer gegebenen Ebene eine donutförmige Intensitätsverteilung aufweisen. In this application, a 3D minimum is understood to mean a minimum that is surrounded by areas of increasing intensity in all spatial directions. A 3D minimum can be obtained, for example, by superimposing two light beams, whereby in each pupil the wave front of one of the two is phase modulated by means of a so-called annular phase plate and that of the other is phase modulated by means of a vortex phase plate. A 3D minimum can also have a donut-shaped intensity distribution in a given plane.
Der Begriff Lokalisierung beschreibt in dieser Anmeldung ein Verfahren, bei dem eine Position eines einzelnen Emitters in einer Probe ermittelt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen lichtmikroskopischen Verfahren muss hierbei insbesondere keine optische Abbildung der Probe erfolgen. Vielmehr werden bei dem erfindungsgemäßen MINFLUX-Lokalisierungsverfahren Lichtemissionen des Emitters für verschiedene Positionen der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts detektiert und aus diesen wird die Position des Emitters bestimmt, beispielsweise mit einem Positionsschätzer berechnet. Dieser Vorgang kann nacheinander für mehrere einzelne Emitter durchgeführt werden, und die bestimmten Positionen können in einer Lokalisationskarte dargestellt werden, die ein hochauflösendes lichtmikroskopisches Bild ergeben kann. Sowohl Lokalisationen, die mit einem MINFLUX-Verfahren durchgeführt werden, als auch solche, die mit einem STED-MINFLUX-Verfahren durchgeführt werden, werden im Rahmen dieser Anmeldung vereinfachend als MINFLUX-Lokalisationen bezeichnet. In this application, the term localization describes a method in which a position of an individual emitter in a sample is determined. In contrast to conventional light microscopic methods, in particular, no optical imaging of the sample is required. Rather, in the MINFLUX localization method according to the invention, light emissions from the emitter are detected for different positions of the intensity distribution of the illumination light and the position of the emitter is determined from these, for example calculated using a position estimator. This process can be carried out successively for several individual emitters, and the determined positions can be displayed in a localization map, which can produce a high-resolution light microscopic image. Both localizations that are carried out using a MINFLUX method and those that are carried out using a STED-MINFLUX method are referred to as MINFLUX localizations for the purposes of this application.
Unter dem Verfolgen (auch als Tracking bezeichnet) eines Emitters wird das Bestimmen einer Trajektorie eines Emitters, der sich in der Probe bewegt, insbesondere durch ein zeitlich aufeinanderfolgendes mehrfaches Lokalisieren verstanden. Tracking an emitter means determining the trajectory of an emitter moving in the sample, in particular by repeatedly localizing it in time.
Ein Strahlscanner ist im Kontext der vorliegenden Spezifikation eine Vorrichtung, die einen Lichtstrahl variabel ablenkt oder verlagert. Eine Verlagerung eines Lichtstrahls kann dabei beispielsweise mittels eines aus mehreren einzelnen Strahlscannern, die den Lichtstrahl jeweils variabel ablenken, zusammengesetzten Strahlscanners erreicht werden. Ein Strahlscanner kann insbesondere dazu ausgebildet sein, einen Strahl des Beleuchtungslichts, das heißt einen Beleuchtungslichtstrahl, mittels einer optischen Komponente oder mittels mehrerer optischer Komponenten zu verlagern, sodass der Fokus des Beleuchtungslichts auf oder in der Probe in mindestens einer Raumrichtung verschoben wird. Die Verschiebung des Fokus kann dabei insbesondere in zwei Raumrichtungen, weiter insbesondere in einer Fokusebene, die senkrecht zu einer optischen Achse eines Objektivs liegt, erfolgen. Die Raumrichtungen können in verschiedensten Koordinatensystemen definiert sein, z.B. in kartesischen Koordinaten (z.B. x- und y-Richtung), in Polarkoordinaten oder in Kugelkoordinaten (z.B. radiale und azimutale Richtung). Der Strahlscanner kann z.B. mechanische Scanner, insbesondere auf je mit einem Galvomotor verbundenen Kippspiegeln basierende Scanner, elektrooptische Deflektoren oder akustooptische Deflektoren umfassen. In the context of the present specification, a beam scanner is a device that variably deflects or shifts a light beam. A shift in a light beam can be achieved, for example, by means of a beam scanner composed of several individual beam scanners, each of which variably deflects the light beam. A beam scanner can in particular be designed to shift a beam of the illumination light, i.e. an illumination light beam, by means of an optical component or by means of several optical components, so that the focus of the illumination light on or in the sample is shifted in at least one spatial direction. The focus can be shifted in particular in two spatial directions, further in particular in a focal plane that is perpendicular to an optical axis of an objective. The spatial directions can be defined in a wide variety of coordinate systems, e.g. in Cartesian coordinates (e.g. x and y directions), in polar coordinates or in spherical coordinates (e.g. radial and azimuthal directions). The beam scanner can comprise, for example, mechanical scanners, in particular scanners based on tilting mirrors each connected to a galvo motor, electro-optical deflectors or acousto-optical deflectors.
Unter einem Galvoscanner wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Modul mit einem Galvoantrieb und einem mit diesem verbundenen und durch den Galvoantrieb bewegbaren Kippspiegel verstanden. Der Antrieb kann dabei derart ausgebildet sein, dass Winkelstellungen des Kippspiegels einstellbar sind, oder derart, dass der Kippspiegel eine periodische Drehbewegung ausführt. Der Begriff Galvoscanner umfasst im Rahmen dieser Anmeldung also resonante Galvoscanner und Galvoscanner, bei denen Winkelstellungen des Kippspiegels einstellbar sind; diese werden im Rahmen dieser Anmeldung als einstellbare Galvoscanner bezeichnet. Der Kippspiegel kann plan oder gewölbt sein, beispielsweise konkav gewölbt. Ein Galvoscanner kann zusätzlich andere Elemente als Galvomotor und Kippspiegel aufweisen. In the context of this application, a galvo scanner is understood to mean a module with a galvo drive and a tilting mirror connected to it and movable by the galvo drive. The drive can be designed in such a way that the angular positions of the tilting mirror can be adjusted, or in such a way that the tilting mirror performs a periodic rotary movement. In the context of this application, the term galvo scanner therefore includes resonant galvo scanners and galvo scanners in which the angular positions of the tilting mirror can be adjusted; these are referred to as adjustable galvo scanners in the context of this application. The tilting mirror can be flat or curved, for example concavely curved. A galvo scanner can also have elements other than a galvo motor and tilting mirror.
Unter einem Galvoscanner-System wird im Rahmen dieser Anmeldung eine Scaneinheit, die einen oder mehrere Galvoscanner aufweist, die als Ganzes eingerichtet ist, einen Lichtstrahl in einer oder mehreren Raumrichtungen zu verlagern und/oder abzulenken. Entsprechend ist im Rahmen dieser Anmeldung ein MEMS-Scanner-System eine Scaneinheit, die einen oder mehrere MEMS-Scanner aufweist, und ein Piezo-Scanner-System eine Scaneinheit, die einen oder mehrere Piezo-Scanner aufweist, die jeweils als Ganzes eingerichtet ist, einen Lichtstrahl in einer oder mehreren Raumrichtungen zu verlagern und/oder abzulenken. In the context of this application, a galvoscanner system is defined as a scanning unit that has one or more galvoscanners, which as a whole is designed to shift and/or deflect a light beam in one or more spatial directions. Accordingly, in In the context of this application, a MEMS scanner system is a scanning unit having one or more MEMS scanners, and a piezo scanner system is a scanning unit having one or more piezo scanners, each of which is configured as a whole to shift and/or deflect a light beam in one or more spatial directions.
Ein mechanischer Scanner ist im Kontext der vorliegenden Anmeldung ein Scanner, der ein Beleuchtungslicht variabel ablenkt oder verlagert, wobei das Variieren der Ablenkung oder der Verlagerung erfolgt, indem mindestens eine optische Komponente, z.B. ein Spiegel, bewegt wird. Die Bewegung kann insbesondere eine Drehung, insbesondere eine Verkippung, um eine oder mehrere Drehachsen sein. Demnach ist sowohl ein Galvoscanner oder ein Galvoscanner-System als auch ein mikro-elektromechanisch aktuierter Scanner, das heißt ein MEMS-Scanner, ein mechanischer Scanner im Sinne dieser Anmeldung. Ebenso ist ein auf rotierbaren Risley- Prismen basierender Scanner ein mechanischer Scanner im Sinne dieser Anmeldung. In the context of the present application, a mechanical scanner is a scanner that variably deflects or shifts an illumination light, wherein the variation of the deflection or shift occurs by moving at least one optical component, e.g. a mirror. The movement can in particular be a rotation, in particular a tilt, about one or more axes of rotation. Accordingly, both a galvo scanner or a galvo scanner system and a micro-electromechanically actuated scanner, i.e. a MEMS scanner, are mechanical scanners within the meaning of this application. Likewise, a scanner based on rotatable Risley prisms is a mechanical scanner within the meaning of this application.
Als Ablenkeinrichtung wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung die Gesamtheit aller Strahlscanner in dem Strahlengang des Beleuchtungslichts bezeichnet. In the context of the present application, the deflection device refers to the totality of all beam scanners in the beam path of the illumination light.
Beschreibung der Erfindung Description of the Invention
Das erfindungsgemäße Mikroskop ist ausgebildet, ein MINFLUX-Verfahren und/oder ein STED- MINFLUX-Verfahren durchzuführen. Bei dem erfindungsgemäßen MINFLUX-Verfahren und/oder dem erfindungsgemäßen STED-MINFLUX-Verfahren wird die Position eines einzelnen Emitters in einer Probe bestimmt und/oder es wird ein Emitter verfolgt. The microscope according to the invention is designed to carry out a MINFLUX method and/or a STED-MINFLUX method. In the MINFLUX method according to the invention and/or the STED-MINFLUX method according to the invention, the position of an individual emitter in a sample is determined and/or an emitter is tracked.
Das erfindungsgemäße Mikroskop zur Durchführung eines MINFLUX-Verfahrens und/oder eines STED-MINFLUX-Verfahrens weist hierfür eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Beleuchtungslichts auf. Weiter weist es optische Elemente auf, die einen Beleuchtungslicht-Strahlengang ausbilden, durch den das Beleuchtungslicht als Beleuchtungslichtstrahl von der Lichtquelle in einen Probenbereich geführt wird. In dem Beleuchtungslicht-Strahlengang weist es optische Mittel auf zur Fokussierung des Beleuchtungslichts in einen Fokusbereich in einer Probe in dem Probenbereich derart, dass in dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts an ein Intensitätsminimum des Beleuchtungslichts in einem Fokuspunkt in mindestens einer Richtung beiderseits Intensitätsanstiegsbereiche angrenzen. Weiter weist es in dem Strahlengang des Beleuchtungslichts eine Ablenkeinrichtung auf, die einen ersten Strahlscanner umfasst. Die Ablenkeinrichtung ist ausgebildet, den Fokuspunkt in der Probe an mehrere Positionen in der Probe zu positionieren. Das Mikroskop weist eine Detektionseinrichtung zur Erfassung von Emissionen aus dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts auf. Von aus dem Stand der Technik bekannten Mikroskopen zur Durchführung von MINFLUX-Verfahren oder STED-MINFLUX- Verfahren unterscheidet sich das erfindungsgemäße Mikroskop durch eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Lage und/oder einer Richtung eines Referenzlichtstrahls, der von dem ersten Strahlscanner abgelenkt und/oder verlagert ist, wobei die Messeinrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahls an einem Signalausgang ein Signal auszugeben, das indikativ ist für eine Position des Fokuspunktes in der Probe. The microscope according to the invention for carrying out a MINFLUX method and/or a STED-MINFLUX method has a light source for generating an illumination light. It also has optical elements that form an illumination light beam path through which the illumination light is guided as an illumination light beam from the light source into a sample area. In the illumination light beam path, it has optical means for focusing the illumination light into a focus area in a sample in the sample area such that in the focus area of the illumination light, an intensity minimum of the illumination light in a focus point is bordered on both sides by intensity increase areas in at least one direction. It also has a deflection device in the beam path of the illumination light, which comprises a first beam scanner. The deflection device is designed to position the focus point in the sample at several positions in the sample. The microscope has a detection device for detecting emissions from the focus area of the illumination light. From state-of-the-art microscopes for performing MINFLUX methods or STED-MINFLUX The microscope according to the invention differs from the method by a measuring device for detecting a position and/or a direction of a reference light beam which is deflected and/or displaced by the first beam scanner, wherein the measuring device is designed to output a signal at a signal output as a function of the position and/or the direction of the reference light beam, which signal is indicative of a position of the focal point in the sample.
Die optischen Mittel zur Fokussierung des Beleuchtungslichts in einen Fokusbereich in einer Probe können insbesondere ein Objektiv umfassen. The optical means for focusing the illumination light into a focus area in a sample may in particular comprise an objective lens.
Dass in dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts an ein Intensitätsminimum des Beleuchtungslichts in einem Fokuspunkt in mindestens einer Richtung beiderseits Intensitätsanstiegsbereiche angrenzen, umfasst insbesondere die Fälle, dass im Fokusbereich in der Probe ein 2D-Minimum ausgebildet ist, dass ein 3D-Minimum ausgebildet ist und dass in einer Ebene, die die optische Achse und somit den Fokuspunkt enthält, ein blattförmiges Intensitätsminimum, idealerweise eine Nullstelle, mit angrenzenden Intensitätsanstiegsbereichen ausgebildet ist. Die optischen Mittel zur Fokussierung des Beleuchtungslichts in einen Fokusbereich in einer Probe umfassen hierzu ein oder mehrere Elemente, das bewirkt oder die bewirken, dass in dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts an ein Intensitätsminimum des Beleuchtungslichts in einem Fokuspunkt in mindestens einer Richtung beiderseits Intensitätsanstiegsbereiche angrenzen. Beispielsweise kann ein solches Element eine Vortex-Phasenplatte umfassen, um ein 2D-Minimum auszubilden, oder eine Ring-Phasenplatte (annular phase plate) umfassen, um ein 3D-Minimum auszubilden, oder eine Phasenplatte mit einem Phasensprung von 180° entlang eines Durchmessers, um ein 1 D-Minimum auszubilden. Entsprechende die Phase beeinflussende Elemente können auch als einstellbare räumliche Lichtmodulatoren realisiert werden. Auch beispielsweise einstellbare Amplitudenmodulatoren können für die Erzeugung entsprechender Intensitätsverteilungen im Fokusbereich genutzt werden. The fact that in the focus area of the illumination light, intensity increase areas border on both sides of an intensity minimum of the illumination light in a focus point in at least one direction includes in particular the cases in which a 2D minimum is formed in the focus area in the sample, that a 3D minimum is formed and that in a plane that contains the optical axis and thus the focus point, a leaf-shaped intensity minimum, ideally a zero point, with adjacent intensity increase areas is formed. The optical means for focusing the illumination light in a focus area in a sample comprise one or more elements that cause or cause intensity increase areas to border on both sides of an intensity minimum of the illumination light in a focus point in at least one direction in the focus area of the illumination light. For example, such an element can comprise a vortex phase plate to form a 2D minimum, or an annular phase plate to form a 3D minimum, or a phase plate with a phase jump of 180° along a diameter to form a 1D minimum. Corresponding elements influencing the phase can also be implemented as adjustable spatial light modulators. Adjustable amplitude modulators, for example, can also be used to generate corresponding intensity distributions in the focus area.
Wie oben dargelegt, weist das erfindungsgemäße Mikroskop in dem Strahlengang des Beleuchtungslichts eine Ablenkeinrichtung auf, die einen ersten Strahlscanner aufweist. Dieser erste Strahlscanner ist ausgebildet, den Fokuspunkt in der Probe zu positionieren. Der erste Strahlscanner kann mehrere einzelne Strahlscanner, das heißt mehrere einzelne Ablenkeinheiten oder Verlagerungseinheiten, zum Beispiel ein Galvoscanner-System gemäß weiter oberhalb angegebener Definition, aufweisen. Der erste Strahlscanner kann auch der einzige Strahlscanner sein, den die Ablenkeinrichtung des Mikroskops aufweist. Die Bezeichnung „der erste Strahlscanner“ dient der einfacheren Unterscheidung in Fällen, in denen die Ablenkeinrichtung des Mikroskops mehrere Strahlscanner aufweist. Dass der erste Strahlscanner ausgebildet ist, den Fokuspunkt in der Probe zu positionieren, bedeutet nicht, dass die Positionierung des Fokuspunktes in der Probe ausschließlich mittels des ersten Strahlscanners erfolgt, sondern es bedeutet, dass die jeweils aktuelle Position des Fokuspunktes in der Probe durch die jeweils aktuelle Einstellung des ersten Strahlscanners zumindest mitbestimmt wird. Dass der Fokuspunkt durch den ersten Strahlscanner in der Probe positioniert wird, umfasst auch, dass sich die jeweils aktuelle Einstellung des ersten Strahlscanners zufällig ändert, sodass sich die jeweils aktuelle Position des Fokuspunktes in der Probe entsprechend der zufälligen Änderung der Einstellung des ersten Strahlscanners ändert. As explained above, the microscope according to the invention has a deflection device in the beam path of the illumination light, which has a first beam scanner. This first beam scanner is designed to position the focus point in the sample. The first beam scanner can have several individual beam scanners, i.e. several individual deflection units or displacement units, for example a galvo scanner system according to the definition given above. The first beam scanner can also be the only beam scanner that the deflection device of the microscope has. The term "the first beam scanner" serves to make it easier to distinguish in cases in which the deflection device of the microscope has several beam scanners. The fact that the first beam scanner is designed Positioning the focus point in the sample does not mean that the positioning of the focus point in the sample is carried out exclusively by means of the first beam scanner, but it means that the current position of the focus point in the sample is at least partly determined by the current setting of the first beam scanner. The fact that the focus point is positioned in the sample by the first beam scanner also means that the current setting of the first beam scanner changes randomly, so that the current position of the focus point in the sample changes according to the random change in the setting of the first beam scanner.
Der erste Strahlscanner kann einen mechanischen Scanner aufweisen oder vollständig als mechanischer Scanner ausgebildet sein. Der mechanische Scanner des ersten Strahlscanners kann insbesondere eine Ablenkeinheit mit mindestens einem zusammenhängenden, das gesamte Beleuchtungslicht ablenkenden Spiegel aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann dieser mechanische Scanner ein oder mehrere bewegbare, insbesondere rotierbare Elemente, die vom Beleuchtungslicht durchstrahlt werden, aufweisen wie beispielsweise ein Prisma oder mehrere Prismen. Derartige auf Prismen basierende mechanische Scanner sind beispielsweise bekannt aus der Publikation „Laser scanners with rotational Risley prisms: Exact scan patterns“ (Duma, Virgil-Florin und Schitea, Alexandru; Proceedings of the Romanian Academy - Series A; Volume 19, Number 1/2018, pp. 53-60). Der mechanische Scanner des ersten Strahlscanners kann beispielsweise MEMS-Scanner (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems), Piezo- Scanner oder Galvoscanner enthalten oder als MEMS-Scanner-System, Piezo-Scanner-System oder Galvoscanner-System ausgebildet sein. Piezo-Scanner und MEMS-Scanner können so ausgebildet sein, dass ein Spiegel um zwei zueinander orthogonale Achsen verkippt werden kann. Der erste Strahlscanner kann insbesondere resonante mechanische Scanner mit mindestens einem zusammenhängenden, das gesamte Beleuchtungslicht ablenkenden Spiegel, beispielsweise resonante oder einstellbare Galvoscanner oder resonante oder einstellbare MEMS-Scanner, aufweisen oder aus solchen ausgebildet sein. Unter einstellbaren Scannern werden im Rahmen dieser Anmeldung solche Scanner verstanden, die eine gezielte Adressierung von Fokuspositionen ermöglichen, das heißt, bei denen die Verlagerung und/oder Ablenkung, die sie bewirken, direkt einstellbar ist. The first beam scanner can have a mechanical scanner or be designed entirely as a mechanical scanner. The mechanical scanner of the first beam scanner can in particular have a deflection unit with at least one connected mirror that deflects all of the illumination light. Alternatively or additionally, this mechanical scanner can have one or more movable, in particular rotatable elements through which the illumination light shines, such as a prism or several prisms. Such prism-based mechanical scanners are known, for example, from the publication “Laser scanners with rotational Risley prisms: Exact scan patterns” (Duma, Virgil-Florin and Schitea, Alexandru; Proceedings of the Romanian Academy - Series A; Volume 19, Number 1/2018, pp. 53-60). The mechanical scanner of the first beam scanner can, for example, contain MEMS scanners (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems), piezo scanners or galvo scanners or can be designed as a MEMS scanner system, piezo scanner system or galvo scanner system. Piezo scanners and MEMS scanners can be designed such that a mirror can be tilted about two mutually orthogonal axes. The first beam scanner can in particular have or be designed from resonant mechanical scanners with at least one connected mirror that deflects all of the illumination light, for example resonant or adjustable galvo scanners or resonant or adjustable MEMS scanners. In the context of this application, adjustable scanners are understood to mean scanners that enable targeted addressing of focus positions, i.e. in which the displacement and/or deflection they cause can be directly adjusted.
Der erste Strahlscanner kann elektrooptische Deflektoren (EOD) oder akustooptische Deflektoren (AOD) umfassen oder vollständig aus EOD oder AOD oder aus EOD und AOD ausgebildet sein. In bevorzugten Ausführungsformen ist der erste Strahlscanner aus mechanischen Scannern, insbesondere aus einstellbaren Galvoscannern, Piezo-Scannern und/oder MEMS-Scannern, und nicht-mechanischen Scannern, insbesondere AOD oder EOD, ausgebildet. Um ein MINFLUX- oder STED-MINFLUX-Verfahren unter Nutzung eines Objektivs, durch das das Beleuchtungslicht in die Probe geleitet wird, durchführen zu können, ist es wichtig, dass der Beleuchtungslichtstrahl durch die Ablenkeinrichtung, das heißt durch den ersten Strahlscanner oder durch den ersten Strahlscanner und weitere Strahlscanner, im Beleuchtungslichtstrahl in der Pupille des Objektivs nur verkippt und dabei nicht oder jedenfalls möglichst wenig verlagert wird, da eine Verlagerung des Beleuchtungslichtstrahls die Form der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts im Fokusbereich verändern würde und sich damit mittelbar auch die Lage des Fokuspunktes, das heißt des lokalen Minimums der Intensitätsverteilung, ändern könnte. Strahlscanner, die den Beleuchtungslichtstrahl in einer Weise ablenken, sodass die oben genannte Bedingung erfüllt ist, können beispielsweise einen um zwei Achsen kippbaren Spiegel, der in einer Pupille, das heißt in einer Ebene, in die die Pupille des Objektivs abgebildet wird, aufweisen, oder aber sie können zwei jeweils um eine Achse kippbare Spiegel, die jeweils in einer Pupille platziert sind, aufweisen. In einer im erfindungsgemäßen Mikroskop bevorzugten Anordnung weist der erste Strahlscanner zwei separate kippbare Spiegel für eine Verlagerung des Fokuspunktes in der Probe in einer Richtung auf, weiter bevorzugt weist er für jede von zwei zueinander orthogonalen Verlagerungsrichtungen jeweils zwei kippbare Spiegel auf. Die letztgenannte Anordnung ist aus dem Stand der Technik (siehe z.B. WO 2021/122407 A1) als Scanner in Quad-Konfiguration oder auch als Quad-Scanner bekannt. Auf Galvoscannern basierende mechanische Scanner sind bevorzugt, wenn große Bildfelder adressiert werden sollen, zum Beispiel, um ein konfokales Übersichtsbild aufnehmen zu können oder um den Fokuspunkt des Beleuchtungslichts in verschiedene Bereiche innerhalb des größeren Bildfelds verlagern zu können, unter anderem da sie im Vergleich zu anderen Scannertypen auf Grund ihrer Eigenschaften wie ihrem nutzbaren Strahldurchmesser und ihrem maximalen Ablenkwinkel typischerweise einen größeren nutzbaren Scanbereich ermöglichen. Eine andere bevorzugte Ausführungsform mit zwei separaten kippbaren Spiegeln für eine Verlagerung des Fokuspunktes in der Probe in einer Richtung weist zwei MEMS-Scanner auf, wobei die Spiegel der MEMS- Scanner jeweils um zwei zueinander orthogonale Achsen kippbar sind. Gegenüber einem Quad- Scanner kommt diese Ausführungsform mit weniger reflektierenden Flächen aus. The first beam scanner can comprise electro-optical deflectors (EOD) or acousto-optical deflectors (AOD) or can be formed entirely from EOD or AOD or from EOD and AOD. In preferred embodiments, the first beam scanner is formed from mechanical scanners, in particular from adjustable galvo scanners, piezo scanners and/or MEMS scanners, and non-mechanical scanners, in particular AOD or EOD. In order to be able to carry out a MINFLUX or STED-MINFLUX method using an objective through which the illumination light is guided into the sample, it is important that the illumination light beam is only tilted by the deflection device, i.e. by the first beam scanner or by the first beam scanner and further beam scanners, in the illumination light beam in the pupil of the objective and is not displaced or at least displaced as little as possible, since a displacement of the illumination light beam would change the shape of the intensity distribution of the illumination light in the focus area and thus indirectly also the position of the focus point, i.e. the local minimum of the intensity distribution. Beam scanners that deflect the illumination light beam in such a way that the above-mentioned condition is met can, for example, have a mirror that can be tilted about two axes and is located in a pupil, i.e. in a plane in which the pupil of the objective is imaged, or they can have two mirrors that can each be tilted about one axis and are each placed in a pupil. In a preferred arrangement in the microscope according to the invention, the first beam scanner has two separate tiltable mirrors for shifting the focus point in the sample in one direction; more preferably, it has two tiltable mirrors for each of two mutually orthogonal shift directions. The latter arrangement is known from the prior art (see, for example, WO 2021/122407 A1) as a scanner in quad configuration or also as a quad scanner. Mechanical scanners based on galvo scanners are preferred when large image fields are to be addressed, for example in order to be able to record a confocal overview image or to be able to shift the focal point of the illumination light to different areas within the larger image field, among other things because they typically enable a larger usable scanning area compared to other scanner types due to their properties such as their usable beam diameter and their maximum deflection angle. Another preferred embodiment with two separate tiltable mirrors for shifting the focal point in the sample in one direction has two MEMS scanners, whereby the mirrors of the MEMS scanners can each be tilted about two mutually orthogonal axes. Compared to a quad scanner, this embodiment requires fewer reflective surfaces.
Die Ablenkeinrichtung des Mikroskops kann in bevorzugten Ausführungsformen neben dem ersten Strahlscanner weitere Strahlscanner aufweisen. Dabei können alle Strahlscanner, der erste Strahlscanner und die weiteren Strahlscanner, als mechanische Scanner ausgebildet sein. In bevorzugten Ausführungsformen kann das Mikroskop einen weiteren Strahlscanner, im Strahlengang des Beleuchtungslichts aufweisen, der bevorzugt ausgebildet und eingerichtet ist, um in Verbindung mit der Ablenkung oder der Verlagerung durch den ersten Strahlscanner den Fokuspunkt des Beleuchtungslichts in der Probe zu verlagern. Dabei ist es sowohl möglich, dass verschiedene Abtastpositionen adressiert oder verschiedene Abtastbahnen abgetastet werden, indem gesteuerte Ablenkungen durch den ersten Strahlscanner und gesteuerte Ablenkungen durch den weiteren Strahlscanner kombiniert werden, als auch dass verschiedene Abtastpositionen adressiert oder verschiedene Abtastbahnen abgetastet werden, indem nur gesteuerte Ablenkungen durch den weiteren Strahlscanner erfolgen, während der erste Strahlscanner derart angesteuert wird, dass er, soweit erreichbar, in einer statischen Stellung ist, das heißt im Falle eines mechanischen Scanners, dass er, soweit erreichbar, in einer Ruhestellung ist oder dass er derart angesteuert wird, dass er gezielt sehr kleine Einstellungsänderungen, im Falle eines mechanischen Scanners sehr kleine Bewegungen, ausführt, die im Falle einer sich nicht verändernden Einstellung des weiteren Strahlscanners eine Verlagerung des Fokuspunkts des Beleuchtungslichts in der Probe um eine feste Lage herum bewirken würden. Eine derartige Ansteuerung sehr kleiner Bewegungen kann den Vorteil aufweisen, dass Unregelmäßigkeiten einer Verlagerung des Fokuspunktes in der Probe verringert werden gegenüber Unregelmäßigkeiten, die auftreten, wenn eine statische Einstellung des ersten Strahlscanners angestrebt wird. Dies gilt insbesondere, wenn der erste Strahlscanner einstellbare Galvoscanner und/oder einstellbare MEMS-Scanner umfasst. In preferred embodiments, the deflection device of the microscope can have further beam scanners in addition to the first beam scanner. All beam scanners, the first beam scanner and the further beam scanners, can be designed as mechanical scanners. In preferred embodiments, the microscope can have a further beam scanner in the beam path of the illumination light, which is preferably designed and configured to shift the focal point of the illumination light in the sample in conjunction with the deflection or shifting by the first beam scanner. It is possible that different scanning positions are addressed or different scanning paths are scanned by combining controlled deflections by the first beam scanner and controlled deflections by the further beam scanner, and also that different scanning positions are addressed or different scanning paths are scanned by only controlled deflections by the further beam scanner, while the first beam scanner is controlled in such a way that it is, as far as achievable, in a static position, that is, in the case of a mechanical scanner, that it is, as far as achievable, in a rest position, or that it is controlled in such a way that it specifically carries out very small setting changes, in the case of a mechanical scanner, very small movements, which, in the case of an unchanged setting of the further beam scanner, would cause a shift of the focal point of the illumination light in the sample around a fixed position. Such control of very small movements can have the advantage of reducing irregularities of a shift of the focus point in the sample compared to irregularities that occur when a static adjustment of the first beam scanner is sought. This is especially true if the first beam scanner comprises adjustable galvo scanners and/or adjustable MEMS scanners.
Bevorzugt ist die Ablenkeinrichtung ausgebildet, dass der Fokuspunkt schnell innerhalb eines Nahbereichs mit Ausdehnungen, die etwa der Ausdehnung eines beugungsbegrenzten Beleuchtungsflecks entsprechen, verlagert werden kann. Dass der Fokuspunkt schnell verlagert werden kann, umfasst auch Fälle, in denen die schnelle Verlagerung des Fokuspunkts in der Probe durch schnelle unregelmäßige oder unregelmäßig erscheinende Zustandsänderungen der Ablenkeinrichtung, beispielsweise des ersten Strahlscanners, induziert wird. Weiter ist die Ablenkeinrichtung bevorzugt ausgebildet, den Fokuspunkt des Beleuchtungslichts in der Probe über größere Distanzen zu verlagern, beispielsweise über 10 pm oder 20 pm oder 100 pm oder 500 pm. In bevorzugten Ausführungsformen weist die Ablenkeinheit daher mehrere Strahlscanner auf, wobei einer der Strahlscanner, bevorzugt der weitere Strahlscanner, eingerichtet ist, den Fokuspunkt des Beleuchtungslichts schnell zu verlagern, sodass beispielsweise eine Menge von Abtastpositionen für eine MINFLUX-Lokalisation in weniger als 1 ms adressiert oder überstrichen werden kann, und ein anderer der Strahlscanner, bevorzugt der erste Strahlscanner, eingerichtet ist, den Fokuspunkt des Beleuchtungslichts in der Probe über größere Distanzen zu verlagern, beispielsweise über 10 pm oder 20 pm oder 100 pm oder 500 pm. The deflection device is preferably designed such that the focal point can be quickly displaced within a close range with dimensions that correspond approximately to the extent of a diffraction-limited illumination spot. The fact that the focal point can be quickly displaced also includes cases in which the rapid displacement of the focal point in the sample is induced by rapid irregular or irregular-seeming changes in the state of the deflection device, for example the first beam scanner. Furthermore, the deflection device is preferably designed to displace the focal point of the illumination light in the sample over larger distances, for example over 10 pm or 20 pm or 100 pm or 500 pm. In preferred embodiments, the deflection unit therefore has a plurality of beam scanners, wherein one of the beam scanners, preferably the further beam scanner, is configured to quickly shift the focal point of the illumination light so that, for example, a set of scanning positions for a MINFLUX localization can be addressed or covered in less than 1 ms, and another of the beam scanners, preferably the first beam scanner, is configured to shift the focal point of the illumination light in the sample over larger distances, for example over 10 pm or 20 pm or 100 pm or 500 pm.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der weitere Strahlscanner, das heißt ein anderer Strahlscanner als der erste Strahlscanner, ein einstellbarer Strahlscanner. Weiter bevorzugt weist der weitere Strahlscanner eine hohe Bandbreite auf und ist ausgebildet, den Fokuspunkt des Beleuchtungslichts auf einer Menge von Abtastpositionen für eine MINFLUX-Lokalisation schnell zu verlagern. In weiter bevorzugten Ausführungsformen ist die Bandbreite des weiteren Strahlscanners größer als die Bandbreite des ersten Strahlscanners, beispielsweise zweimal so groß, fünfmal so groß, zehnmal so groß oder hundert- oder mehr als hundertmal so groß. Dementsprechend sind bevorzugt die Antwortzeiten der Ablenkeinheit, das sind die Zeitdauern, die ein Scanner benötigt, um aus einer Winkelstellung in eine andere Winkelstellung gestellt zu werden, kleiner als die des ersten Strahlscanners, beispielsweise betragen sie nur 50%, 20%, 10%, 1 % oder weniger als 1% der des erste Strahlscanners. In preferred embodiments, the further beam scanner, i.e. a different beam scanner than the first beam scanner, is an adjustable beam scanner. Further preferably, the further beam scanner has a high bandwidth and is designed to quickly adjust the focal point of the illumination light on a set of scanning positions for a MINFLUX localization. to shift. In further preferred embodiments, the bandwidth of the further beam scanner is greater than the bandwidth of the first beam scanner, for example twice as large, five times as large, ten times as large or a hundred or more than a hundred times as large. Accordingly, the response times of the deflection unit, i.e. the time periods that a scanner requires to be moved from one angular position to another angular position, are preferably smaller than those of the first beam scanner, for example they are only 50%, 20%, 10%, 1% or less than 1% of that of the first beam scanner.
Wenn die Ablenkeinrichtung einen ersten Strahlscanner und einen weiteren Strahlscanner aufweist, weist in bevorzugten Ausführungsformen der weitere Strahlscanner ein oder mehrere AOD oder EOD auf oder ist aus ein oder mehreren AOD oder EOD ausgebildet. AOD und EOD weisen den Vorteil auf, dass die Einstellung des Ablenkwinkels nicht durch die Masseträgheit begrenzt ist. Beide Arten von Deflektoren ermöglichen so eine extrem schnelle Verlagerung an beliebige Punkte innerhalb des von dem weiteren Strahlscanner adressierbaren Bereichs. Die Bandbreite eines EOD in Verbindung mit einer geeigneten Ansteuerelektronik kann beispielsweise bei 1 MHz oder bei 5 MHz oder höher liegen und ermöglicht somit eine Verlagerung des Fokuspunktes innerhalb von weniger als 1 ps. If the deflection device has a first beam scanner and a further beam scanner, in preferred embodiments the further beam scanner has one or more AODs or EODs or is formed from one or more AODs or EODs. AODs and EODs have the advantage that the adjustment of the deflection angle is not limited by the inertia. Both types of deflectors thus enable extremely fast displacement to any point within the range that can be addressed by the further beam scanner. The bandwidth of an EOD in conjunction with suitable control electronics can be, for example, 1 MHz or 5 MHz or higher and thus enables the focus point to be shifted within less than 1 ps.
Auch der weitere Strahlscanner des Mikroskops kann einen mechanischen Scanner aufweisen oder vollständig als mechanischer Scanner ausgebildet sein. Der mechanische Scanner des weiteren Strahlscanners kann insbesondere eine Ablenkeinheit mit mindestens einem zusammenhängenden, das gesamte Beleuchtungslicht ablenkenden Spiegel aufweisen. Der mechanische Scanner des weiteren Strahlscanners kann beispielsweise MEMS-Scanner, Piezo- Scanner oder Galvoscanner enthalten oder als MEMS-Scanner-System, Piezo-Scanner-System oder Galvoscanner-System ausgebildet sein. Insbesondere Piezo-Scanner und MEMS-Scanner können so ausgebildet sein, dass ein Spiegel um zwei zueinander orthogonale Achsen verkippt werden kann. The additional beam scanner of the microscope can also have a mechanical scanner or be designed entirely as a mechanical scanner. The mechanical scanner of the additional beam scanner can in particular have a deflection unit with at least one connected mirror that deflects all of the illumination light. The mechanical scanner of the additional beam scanner can, for example, contain MEMS scanners, piezo scanners or galvo scanners or can be designed as a MEMS scanner system, piezo scanner system or galvo scanner system. Piezo scanners and MEMS scanners in particular can be designed so that a mirror can be tilted about two mutually orthogonal axes.
Weist der weitere Strahlscanner des Mikroskops mechanische Scanner mit einer Ablenkeinheit mit mindestens einem zusammenhängenden, das gesamte Beleuchtungslicht ablenkenden Spiegel auf, können hierfür bevorzugt mechanische Scanner mit einer kleinen Apertur gewählt werden. Weiter bevorzugt weist das Mikroskop dann ein Objektiv auf. Der zusammenhängende, das gesamte Beleuchtungslicht ablenkende Spiegel kann bevorzugt in einer Pupille angeordnet sein. Dann kann das Mikroskop im Beleuchtungslichtstrahl nach dem weiteren Strahlscanner eine Aufweitungseinheit aufweisen, mit der der Beleuchtungslichtstrahl an die Apertur eines Objektivs angepasst wird. Ein Spiegel eines mechanischen Scanners mit kleiner Apertur kann klein sein und daher eine geringe Masse sowie folglich ein geringes Trägheitsmoment aufweisen, sodass die Bandbreite des mechanischen Scanner-Systems des weiteren Strahlscanners sehr viel größer als die Bandbreite des ersten Strahlscanners und die Antwortzeit des weiteren Strahlscanners entsprechend sehr viel kleiner als die des ersten Strahlscanners sein kann. Wenn die mechanischen Scanner des weiteren Strahlscanners resonante Scanner sind oder wenn der mechanische Scanner des weiteren Strahlscanners ein resonanter Scanner ist, weist dieser bevorzugt eine hohe Resonanzfrequenz auf oder weisen diese bevorzugt eine hohe Resonanzfrequenz auf. Derartige resonante Scanner ermöglichen systembedingt bei der gleichen nutzbaren Apertur deutlich höhere Geschwindigkeiten der Verlagerung als einstellbare Scanner, dies aber lediglich entlang bestimmter Bahnen. Beispielsweise kann mittels zweier resonanter Scanner identischer Frequenz mit nach Abbildung in die Probe zueinander senkrechten Achsen der Fokuspunkt auf Kreisbahnen verlagert werden; unterscheiden sich die Frequenzen, ergeben sich andere Bahnen, beispielsweise ergeben sich bei ganzzahligen Frequenzverhältnissen Lissajous-Bahnen. Anstelle zweier resonanter Scanner kann das Mikroskop auch einen resonanten Scanner mit zwei zueinander senkrechten Kippachsen, insbesondere einen solchen MEMS-Scanner aufweisen. If the further beam scanner of the microscope has mechanical scanners with a deflection unit with at least one continuous mirror that deflects all of the illumination light, mechanical scanners with a small aperture can preferably be selected for this purpose. The microscope then preferably has an objective. The continuous mirror that deflects all of the illumination light can preferably be arranged in a pupil. The microscope can then have an expansion unit in the illumination light beam after the further beam scanner, with which the illumination light beam is adapted to the aperture of an objective. A mirror of a mechanical scanner with a small aperture can be small and therefore have a low mass and consequently a low moment of inertia, so that the bandwidth of the mechanical scanner system of the additional beam scanner can be much larger than the bandwidth of the first beam scanner and the response time of the additional beam scanner can be much smaller than that of the first beam scanner. If the mechanical scanners of the additional beam scanner are resonant scanners or if the mechanical scanner of the additional beam scanner is a resonant scanner, it preferably has a high resonance frequency or these preferably have a high resonance frequency. Due to the nature of the system, such resonant scanners enable significantly higher displacement speeds than adjustable scanners with the same usable aperture, but only along certain paths. For example, using two resonant scanners of identical frequency with axes that are perpendicular to each other after imaging into the sample, the focus point can be shifted along circular paths; if the frequencies differ, other paths result, for example Lissajous paths result with integer frequency ratios. Instead of two resonant scanners, the microscope can also have one resonant scanner with two mutually perpendicular tilt axes, in particular such a MEMS scanner.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst der weitere Strahlscanner einen resonanten mechanischen Scanner, der insbesondere in einer Pupille platziert sein kann und der den Beleuchtungslichtstrahl in der Probe in einer ersten Richtung verlagert, und einen einstellbaren mechanischen Scanner, der den Beleuchtungslichtstrahl in der Probe in einer zu der ersten Richtung orthogonalen zweiten Richtung verlagert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Mikroskop zusätzlich eine Aufweitungseinheit wie oben beschrieben auf. Mit einer solchen Ausführungsform kann für die MINFLUX-Lokalisation besonders schnell entlang einer Bahn abgetastet werden, die einer Abtastbahn einer Rasterbildaufnahme entspricht. In a further preferred embodiment, the further beam scanner comprises a resonant mechanical scanner, which can in particular be placed in a pupil and which displaces the illumination light beam in the sample in a first direction, and an adjustable mechanical scanner which displaces the illumination light beam in the sample in a second direction orthogonal to the first direction. In a particularly preferred embodiment, the microscope additionally has an expansion unit as described above. With such an embodiment, scanning for MINFLUX localization can be carried out particularly quickly along a path that corresponds to a scanning path of a raster image recording.
In den Ausführungsformen des Mikroskops, die einen ersten Strahlscanner, einen weiteren Strahlscanner, ein Objektiv und eine Aufweitungseinheit aufweisen, sind die Apertur des weiteren Strahlscanners und die Aufweitungseinheit und die Apertur des Objektivs bevorzugt aufeinander abgestimmt, weiter bevorzugt derart aufeinander abgestimmt. In the embodiments of the microscope which have a first beam scanner, a further beam scanner, an objective and an expansion unit, the aperture of the further beam scanner and the expansion unit and the aperture of the objective are preferably coordinated with one another, more preferably coordinated with one another in such a way.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen kann der weitere Strahlscanner ein resonant betriebener EOD sein oder einen solchen umfassen. In other preferred embodiments, the further beam scanner may be or comprise a resonantly operated EOD.
Mit einem resonant betriebenen Strahlscanner kann der Fokuspunkt des Beleuchtungslichts besonders schnell verlagert werden. Weiter weist das erfindungsgemäße Mikroskop eine Detektionseinrichtung zur Erfassung von aus dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts emittiertem Licht, das heißt zur Erfassung von Emissionen aus dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts, auf. Die Detektionseinrichtung ist eingerichtet, Emissionen derart zu erfassen, dass eine Emission jeweils einer Position des Fokuspunktes in der Probe zugeordnet werden kann. Bevorzugt weist die Detektionseinrichtung hierzu einen Detektor auf, der einzelne Photonen erfassen kann, beispielsweise einen Photoelektronenvervielfacher (photomultiplier tube, PMT), eine single-photon avalanche diode (SPAD) oder ein SPAD-Array; mit einem SPAD-Array, das ein Beugungsbild eines Emitters in der Detektionsebene örtlich auflöst, kann eine Emission nicht nur einem Ort des Fokuspunktes in der Probe zugeordnet werden, sondern auch einem Ort in der Detektionsebene. With a resonantly operated beam scanner, the focal point of the illumination light can be shifted particularly quickly. The microscope according to the invention further comprises a detection device for detecting light emitted from the focus area of the illumination light, i.e. for detecting emissions from the focus area of the illumination light. The detection device is designed to detect emissions in such a way that an emission can be assigned to a position of the focus point in the sample. For this purpose, the detection device preferably comprises a detector that can detect individual photons, for example a photomultiplier tube (PMT), a single-photon avalanche diode (SPAD) or a SPAD array; with a SPAD array that spatially resolves a diffraction pattern of an emitter in the detection plane, an emission can be assigned not only to a location of the focus point in the sample, but also to a location in the detection plane.
Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Mikroskopen unterscheidet sich das erfindungsgemäße Mikroskop, wie weiter oben schon dargelegt, dadurch, dass das erfindungsgemäße Mikroskop eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Lage und/oder einer Richtung eines Referenzlichtstrahls aufweist, der von dem ersten Strahlscanner abgelenkt und/oder verlagert wird, wobei die Messeinrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Lage und/oder der Richtung an einem Signalausgang ein Signal auszugeben, das indikativ ist für eine Position des Fokuspunktes in der Probe. Der Referenzlichtstrahl kann ein Lichtstrahl sein, der aus dem von der Beleuchtungslichtquelle ausgehenden Lichtstrahl abgeteilt wurde, öder er kann von einer Referenzlichtquelle ausgehen. Dass der Referenzlichtstrahl von dem ersten Strahlscanner abgelenkt und/oder verlagert wird, bedeutet dabei, dass das Ablenken und/oder Verlagern des Referenzlichtstrahls von demselben ablenkenden Element oder von denselben ablenkenden Elementen abgelenkt und/oder verlagert wird wie der Beleuchtungslichtstrahl, wenn der Fokuspunkt des Beleuchtungslichts durch den ersten Strahlscanner in der Probe positioniert wird. Ist der erste Strahlscanner ein mechanischer Scanner mit einem zusammenhängenden, das gesamte Beleuchtungslicht ablenkenden Spiegel, bedeutet es, dass der Referenzlichtstrahl und der Beleuchtungslichtstrahl von derselben oder von denselben Spiegeloberflächen abgelenkt und/oder verlagert werden. Dass das Signal indikativ ist für eine Lage des Fokuspunktes in der Probe, bedeutet, dass aus dem Signal zumindest in Verbindung mit anderen bekannten Werten eine Lage des Fokuspunktes in der Probe bestimmt werden kann. Das Signal kann beispielsweise ein Maß für die Abweichung von einer Sollstellung eines mechanischen Scanners, die mit einer Sollposition des Fokuspunktes in der Probe korrespondiert, sein. Dann kann die Lage des Fokuspunktes in der Probe aus der bekannten Sollposition und dem Signal, dass dann eine Abweichung von der Sollposition repräsentiert, bestimmt werden, wobei die Abbildungseigenschaften des Mikroskops in dem Fachmann bekannter Weise berücksichtigt werden. Das Signal kann aber auch unmittelbar ein Maß für eine Stellung des mechanischen Scanners, die mit der Lage eines Fokuspunktes in der Probe korrespondiert, sein. Die Messeinrichtung weist bevorzugt einen Signalausgang auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Signalausgang über eine Analogleitung des schnellen, einstellbaren Scanners, insbesondere eines EOD-Scanners, der Bestandteil des ersten Strahlscanners sein kann oder der den weiteren Strahlscanner bildet, verbunden. Dann wird das Signal der Messeinrichtung, nach entsprechender Verstärkung, als analoges Regelsignal auf den schnellen Strahlscanner rückgekoppelt. As already explained above, the microscope according to the invention differs from microscopes known from the prior art in that the microscope according to the invention has a measuring device for detecting a position and/or a direction of a reference light beam that is deflected and/or displaced by the first beam scanner, wherein the measuring device is designed to output a signal at a signal output depending on the position and/or the direction, which is indicative of a position of the focal point in the sample. The reference light beam can be a light beam that was split off from the light beam emanating from the illumination light source, or it can emanate from a reference light source. The fact that the reference light beam is deflected and/or shifted by the first beam scanner means that the deflection and/or shifting of the reference light beam is deflected and/or shifted by the same deflecting element or elements as the illumination light beam when the focal point of the illumination light is positioned in the sample by the first beam scanner. If the first beam scanner is a mechanical scanner with a continuous mirror that deflects all of the illumination light, it means that the reference light beam and the illumination light beam are deflected and/or shifted by the same mirror surface or surfaces. The fact that the signal is indicative of a position of the focal point in the sample means that a position of the focal point in the sample can be determined from the signal, at least in conjunction with other known values. The signal can, for example, be a measure of the deviation from a target position of a mechanical scanner that corresponds to a target position of the focal point in the sample. Then the position of the focal point in the sample can be determined from the known target position and the signal, which then represents a deviation from the target position, whereby the imaging properties of the microscope are taken into account in a manner known to the person skilled in the art. However, the signal can also be a direct measure of a position of the mechanical Scanner, which corresponds to the position of a focal point in the sample. The measuring device preferably has a signal output. In a preferred embodiment, the signal output is connected via an analog line of the fast, adjustable scanner, in particular an EOD scanner, which can be part of the first beam scanner or which forms the additional beam scanner. Then, after appropriate amplification, the signal of the measuring device is fed back to the fast beam scanner as an analog control signal.
Die Messeinrichtung weist bevorzugt einen Detektor, der positionsempfindlich oder ortsauflösend ist, an einem Ende des Referenzlicht-Strahlengangs auf. Weiter bevorzugt ist ein Detektor der Messeinrichtung eine positionsempfindliche Diode, insbesondere eine in zwei Ortsrichtungen positionsempfindliche Diode. Positionsempfindliche Dioden weisen insbesondere den Vorteil auf, dass sie eine hohe zeitliche Auflösung besitzen und somit eine schnelle Datenerfassung und schnelle Regelung, beispielsweise eines EOD-Scanners der Ablenkeinrichtung, beispielsweise mit einer Frequenz von mehreren hundert Kilohertz erlauben. The measuring device preferably has a detector that is position-sensitive or spatially resolving at one end of the reference light beam path. A detector of the measuring device is also preferably a position-sensitive diode, in particular a diode that is position-sensitive in two spatial directions. Position-sensitive diodes have the particular advantage that they have a high temporal resolution and thus allow fast data acquisition and fast control, for example of an EOD scanner of the deflection device, for example with a frequency of several hundred kilohertz.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinrichtung eingerichtet, eine Richtung des von dem ersten Strahlscanner abgelenkten Referenzlichtstrahls zu erfassen, indem der Referenzlichtstrahl oder ein Anteil des Referenzlichtstrahls auf den Detektor fokussiert wird. Wird beispielsweise der Referenzlichtstrahl von dem ersten Strahlscanner abgelenkt, das heißt, wird dem Referenzlichtstrahl durch den ersten Strahlscanner ein Winkel zu einer optischen Achse des Strahlscanners, die dieser in einer Nullstellung aufweist, aufgeprägt, so bestimmt insbesondere der aufgeprägte Winkel die Lage des Fokus auf dem ortsauflösenden Detektor der Messeinrichtung. Dies gilt sowohl dann, wenn der Referenzlichtstrahl aus dem ersten Strahlscanner konvergent austritt, wie es beispielsweise bei einem Pupillenscanner, bei dem die Scanlinse integraler Bestandteil des Scanners ist, der Fall ist, als auch in dem Fall, dass der Referenzlichtstrahl aus dem ersten Strahlscanner kollimiert austritt und anschließend außerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs fokussiert wird. In a preferred embodiment, the measuring device is designed to detect a direction of the reference light beam deflected by the first beam scanner by focusing the reference light beam or a portion of the reference light beam on the detector. If, for example, the reference light beam is deflected by the first beam scanner, i.e. if the first beam scanner imposes an angle on the reference light beam to an optical axis of the beam scanner, which the latter has in a zero position, then the imprinted angle in particular determines the position of the focus on the spatially resolving detector of the measuring device. This applies both when the reference light beam emerges from the first beam scanner convergently, as is the case, for example, with a pupil scanner in which the scanning lens is an integral part of the scanner, and in the case where the reference light beam emerges from the first beam scanner collimated and is then focused outside the illumination beam path.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinrichtung eingerichtet, eine Lage des von dem ersten Strahlscanner abgelenkten und/oder verlagerten Referenzlichtstrahls zu erfassen, indem der Referenzlichtstrahl oder ein Anteil des Referenzlichtstrahls kollimiert auf den oder einen weiteren positionsempfindlichen oder ortsauflösenden Detektor geleitet wird. In a preferred embodiment, the measuring device is designed to detect a position of the reference light beam deflected and/or displaced by the first beam scanner by directing the reference light beam or a portion of the reference light beam in a collimated manner to the or another position-sensitive or spatially resolving detector.
Weitere Eigenschaften der Messeinrichtung ergeben sich aus den weiter unten folgenden Beschreibungen zum Verfahren sowie aus den Figurenbeschreibungen. Bevorzugt propagiert der Referenzlichtstrahl entlang eines Referenzlicht-Strahlengangs, wobei der Referenzlicht-Strahlengang den ersten Strahlscanner umfasst. Further properties of the measuring device can be found in the descriptions of the method below as well as in the descriptions of the figures. Preferably, the reference light beam propagates along a reference light beam path, wherein the reference light beam path comprises the first beam scanner.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Mikroskop eine Referenzlichtquelle zur Erzeugung des Referenzlichtstrahls auf. Die Referenzlichtquelle ist in bevorzugten Ausführungsformen ein Laser. Weitere Eigenschaften der Referenzlichtquelle ergeben sich aus der weiter unten im Zusammenhang angegebenen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In a preferred embodiment, the microscope comprises a reference light source for generating the reference light beam. In preferred embodiments, the reference light source is a laser. Further properties of the reference light source emerge from the description of the method according to the invention given further below in connection.
Das erfindungsgemäße Mikroskop weist bevorzugt eine Steuereinheit auf, die ausgebildet ist, den ersten Strahlscanner oder den oder die weiteren Strahlscanner oder den ersten Strahlscanner und den oder die weiteren Strahlscanner derart zu steuern, dass der Fokuspunkt in der Probe positioniert wird, beispielsweise an Abtastpositionen eines Sets von Abtastpunkten einer MINFLUX-Lokalisation oder entlang einer Abtastbahn für eine MINFLUX-Lokalisation verlagert wird. Der erste Strahlscanner kann von der Steuereinheit Ansteuersignale, insbesondere elektrische Signale, erhalten, die einen Zustand der mindestens einen Ablenkeinheit beeinflussen, um den Beleuchtungslichtstrahl zu verlagern oder zu positionieren. Wenn es sich bei dem ersten Strahlscanner um einen mechanischen Scanner mit mindestens einer beweglichen optischen Komponente handelt, sind den Ansteuersignalen Sollpositionen oder Sollbewegungen der mindestens einen optischen Komponente zugeordnet, welche durch die Ansteuersignale bestimmt werden. Die Steuereinheit ist bevorzugt weiter ausgebildet, insbesondere den ersten Strahlscanner derart zu steuern, dass der Fokuspunkt in der Probe innerhalb eines größeren Bildfelds positioniert und/oder verlagert wird, beispielsweise derart, dass ein beispielweise konfokales Rasterbild aufgenommen wird. Die Steuereinheit kann insbesondere integraler Bestandteil einer Rechen- und Steuereinheit sein. Die Rechen- und Steuereinheit ist bevorzugt insbesondere auch ausgebildet, Signale der Messeinrichtung und der Detektionseinrichtung zu empfangen und/oder auszuwerten und/oder zu speichern. Der Signalausgang der Messeinrichtung ist bevorzugt mit der Steuereinheit der Ablenkeinrichtung verbunden, wobei die Verbindung direkt sein kann oder indirekt, vermittelt durch weitere Elemente der Rechen- und Steuereinheit, deren integraler Bestandteil sie sein kann. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Rechen- und Steuereinheit ausgebildet, auf Basis der Signale der Messeinrichtung Steuer- und Regelsignale für die Ablenkeinrichtung zu bestimmen und an diese auszugeben. The microscope according to the invention preferably has a control unit which is designed to control the first beam scanner or the further beam scanner(s) or the first beam scanner and the further beam scanner(s) in such a way that the focal point is positioned in the sample, for example at scanning positions of a set of scanning points of a MINFLUX localization or is displaced along a scanning path for a MINFLUX localization. The first beam scanner can receive control signals from the control unit, in particular electrical signals, which influence a state of the at least one deflection unit in order to displace or position the illumination light beam. If the first beam scanner is a mechanical scanner with at least one movable optical component, the control signals are assigned target positions or target movements of the at least one optical component, which are determined by the control signals. The control unit is preferably further designed, in particular, to control the first beam scanner in such a way that the focal point in the sample is positioned and/or shifted within a larger image field, for example in such a way that, for example, a confocal raster image is recorded. The control unit can in particular be an integral component of a computing and control unit. The computing and control unit is preferably also designed in particular to receive and/or evaluate and/or store signals from the measuring device and the detection device. The signal output of the measuring device is preferably connected to the control unit of the deflection device, wherein the connection can be direct or indirect, mediated by further elements of the computing and control unit, of which it can be an integral component. In a further preferred embodiment, the computing and control unit is designed to determine control and regulating signals for the deflection device on the basis of the signals from the measuring device and to output them to the deflection device.
Bei dem erfindungsgemäßen MINFLUX-Verfahren und bei dem erfindungsgemäßen STED- MINFLUX-Verfahren wird die Position eines einzelnen Emitters in einer Probe bestimmt oder es wird ein einzelner Emitter in einer Probe verfolgt, sodass eine Trajektorie des Emitters bestimmt wird. Hierzu wird ein Beleuchtungslicht derart in die Probe fokussiert, dass im Fokusbereich des Beleuchtungslichts an ein Intensitätsminimum des Beleuchtungslichts in einem Fokuspunkt in mindestens einer Richtung beiderseits Intensitätsanstiegsbereiche angrenzen, der Fokuspunkt wird mittels einer Ablenkeinrichtung, die einen ersten Strahlscanner aufweist, an mehrere Positionen in der Probe positioniert, durch das Beleuchtungslicht oder durch ein weiteres Licht wird in dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts ein Emitter angeregt, Lumineszenz- oder Streulicht als emittiertes Licht abzugeben, das aus dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts emittierte Licht wird mit einer Detektionseinrichtung erfasst, wobei Messwerte der Detektionseinrichtung den Abtastpositionen zugeordnet werden, und aus den Messwerten und den zugeordneten Abtastpositionen wird eine Lage oder eine T rajektorie eines Emitters bestimmt. In the MINFLUX method according to the invention and in the STED-MINFLUX method according to the invention, the position of a single emitter in a sample is determined or a single emitter in a sample is tracked so that a trajectory of the emitter can be determined For this purpose, an illumination light is focused into the sample in such a way that in the focus area of the illumination light, an intensity minimum of the illumination light in a focus point is bordered on both sides by areas of intensity increase in at least one direction, the focus point is positioned at several positions in the sample by means of a deflection device which has a first beam scanner, an emitter in the focus area of the illumination light is excited by the illumination light or by another light to emit luminescence or scattered light as emitted light, the light emitted from the focus area of the illumination light is detected by a detection device, measurement values of the detection device are assigned to the scanning positions, and a position or trajectory of an emitter is determined from the measurement values and the assigned scanning positions.
Das erfindungsgemäße MINFLUX-Verfahren und das erfindungsgemäße STED-MINFLUX- Verfahren unterscheiden sich von aus dem Stand der Technik bekannten MINFLUX-Verfahren und STED-MINFLUX-Verfahren dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen MINFLUX- Verfahren und bei dem erfindungsgemäßen STED-MINFLUX-Verfahren ein Referenzlichtstrahl von dem ersten Strahlscanner abgelenkt und/oder verlagert wird, und dass eine Messeinrichtung eine Lage und/oder eine Richtung des abgelenkten und/oder verlagerten Referenzlichtstrahls erfasst und in Abhängigkeit von der Lage und/oder der Richtung an einem Signalausgang ein Signal ausgibt, das indikativ ist für eine Position des Fokuspunktes in der Probe. The MINFLUX method according to the invention and the STED-MINFLUX method according to the invention differ from MINFLUX methods and STED-MINFLUX methods known from the prior art in that in the MINFLUX method according to the invention and in the STED-MINFLUX method according to the invention a reference light beam is deflected and/or displaced by the first beam scanner, and that a measuring device detects a position and/or a direction of the deflected and/or displaced reference light beam and, depending on the position and/or the direction, outputs a signal at a signal output that is indicative of a position of the focal point in the sample.
Das Positionieren des Fokuspunktes in der Probe kann erfolgen, indem mittels der Ablenkeinrichtung sequenziell verschiedene Positionen in der Probe adressiert werden. Die Menge der adressierten Abtastpositionen kann dabei eine kontinuierliche Bahn von Abtastpositionen, beispielsweise eine Kreisbahn um die vermutete Position des Emitters, bilden oder enthalten; die Bahn kann auch rasterartig verlaufen oder eine Lissajous-Bahn, eine Rosette oder eine Schleife bilden. Es ist auch möglich, dass die Ablenkeinrichtung nur eine Abtastposition adressiert und sich die sequenzielle Positionierung an verschiedene tatsächliche Abtastpositionen aus zufälligen Einstellungsänderungen des ersten Strahlscanners ergibt. Das Positionieren des Fokuspunktes erfolgt dann in beiden Fällen sequentiell an verschiedene tatsächliche Abtastpositionen, wobei aber jede tatsächliche Abtastposition, das heißt jede Lage des Fokuspunktes, nicht exakt der jeweils adressierten Abtastposition entspricht, sondern von dieser um einen Betrag abweicht, der von einem Unterschied der jeweiligen tatsächlichen Einstellung des ersten Strahlscanners von der jeweiligen Solleinstellungen, d.h. von der jeweiligen zu der adressierten Abtastposition zugehörigen Einstellung, des ersten Strahlscanners abhängt. Erfindungsgemäß wird mittels einer Messeinrichtung eine Lage und/oder eine Richtung des von dem ersten Strahlscanner abgelenkten und/oder verlagerten Referenzlichtstrahls erfasst; das zugehörige Messsignal, das indikativ ist für eine jeweilige Position des Fokuspunktes in der Probe, d.h. aus dem die jeweilige Position des Fokuspunktes in der Probe bestimmt werden kann, wird an einem Signalausgang ausgegeben. The positioning of the focal point in the sample can be achieved by sequentially addressing different positions in the sample using the deflection device. The set of addressed scanning positions can form or contain a continuous path of scanning positions, for example a circular path around the presumed position of the emitter; the path can also run in a grid-like manner or form a Lissajous path, a rosette or a loop. It is also possible for the deflection device to address only one scanning position and for the sequential positioning to various actual scanning positions to result from random setting changes of the first beam scanner. In both cases, the positioning of the focus point is then carried out sequentially at different actual scanning positions, whereby each actual scanning position, i.e. each position of the focus point, does not correspond exactly to the respective addressed scanning position, but deviates from it by an amount that depends on a difference between the respective actual setting of the first beam scanner and the respective target setting, i.e. the respective setting of the first beam scanner associated with the addressed scanning position. According to the invention, a position and/or a direction of the reference light beam deflected and/or displaced by the first beam scanner is detected by means of a measuring device; the associated measuring signal, which is indicative of a respective position of the focus point in the Sample, ie from which the respective position of the focus point in the sample can be determined, is output at a signal output.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Fokuspunkt in der Probe mittels einer Ablenkeinrichtung, die einen ersten Strahlscanner umfasst, sequenziell an verschiedene Abtastpositionen positioniert. Die Menge der adressierten Abtastpositionen kann dabei eine kontinuierliche Bahn von Abtastpositionen, beispielsweise eine Kreisbahn um die vermutete Position des Emitters, bilden oder enthalten; die Bahn kann auch rasterartig verlaufen oder eine Lissajous-Bahn, eine Rosette oder eine Schleife bilden. In a preferred embodiment of the invention, the focal point in the sample is positioned sequentially at different scanning positions by means of a deflection device comprising a first beam scanner. The set of addressed scanning positions can form or contain a continuous path of scanning positions, for example a circular path around the presumed position of the emitter; the path can also run in a grid-like manner or form a Lissajous path, a rosette or a loop.
Wie oben angegeben, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch das Beleuchtungslicht oder durch ein weiteres Licht in dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts ein Emitter angeregt, Lumineszenz- oder Streulicht als emittiertes Licht abzugeben. Erfolgt die Anregung durch das Beleuchtungslicht, kann das Beleuchtungslicht das einzige Licht sein, das bei der Ausführung des Verfahrens in die Probe eingestrahlt wird. Mit einem solchen Verfahren kann sowohl die Lage eines Emitters, an dem Beleuchtungslicht elastisch gestreut wird, wie zum Beispiel eines Goldbeads, als auch eines lumineszenten Partikels, zum Beispiel eines Fluoreszenz-Beads oder insbesondere eines Fluorophors, bestimmt als auch ein entsprechender Emitter verfolgt werden. As stated above, in the method according to the invention, an emitter is excited by the illumination light or by another light in the focus area of the illumination light to emit luminescence or scattered light. If the excitation is carried out by the illumination light, the illumination light can be the only light that is irradiated into the sample when the method is carried out. With such a method, the position of an emitter at which illumination light is elastically scattered, such as a gold bead, as well as a luminescent particle, for example a fluorescent bead or in particular a fluorophore, can be determined and a corresponding emitter can be tracked.
Neben dem Beleuchtungslicht kann auch weiteres Licht in die Probe eingestrahlt werden. In einer Ausführungsform kann das weitere Licht ein Fluoreszenzverhinderungslicht, insbesondere ein STED-Licht sein, mit dem die Emission von freier, d.h. nicht stimulierter, Fluoreszenz aus einem an den Fokusbereich des Beleuchtungslichts angrenzenden Bereich und/oder aus äußeren Bereichen des Fokusbereichs, von denen aus vorangehenden Lagebestimmungen oder Lageschätzungen bekannt ist, dass sich der Fluorophor, dessen Lage bestimmt werden soll, nicht in ihnen befindet, unterdrückt wird. Das Fluoreszenzverhinderungslicht kann in diesem Fall also insbesondere zur Unterdrückung von Hintergrundlicht dienen, das die Qualität der Lagebestimmung mindern würde. Das Fluoreszenzverhinderungslicht kann zu diesem Zweck einen breiten STED-Donut bilden, der beispielsweise mittels einer Vortexphasenplatte mit einem mehrfachen Anstieg der Modulation der Phase der Wellenfront von 0 bis 2TT über einen Umlauf entlang der Umfangsrichtung erzeugt wird. Es kann auch einen 3D-Donut bilden, der beispielsweise mit einer annular phase plate erzeugt werden kann. Das weitere Licht kann in diesem Fall in der Probe ruhen, sodass das Beleuchtungslicht relativ zum weiteren Licht verlagert wird, oder aber das weitere Licht kann gemeinsam, dabei nicht notwendigerweise in derselben Weise, mit dem Beleuchtungslicht verlagert werden. In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Beleuchtungslicht ein Lumineszenzverhinderungslicht, insbesondere ein STED-Licht sein, d.h. das erfindungsgemäße Verfahren kann als STED-MINFLUX-Verfahren gemäß der im betreffenden Abschnitt genannten Definition ausgeführt werden. Bei STED-MINFLUX-Verfahren erfolgt das Anregen des Emitters, dessen Lage bestimmt oder der verfolgt werden soll, mit weiterem Licht als Anregungslicht. Das weitere Licht kann ein gemeinsam mit dem Beleuchtungslicht durch ein Objektiv fokussiertes Licht sein, wobei die Form der Intensitätsverteilung zumindest näherungsweise einer Airyfunktion oder einer Gaußfunktion oder aber einer Top-Hat-Funktion entsprechen kann. Bevorzugt weist die Intensitätsverteilung in ihrem Zentrum einen breiten Bereich - breit im Vergleich mit Abständen der Abtastpositionen des Beleuchtungslichts, an die das Beleuchtungslicht verlagert wird - auf, in dem sich die Intensität nicht oder nur wenig ändert. Diese Bedingung kann beispielsweise erfüllt werden, indem das weitere Licht unter Nutzung eines Teils der Apertur des Objektivs, das heißt nicht der vollen Apertur fokussiert wird. Auch in dieser Ausführungsform kann das weitere Licht in der Probe ruhen, sodass das Beleuchtungslicht relativ zum weiteren Licht verlagert wird, oder aber das weitere Licht kann gemeinsam, dabei nicht notwendigerweise in derselben Weise, mit dem Beleuchtungslicht verlagert werden. In addition to the illumination light, further light can also be irradiated into the sample. In one embodiment, the further light can be a fluorescence prevention light, in particular a STED light, with which the emission of free, i.e. non-stimulated, fluorescence from an area adjacent to the focus area of the illumination light and/or from outer areas of the focus area, of which it is known from previous position determinations or position estimates that the fluorophore whose position is to be determined is not located in them, is suppressed. In this case, the fluorescence prevention light can therefore be used in particular to suppress background light that would reduce the quality of the position determination. For this purpose, the fluorescence prevention light can form a wide STED donut, which is generated, for example, by means of a vortex phase plate with a multiple increase in the modulation of the phase of the wave front from 0 to 2TT over one revolution along the circumferential direction. It can also form a 3D donut, which can be created using an annular phase plate, for example. The additional light can then rest in the sample, so that the illumination light is displaced relative to the additional light, or the additional light can be displaced together with the illumination light, but not necessarily in the same way. In another embodiment of the method according to the invention, the illumination light can be a luminescence prevention light, in particular a STED light, i.e. the method according to the invention can be carried out as a STED-MINFLUX method according to the definition given in the relevant section. In STED-MINFLUX methods, the emitter, the position of which is to be determined or which is to be tracked, is excited with additional light as excitation light. The additional light can be light focused together with the illumination light through an objective, wherein the shape of the intensity distribution can correspond at least approximately to an Airy function or a Gaussian function or a top-hat function. The intensity distribution preferably has a wide range in its center - wide in comparison with the distances of the scanning positions of the illumination light to which the illumination light is shifted - in which the intensity does not change or changes only slightly. This condition can be met, for example, by focusing the additional light using part of the aperture of the objective, i.e. not the full aperture. In this embodiment, too, the additional light can rest in the sample so that the illumination light is displaced relative to the additional light, or the additional light can be displaced together with the illumination light, but not necessarily in the same way.
Die Lichtemissionen des Emitters werden mit einer Detektionseinrichtung erfasst. Diese kann z.B. einen Punktdetektor, wie z.B. eine Avalanche-Fotodiode (APD), einen Fotomultiplier oder einen Hybriddetektor, oder einen ortsauflösenden Detektor wie eine Kamera oder ein sogenanntes APD-Array aufweisen. Insbesondere umfasst die Detektionseinrichtung weiterhin eine Auswerteelektronik. Die Detektionseinrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, einzelne von dem Emitter ausgehende Photonen zu erfassen und derart zu registrieren, dass den Lichtemissionen zugehörige Abtastpositionen zugeordnet werden können. The light emissions of the emitter are detected by a detection device. This can, for example, have a point detector, such as an avalanche photodiode (APD), a photomultiplier or a hybrid detector, or a spatially resolving detector such as a camera or a so-called APD array. In particular, the detection device also comprises evaluation electronics. The detection device is designed in particular to detect individual photons emanating from the emitter and to register them in such a way that the scanning positions associated with the light emissions can be assigned.
Zwischen der Lage und/oder der Richtung des von dem ersten Strahlscanner abgelenkten und/oder verlagerten Referenzlichtstrahls und der Lage und/oder der Richtung des Beleuchtungslichtstrahls nach dem Scanner besteht nun ein bestimmter Zusammenhang, wobei zu berücksichtigen ist, wie sich die Richtungen und/oder Lagen von Referenzlichtstrahl und Beleuchtungslichtstrahl zueinander verhalten. Weiter besteht ein bestimmter Zusammenhang zwischen der Lage und/oder der Richtung des Beleuchtungslichtstrahls nach dem Scanner und der Position des Fokuspunktes in der Probe. Die Erfassung der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahls ermöglicht daher die Bestimmung der jeweiligen tatsächlichen Abtastposition, das heißt der jeweiligen tatsächlichen Position des Fokuspunktes in der Probe, zum jeweiligen Messzeitpunkt, das heißt zum jeweiligen Zeitpunkt der Anregung der mit der Detektionseinrichtung jeweiligen erfassten Emission. Dies, und damit das Signal der Messeinrichtung, kann insbesondere auf zwei Arten, die auch miteinander kombiniert werden können, genutzt werden, um die örtlich-zeitliche Auflösung zu erhöhen. There is now a specific relationship between the position and/or direction of the reference light beam deflected and/or shifted by the first beam scanner and the position and/or direction of the illumination light beam after the scanner, whereby it is necessary to take into account how the directions and/or positions of the reference light beam and the illumination light beam relate to one another. There is also a specific relationship between the position and/or direction of the illumination light beam after the scanner and the position of the focal point in the sample. The detection of the position and/or direction of the reference light beam therefore enables the determination of the respective actual scanning position, i.e. the respective actual position of the focal point in the sample, at the respective measurement time, i.e. at the respective time of excitation of the emission detected by the detection device. This, and thus the signal of the Measuring device can be used in two ways, which can also be combined with each other, to increase the spatial and temporal resolution.
Eine Art ist, dass das Erfassen in Verbindung mit der Nutzung des Signals der Messeinrichtung derart erfolgt, dass aus dem Signal in Echtzeit ein Korrekturwert bestimmt wird, um den das Steuersignal der Ablenkeinrichtung oder mindestens eines Strahlscanners der Ablenkeinrichtung korrigiert wird. Beispielsweise kann das Signal der Messeinrichtung, nach entsprechender Verstärkung, als analoges Regelsignal auf die Ablenkeinrichtung insgesamt oder auf einen Strahlscanner, der einen Teil der Ablenkeinrichtung bildet, rückgekoppelt werden. Das Bestimmen des Korrekturwerts erfolgt in diesem Fall durch eine Verstärkungseinheit, beispielsweise einen auf die Anwendung abgestimmten Operationsverstärkers. Referenzlichtstrahl und die Messeinrichtung werden also zu einer Regelung der Ablenkeinrichtung genutzt. Die Regelung kann dabei mit im Stand der Technik bekannten Regelungsstrategien, zum Beispiel in Form eines PID-Reglers (PID: Proportional-Integral- Differenzial) realisiert werden. Die Nutzung des Messsignals zur Regelung kann insbesondere vorteilhaft dann angewendet werden, wenn die Ablenkeinrichtung einen weiteren einstellbaren Strahlscanner, der einen wahlfreien Zugriff auf Abtastpunkte erlaubt, aufweist, der kürzere, insbesondere viel kürzere Antwortzeiten, beispielsweise von nur 20%, 10%, 1% oder weniger als 1 % der des ersten Strahlscanners, aufweist als der erste Strahlscanner, das heißt einen schnellen Strahlscanner. Entsprechendes gilt, wenn der erste Strahlscanner selbst verschiedene Einheiten mit entsprechend unterschiedlichen Antwortzeiten, schnelle und langsame Einheiten, aufweist, wobei dann die Regelung der Ablenkeinrichtung erfolgt, indem das Messsignal oder ein aus dem Messsignal abgeleitete Signal auf die schnelle Einheit oder die schnellen Einheiten rückgekoppelt wird. Dementsprechend erfolgt die Regelung bevorzugt derart, dass schnelle Korrekturen der Position des Fokuspunktes in der Probe durch den weiteren, den schnellen Strahlscanner oder durch die schnelle Einheit oder die schnellen Einheiten des ersten Strahlscanners bewirkt werden. Dies schließt nicht aus, dass langsamere Korrekturen auch unter Nutzung oder Mitnutzung des ersten Strahlscanners oder der langsamen Einheit oder der langsamen Einheiten zur Korrektur vorgenommen werden. Besonders einfach ist es aber, den ersten Strahlscanner oder die langsamen Einheiten des ersten Strahlscanners zu steuern und ausschließlich den weiteren Strahlscanner oder den oder die schnellen Einheiten des ersten Strahlscanners zu regeln. Dabei kann das Erfassen der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahls mit einer Bandbreite oder Zeitauflösung der Detektion erfolgen, die an die Bandbreite oder Antwortzeit des weiteren Strahlscanners angepasst ist. Die Bandbreite, mit der die Lage und/oder die Richtung des Referenzlichtstrahls erfasst werden, kann insbesondere auch höher sein als die Bandbreite des weiteren Strahlscanners oder der schnellen Einheiten des ersten Strahlscanners, beispielsweise doppelt so hoch oder mehr als doppelt so hoch. In diesem Fall wird bevorzugt die Bandbreite des Regelsignals gegenüber der Bandbreite der Erfassung der Lage und/oder der Richtung reduziert. Insbesondere wenn die Bandbreite des weiteren Strahlscanners oder der schnellen Einheiten des ersten Strahlscanners mindestens so groß ist wie die der Messeinrichtung, kann die Regelung vorteilhaft besonders einfach als Proportionalregelung der Ablenkeinheit umgesetzt werden. One way is that the detection takes place in connection with the use of the signal from the measuring device in such a way that a correction value is determined from the signal in real time, by which the control signal of the deflection device or at least one beam scanner of the deflection device is corrected. For example, the signal from the measuring device can, after appropriate amplification, be fed back as an analog control signal to the deflection device as a whole or to a beam scanner that forms part of the deflection device. In this case, the correction value is determined by an amplification unit, for example an operational amplifier tailored to the application. The reference light beam and the measuring device are therefore used to control the deflection device. The control can be implemented using control strategies known in the art, for example in the form of a PID controller (PID: proportional-integral-differential). The use of the measurement signal for control can be particularly advantageous when the deflection device has a further adjustable beam scanner that allows random access to scanning points, which has shorter, in particular much shorter response times, for example only 20%, 10%, 1% or less than 1% of that of the first beam scanner, than the first beam scanner, i.e. a fast beam scanner. The same applies if the first beam scanner itself has different units with correspondingly different response times, fast and slow units, in which case the control of the deflection device takes place by feeding the measurement signal or a signal derived from the measurement signal back to the fast unit or units. Accordingly, the control is preferably carried out in such a way that fast corrections of the position of the focal point in the sample are effected by the further, fast beam scanner or by the fast unit or units of the first beam scanner. This does not exclude the possibility of slower corrections being made using or co-using the first beam scanner or the slow unit or units for correction. However, it is particularly simple to control the first beam scanner or the slow units of the first beam scanner and to regulate only the other beam scanner or the fast unit or units of the first beam scanner. The position and/or direction of the reference light beam can be detected with a bandwidth or time resolution of the detection that is adapted to the bandwidth or response time of the other beam scanner. The bandwidth with which the position and/or direction of the reference light beam is detected can in particular also be higher than the bandwidth of the other beam scanner or the fast units of the first beam scanner. for example twice as high or more than twice as high. In this case, the bandwidth of the control signal is preferably reduced compared to the bandwidth of the detection of the position and/or the direction. In particular, if the bandwidth of the additional beam scanner or the fast units of the first beam scanner is at least as large as that of the measuring device, the control can advantageously be implemented particularly simply as a proportional control of the deflection unit.
Die andere Art ist, dass das Erfassen derart erfolgt, dass aus dem Signal der Messeinrichtung tatsächliche Abtastpositionen bestimmt werden. Hierfür wird bevorzugt das Signal der Messeinrichtung zur Erfassung der Lage und/oder der Richtung oder ein Signal, das aus einem Steuersignal der Ablenkeinrichtung und dem Signal der Messeinrichtung abgeleitet wird, derart in einer Speichereinrichtung gespeichert, dass es jeweils einem Messsignal der Detektionseinrichtung zur Erfassung des aus dem Fokusbereich emittierten Lichts zugeordnet werden kann. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem sowohl das Signal der Messeinrichtung oder das aus diesem abgeleitete Signal als auch das Signal der Detektionseinrichtung, jeweils mit einem Zeitstempel versehen, gespeichert wird. The other type is that the detection is carried out in such a way that actual scanning positions are determined from the signal of the measuring device. For this purpose, the signal of the measuring device for detecting the position and/or the direction or a signal that is derived from a control signal of the deflection device and the signal of the measuring device is preferably stored in a storage device in such a way that it can be assigned to a measurement signal of the detection device for detecting the light emitted from the focus area. This can be achieved, for example, by storing both the signal of the measuring device or the signal derived from it and the signal of the detection device, each provided with a time stamp.
Beide Arten können vorteilhaft kombiniert werden, insbesondere wenn die Bandbreite der Erfassung der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahls höher ist als die Bandbreite des weiteren Strahlscanners. Both types can be advantageously combined, especially if the bandwidth of the detection of the position and/or direction of the reference light beam is higher than the bandwidth of the other beam scanner.
Die Bestimmung der Lage des Emitters oder das Verfolgen des Emitters mit dem Bestimmen einer Trajektorie kann nun entsprechend der Methoden erfolgen, die üblicherweise bei der Durchführung von MINFLUX-Verfahren oder STED-MINFLUX-Verfahren angewendet werden. Dies gilt auch für die Auswahl der Abtastpositionen, an die der Fokuspunkt jeweils positioniert werden soll. Determining the position of the emitter or tracking the emitter by determining a trajectory can now be done according to the methods that are usually used when carrying out MINFLUX methods or STED-MINFLUX methods. This also applies to the selection of the sampling positions at which the focus point is to be positioned.
Im Fall, dass die Ablenkeinrichtung auf Basis des Signals der Messeinrichtung geregelt wird, ergibt sich ein Vorteil schon alleine daraus, dass die tatsächlichen Abtastpositionen mit höherer Genauigkeit auch tatsächlich abgetastet werden. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn der erste Strahlscanner während eines sequentiellen Verlagerns des Fokuspunktes in der Probe derart angesteuert wird, dass der Fokuspunkt seine Position nicht ändern würde, wäre der erste Strahlscanner perfekt. Untersuchungen der Anmelderin bei Nutzung einer typischen Mikroskopkonfiguration mit einem Quad-Scanner haben ergeben, dass sich aus dem Jitter aller einzelnen Galvo-Scanner des nominell ruhenden Quad-Scanners Verlagerungen des Fokuspunktes in der Probe mit einem Hub von mehreren Nanometern ergeben können, wobei das Rauschleistungsspektrum große Werte im Frequenzbereich bei einigen Kilohertz aufweist. Daraus kann sich insbesondere beim Verfolgen von Emittern schon unabhängig von der durch die Bewegung des Emitters verursachten Unsicherheit eine (zusätzliche) Unsicherheit bei der Bestimmung der momentanen Lagen des Emitters von mehreren Nanometern ergeben. Schon da mittels MINFLUX-Verfahren grundsätzlich Messungen mit Unsicherheiten im Bereich von 1 nm möglich sind, ist diese Unsicherheit auf Grund des Jitters also wesentlich. Mittels eines weiteren, besonders schnellen einstellbaren Strahlscanners, beispielsweise eines AOD oder insbesondere eines EOD, kann nun die Lage des Fokuspunktes entsprechend typischer Bandbreiten beispielsweise innerhalb von etwa 1 ps oder weniger korrigiert werden, sofern die Bandbreite der Messung der Lage und/oder der Position entsprechend groß ist. Diese Messung mit entsprechend hoher Bandbreite oder Zeitauflösung kann mit im Stand der Technik bekannten Mitteln, wie im Folgenden noch ausgeführt wird, realisiert werden. Bei einer kleineren Bandbreite der Messung limitiert diese die Zeitkonstante der Korrektur. Mittels der Messeinrichtung und beispielsweise der EOD der Ablenkeinrichtung kann beispielsweise erreicht werden, dass eine Abtastposition mit einer Unsicherheit von weniger als 1 nm adressiert werden kann, was die Unsicherheit der Bestimmung der Position bei einer schnellen Abtastung wesentlich reduziert oder umgekehrt ermöglicht, eine hohe Genauigkeit auch bei einer sehr schnellen Messung, wie sie insbesondere beim Verfolgen eines sich schnell bewegenden Emitters nötig ist, zu erreichen. If the deflection device is controlled based on the signal from the measuring device, an advantage arises from the fact that the actual scanning positions are actually scanned with greater accuracy. This is especially true if the first beam scanner is controlled during a sequential shift of the focal point in the sample in such a way that the focal point would not change its position if the first beam scanner were perfect. Investigations by the applicant using a typical microscope configuration with a quad scanner have shown that the jitter of all individual galvo scanners of the nominally stationary quad scanner can result in shifts in the focal point in the sample with a stroke of several nanometers, with the noise power spectrum having large values in the frequency range of several kilohertz. This can result in an (additional) uncertainty of several nanometers when determining the current position of the emitter, particularly when tracking emitters, regardless of the uncertainty caused by the movement of the emitter. Since measurements with uncertainties in the range of 1 nm are basically possible using the MINFLUX method, this uncertainty due to the jitter is therefore significant. Using another, particularly fast, adjustable beam scanner, for example an AOD or in particular an EOD, the position of the focal point can now be corrected according to typical bandwidths, for example within about 1 ps or less, provided that the bandwidth of the measurement of the position and/or the position is sufficiently large. This measurement with a correspondingly high bandwidth or time resolution can be realized using means known in the prior art, as will be explained below. With a smaller measurement bandwidth, this limits the time constant of the correction. By means of the measuring device and, for example, the EOD of the deflection device, it can be achieved, for example, that a scanning position can be addressed with an uncertainty of less than 1 nm, which significantly reduces the uncertainty of determining the position during fast scanning or, conversely, makes it possible to achieve a high level of accuracy even during very fast measurements, as is particularly necessary when tracking a fast-moving emitter.
Es ist weiter möglich, dass der erste Strahlscanner mehrere, insbesondere verschiedene Scanner umfasst, beispielsweise ein Galvoscanner-System und ein EOD-System. In diesen Fällen kann das Signal der Messeinrichtung zur Erfassung der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahls in der Weise zur Regelung der Ablenkeinrichtung verwendet werden, dass nur einer oder einzelne der Scanner des ersten Strahlscanners geregelt werden, während das Steuersignal anderer Scanner nicht abhängig vom Signal der Messeinrichtung ist. Im konkreten Beispiel, in dem der erste Strahlscanner ein Galvoscanner-System und ein EOD-System aufweist, misst die Messeinrichtung eine Ablenkung und/oder Verlagerung, die sowohl von der Einstellung des Galvoscanner-Systems als auch von der Einstellung des EOD-Systems abhängt, das Messsignal wird aber, in diesem Beispiel, dennoch auf das EOD-System rückgekoppelt. It is also possible for the first beam scanner to comprise several, in particular different scanners, for example a galvo scanner system and an EOD system. In these cases, the signal from the measuring device for detecting the position and/or direction of the reference light beam can be used to control the deflection device in such a way that only one or individual scanners of the first beam scanner are controlled, while the control signal of other scanners is not dependent on the signal from the measuring device. In the specific example in which the first beam scanner has a galvo scanner system and an EOD system, the measuring device measures a deflection and/or displacement that depends on both the setting of the galvo scanner system and the setting of the EOD system, but the measurement signal is nevertheless fed back to the EOD system in this example.
Das Messsignal der Messeinrichtung zur Bestimmung der Lage und/oder der Position oder das aus diesem abgeleitete Signal kann alternativ oder zusätzlich auch in anderer Art für eine Erhöhung der örtlich-zeitlichen Auflösung genutzt werden, nämlich indem bei der Bestimmung der Lage oder der Trajektorie des Emitters aus den von der Detektionseinrichtung detektierten Emissionen jeweils die tatsächlichen, das heißt der auf Basis der Messung der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahl bestimmten Fokuspunkte zum Zeitpunkt der Anregung der Emission berücksichtigt werden. Wird ausschließlich diese andere Art der Verbesserung der Genauigkeit genutzt, ist sie insbesondere geeignet für eine Auswertung bereits aufgenommener Daten. Während der Aufnahme der Daten können dann, wie im Stand der Technik, als Koordinaten der Abtastpositionen die Werte zu Grunde gelegt werden, die den Sollpositionen entsprechen. Beispielsweise mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden kann dann in Echtzeit eine Lage des Emitters bestimmt werden, ausgehend von der jeweils folgende Abtastpositionen bestimmt werden, an die der Fokuspunkt im weiteren Verlauf der Messung verlagert wird, um die Lage des Emitters genauer zu bestimmen oder um den Emitter zu verfolgen. Die Messung der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahls nach dem Scanner wirkt sich in diesem Fall nicht unmittelbar auf den übrigen Messablauf aus. Aus der gemessenen Lage und/oder Position des Referenzlichtstrahls kann aber nun jeweils eine Abtastposition mit höherer Genauigkeit bestimmt werden als aus den Daten der Ansteuerung der Ablenkeinrichtung. Werden nun jeweils für die Bestimmung der Lage des Emitters jeweils die aus der Messung bestimmten tatsächlichen Abtastpositionen, das heißt die Positionen des Fokuspunktes in der Probe, anstelle der Sollpositionen zu Grunde gelegt, so wird auch die Lage des Emitters bei dieser Auswertung mit höherer Genauigkeit bestimmt als dann, wenn die Sollpositionen zu Grunde gelegt werden. The measurement signal of the measuring device for determining the position and/or the position or the signal derived from it can alternatively or additionally be used in another way to increase the spatial-temporal resolution, namely by taking into account the actual focus points at the time of excitation of the emission when determining the position or trajectory of the emitter from the emissions detected by the detection device, i.e. the focus points determined on the basis of the measurement of the position and/or the direction of the reference light beam. If this other type of accuracy improvement is used exclusively, it is particularly suitable for evaluating data that has already been recorded. During data recording, the values that correspond to the target positions can then be used as the coordinates of the scanning positions, as in the prior art. For example, using methods known from the prior art, a position of the emitter can then be determined in real time, based on which subsequent scanning positions can be determined, to which the focus point is moved in the further course of the measurement in order to determine the position of the emitter more precisely or to track the emitter. In this case, measuring the position and/or direction of the reference light beam after the scanner does not have a direct effect on the rest of the measurement process. However, a scanning position can now be determined with greater accuracy from the measured position and/or position of the reference light beam than from the data from controlling the deflection device. If the actual scanning positions determined from the measurement, i.e. the positions of the focal point in the sample, are used as a basis for determining the position of the emitter instead of the target positions, the position of the emitter is also determined with greater accuracy in this evaluation than if the target positions are used as a basis.
Grundsätzlich können aber auch bereits während der Datenaufnahme jeweils die tatsächlichen, das heißt der auf Basis der Messung der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahls bestimmten Positionen des Fokuspunkts in der Probe zum Zeitpunkt der Anregung der Emission berücksichtigt werden, um in Echtzeit eine Lage des Emitters zu bestimmen oder um den Emitter zu verfolgen. Zu diesem Zweck kann die Routine zur Auswertung der Daten in Echtzeit entsprechend modifiziert werden und es kann angepasste Hardware wie ein leistungsfähiges Field Programmable Gate Array (FPGA) verwendet werden. Die tatsächlichen Abtastpositionen können dabei aus dem Messsignal der Messeinrichtung beispielweise in einer separaten Einheit bestimmt und von dieser an ein FPGA zur Steuerung der Ablenkeinheit geleitet werden oder aber das Signal der Messeinrichtung kann jeweils an ein FPGA zur Steuerung der Ablenkeinheit geleitet und vollständig dort ausgewertet werden. In principle, however, the actual positions of the focal point in the sample at the time of excitation of the emission, i.e. the positions determined on the basis of the measurement of the position and/or direction of the reference light beam, can be taken into account during data acquisition in order to determine the position of the emitter in real time or to track the emitter. For this purpose, the routine for evaluating the data in real time can be modified accordingly and adapted hardware such as a powerful Field Programmable Gate Array (FPGA) can be used. The actual scanning positions can be determined from the measurement signal of the measuring device, for example in a separate unit and sent from there to an FPGA to control the deflection unit, or the signal from the measuring device can be sent to an FPGA to control the deflection unit and fully evaluated there.
Auch eine Kombination beider Arten der Nutzung des Signals der Messeinrichtung, also der Nutzung zur Regelung der Ablenkeinrichtung und der zu einer Bestimmung der Abtastpositionen, das heißt der Positionen des Fokuspunktes in der Probe ist in vorteilhafter weise möglich. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Bandbreite der Messeinrichtung höher ist als die Bandbreite der Ablenkeinheit. Insbesondere in diesem Falle verbleibt auch im Falle der Regelung der Ablenkeinheit mittels des Signals der Messeinrichtung eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Abtastposition und der Sollposition, die mittels der Messeinrichtung erfasst wird. Diese Abweichung ist gegenüber der Abweichung in Abwesenheit der Regelung gemindert. Die Auswertung der Daten in Echtzeit kann nun, in derselben Weise wie auch bei ausschließlicher Nutzung des Signals der Messeinrichtung zur Bestimmung der Abtastpositionen, erfolgen, indem für die Bestimmung der Position des Emitters jeweils die Sollpositionen zu Grunde gelegt werden, oder aber, indem bereits während der Datenaufnahme jeweils die tatsächlichen, das heißt der auf Basis der Messung der Lage und/oder der Richtung des Referenzlichtstrahls bestimmten Fokuspunkte zum Zeitpunkt der Anregung der Emission berücksichtigt werden. A combination of both types of use of the signal from the measuring device, i.e. the use for controlling the deflection device and for determining the scanning positions, i.e. the positions of the focal point in the sample, is also advantageously possible. This applies in particular when the bandwidth of the measuring device is higher than the bandwidth of the deflection unit. In this case in particular, even if the deflection unit is controlled using the signal from the measuring device, there remains a deviation between the actual scanning position and the target position, which is recorded using the measuring device. This deviation is reduced compared to the deviation in the absence of control. The The data can now be evaluated in real time in the same way as when the signal from the measuring device is used exclusively to determine the scanning positions, by using the target positions as a basis for determining the position of the emitter, or by taking into account the actual focus points, i.e. the focus points determined on the basis of the measurement of the position and/or direction of the reference light beam at the time of excitation of the emission, during data acquisition.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird mittels einer Referenzlichtquelle ein Referenzlichtstrahl erzeugt und dieser wird über den ersten Strahlscanner geleitet. In preferred embodiments of the method, a reference light beam is generated by means of a reference light source and is guided over the first beam scanner.
Die Referenzlichtquelle kann beispielsweise ein Laser, eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode sein. Insbesondere wenn die Referenzlichtquelle eine breitbandige Lichtquelle ist, dann kann das Erzeugen des Referenzlichtstrahls ein Filtern der Wellenlängen umfassen. The reference light source can be, for example, a laser, a light-emitting diode or a laser diode. In particular, if the reference light source is a broadband light source, then generating the reference light beam can include filtering the wavelengths.
Bei manchen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Licht des Referenzlichtstrahls keinen Wellenlängenbereich, der Wellenlängen enthält, der in dem dem erfindungsgemäßen Verfahren zugehörigen Mikroskop für die mikroskopischen Aufnahmen zu untersuchender Proben selbst genutzt wird, umfasst. Der Wellenlängenbereich des Referenzlichtstrahls kann beispielsweise in einer bevorzugten Ausführungsform ausschließlich Wellenlängen oberhalb der größten bei der Durchführung von Mikroskopie-Verfahren mit dem Mikroskop genutzten Wellenlänge, beispielsweise einer größten STED-Laser-Wellenlänge oder eine größten zu detektierenden Fluoreszenzwellenlänge, aufweisen; alternativ kann der Wellenlängenbereich der Referenzlichtquelle ausschließlich Wellenlängen unterhalb der kleinsten für die Durchführung von Mikroskopie-Verfahren genutzten Wellenlänge, die zum Beispiel die kleinste für Fluoreszenzanregung genutzte oder zur Aktivierung oder Deaktivierung schaltbarer Fluorophore genutzte Wellenlänge sein kann, aufweisen. Insbesondere überlappt in einer bevorzugten Ausführungsform der Wellenlängenbereich des Referenzlichtstrahls nicht mit dem des Beleuchtungslichtstrahls. In some embodiments, it is preferred that the light of the reference light beam does not comprise a wavelength range that contains wavelengths that are used in the microscope associated with the method according to the invention for the microscopic images of samples to be examined. For example, in a preferred embodiment, the wavelength range of the reference light beam can exclusively comprise wavelengths above the largest wavelength used when carrying out microscopy methods with the microscope, for example a largest STED laser wavelength or a largest fluorescence wavelength to be detected; alternatively, the wavelength range of the reference light source can exclusively comprise wavelengths below the smallest wavelength used for carrying out microscopy methods, which can, for example, be the smallest wavelength used for fluorescence excitation or for activating or deactivating switchable fluorophores. In particular, in a preferred embodiment, the wavelength range of the reference light beam does not overlap with that of the illumination light beam.
Die Wahl der Wellenlänge und weiterer Eigenschaften wie zum Beispiel hinsichtlich einer Polarisation des Referenzlichtstrahls steht grundsätzlich in einer Wechselbeziehung mit der konkreten Ausführung des ersten Strahlscanners und der Wahl des gesamten Strahlengangs. Sofern der erste Strahlscanner AOD und/oder EOD umfasst, ergeben sich Randbedingungen für die Eigenschaften des Referenzlichtstrahls. Beispielsweise kann der Ablenkwinkel, den der erste Strahlscanner einem Lichtstrahl aufprägt, wie dies bei einem einzelnen EOD regelmäßig der Fall ist, abhängig von einer Polarisation sein, oder sie kann, wie dies bei einem einzelnen AOD regelmäßig der Fall ist, abhängig von der Wellenlänge sein. Dementsprechend ist es dann, wenn die Ablenkeinheit EOD aufweist und der Referenzlichtstrahl durch die Ablenkeinheit geleitet wird, bevorzugt, dass der durch oder über den ersten Strahlscanner geleitete Referenzlichtstrahl dieselbe Polarisation aufweist wie der Beleuchtungslichtstrahl, bevorzugt aber eine andere Wellenlänge, wodurch eine Abtrennung des Referenzlichtstrahls vom Beleuchtungslichtstrahl mittels eines Farbteilers ermöglicht wird. Diese bevorzugte Ausführungsform ist eine solche, bei der der Wellenlängenbereich des Referenzlichtstrahls nicht mit dem des Beleuchtungslichtstrahls überlappt. Allerdings ist es auch bei Verwendung von EOD in dem ersten Strahlscanner nicht zwingend notwendig, dass sich die Wellenlängenbereiche des Beleuchtungslichtstrahls und des Referenzlichtstrahl nicht überlappen. The choice of wavelength and other properties, such as the polarization of the reference light beam, is fundamentally interrelated with the specific design of the first beam scanner and the choice of the entire beam path. If the first beam scanner comprises AOD and/or EOD, boundary conditions arise for the properties of the reference light beam. For example, the deflection angle that the first beam scanner imposes on a light beam can be dependent on polarization, as is regularly the case with a single EOD, or it can be dependent on the wavelength, as is regularly the case with a single AOD. Accordingly, if the deflection unit has EOD and the reference light beam is guided through the deflection unit, preferably that the reference light beam guided through or over the first beam scanner has the same polarization as the illumination light beam, but preferably a different wavelength, thereby enabling the reference light beam to be separated from the illumination light beam by means of a color splitter. This preferred embodiment is one in which the wavelength range of the reference light beam does not overlap with that of the illumination light beam. However, even when using EOD in the first beam scanner, it is not absolutely necessary that the wavelength ranges of the illumination light beam and the reference light beam do not overlap.
Um den Referenzlichtstrahl über den ersten Strahlscanner zu leiten, kann er nämlich auf einer Seite des ersten Strahlscanners unter einem flachen Winkel in den Strahlengang des Beleuchtungslichtstrahls eingeleitet werden und entsprechend auf der anderen Seite des ersten Strahlscanners unter einem flachen Winkel aus dem Strahlengang des Beleuchtungslichts ausgeleitet werden. Eine Abtrennung des Referenzlichtstrahls erfolgt in dieser Ausführungsform vollkommen unabhängig von Unterschieden der inneren Eigenschaften wie zum Beispiel Wellenlänge oder Polarisation. Der Referenzlichtstrahl erfährt grundsätzlich dieselben Ablenkungen wie der Beleuchtungslichtstrahl, soweit diese durch den ersten Strahlscanner verursacht sind. Die Winkel, unter denen der Referenzlichtstrahl eingeleitet werden kann, sodass er über den ersten Strahlscanner geleitet wird, ergibt sich aus den Parametern des ersten Strahlscanners, beispielsweise aus Abmessungen von Spiegeln und dem Aufbau des Strahlengangs im Bereich des ersten Strahlscanners, der zum Beispiel eine Relayoptik aufweisen kann. In order to guide the reference light beam over the first beam scanner, it can be introduced into the beam path of the illumination light beam at a shallow angle on one side of the first beam scanner and correspondingly be guided out of the beam path of the illumination light at a shallow angle on the other side of the first beam scanner. In this embodiment, the reference light beam is separated completely independently of differences in internal properties such as wavelength or polarization. The reference light beam basically experiences the same deflections as the illumination light beam, insofar as these are caused by the first beam scanner. The angles at which the reference light beam can be introduced so that it is guided over the first beam scanner result from the parameters of the first beam scanner, for example from the dimensions of mirrors and the structure of the beam path in the area of the first beam scanner, which can have relay optics, for example.
In einer anderen Ausführungsform kann der Referenzlichtstrahl beispielsweise mittels eines Spiegels in einen Randbereich des Strahlengangs des Beleuchtungslichts parallel zu der optischen Achse des Strahlengangs des Beleuchtungslichts, die bei einer Neutralstellung der Ablenkvorrichtung vorliegt, eingekoppelt werden. Dieser Randbereich des Strahlengangs kann dann nicht vom Beleuchtungslicht genutzt werden. In another embodiment, the reference light beam can be coupled, for example by means of a mirror, into an edge region of the beam path of the illumination light parallel to the optical axis of the beam path of the illumination light, which is present when the deflection device is in a neutral position. This edge region of the beam path cannot then be used by the illumination light.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzlichtstrahl mittels eines Strahlteilerelements, beispielsweise mittels eines dichroitischen Strahlteilers in den Strahlengang des Beleuchtungslichts eingekoppelt. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn sich die Wellenlängenbereiche des Referenzlichtstrahls und des Beleuchtungslichtstrahls nicht überlappen, und ist besonders vorteilhaft, wenn der Referenzlichtstrahl keine für die eigentlichen mikroskopischen Aufnahmen genutzte Wellenlänge aufweist. Bei dieser Art der Einkopplung wird der Referenzlichtstrahl bevorzugt parallel zu der optischen Achse des Strahlengangs des Beleuchtungslichts, die bei einer Neutralstellung der Ablenkvorrichtung vorliegt, eingekoppelt. Weiter bevorzugt erfolgt die Einkopplung auf dieser optischen Achse. In a preferred embodiment, the reference light beam is coupled into the beam path of the illumination light by means of a beam splitter element, for example by means of a dichroic beam splitter. This is possible in particular if the wavelength ranges of the reference light beam and the illumination light beam do not overlap, and is particularly advantageous if the reference light beam does not have a wavelength used for the actual microscopic images. With this type of coupling, the reference light beam is preferably parallel to the optical axis of the beam path of the Illumination light, which is present when the deflection device is in a neutral position, is coupled in. More preferably, the coupling takes place on this optical axis.
Der Referenzlichtstrahl kann derart eingekoppelt oder unter einem flachen Winkel eingeleitet werden, dass der Beleuchtungslichtstrahl und der Referenzlichtstrahl den ersten Strahlscanner in derselben Richtung durchlaufen, das heißt, dass sich die Beleuchtungslichtquelle und die Referenzlichtquelle auf derselben Seite des Scanners befinden, oder dass der Beleuchtungslichtstrahl und der Referenzlichtstrahl den ersten Strahlscanner in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, das heißt, dass sich die Beleuchtungslichtquelle und die Referenzlichtquelle auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Strahlscanners befinden. The reference light beam can be coupled in or introduced at a shallow angle such that the illumination light beam and the reference light beam pass through the first beam scanner in the same direction, that is, the illumination light source and the reference light source are on the same side of the scanner, or that the illumination light beam and the reference light beam pass through the first beam scanner in opposite directions, that is, the illumination light source and the reference light source are on opposite sides of the first beam scanner.
Das Ausleiten oder das Auskoppeln kann entsprechend wie das Einkoppeln erfolgen. Dabei muss nicht zwingend das Auskoppeln mit derselben Methode wie das Einkoppeln erfolgen, vielmehr sind auch Kombinationen verschiedener Methoden möglich. So kann zum Beispiel die Einkopplung mittels eines Spiegels in einen Randbereich und die Auskopplung mittels eines Strahlteilers erfolgen. Bevorzugt erfolgt das Ausleiten dann, wenn der Referenzlichtstrahl unter einem Winkel eingeleitet wurde, ebenfalls ohne Verwendung eines weiteren optischen Elements, welches vom Beleuchtungslicht berührt würde. Wird das Referenzlicht mittels eines Strahlteilers auf die optische Achse eingekoppelt, so erfolgt auch die Auskopplung unter Nutzung eines Strahlteilers. Die Arten der Strahlteiler können sich auf beiden Seiten des ersten Strahlscanners unterscheiden, in bevorzugten Ausführungsformen sind sie dieselben. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzlichtstrahl mittels eines dichroitischen Strahlteilers auf der optischen Achse eingekoppelt und ebenfalls mit einem dichroitischen Strahlteiler wieder ausgekoppelt. The output or the decoupling can take place in the same way as the coupling. The decoupling does not necessarily have to take place using the same method as the coupling; combinations of different methods are also possible. For example, the coupling can take place using a mirror in an edge area and the decoupling can take place using a beam splitter. The output preferably takes place when the reference light beam was introduced at an angle, also without using another optical element that would be touched by the illumination light. If the reference light is coupled onto the optical axis using a beam splitter, the decoupling also takes place using a beam splitter. The types of beam splitters can differ on both sides of the first beam scanner; in preferred embodiments they are the same. In a preferred embodiment, the reference light beam is coupled onto the optical axis using a dichroic beam splitter and also decoupled again using a dichroic beam splitter.
Sofern ein Referenzlichtstrahl verwendet wird, der auf Grund seiner Eigenschaften, zum Beispiel auf Grund seiner Polarisation, von einem weiteren Strahlscanner oder mehreren weiteren Strahlscannern der Ablenkeinrichtung nicht ablenkbar ist, so kann der Referenzlichtstrahl auch derart in den Strahlengang des Beleuchtungslichtstrahls eingekoppelt oder eingeleitet werden, dass der Referenzlichtstrahlengang neben dem ersten Strahlscanner auch den oder die betreffenden weiteren Strahlscanner umfasst. If a reference light beam is used which, due to its properties, for example due to its polarization, cannot be deflected by another beam scanner or several other beam scanners of the deflection device, the reference light beam can also be coupled or introduced into the beam path of the illumination light beam in such a way that the reference light beam path includes the other beam scanner(s) in question in addition to the first beam scanner.
Der Referenzlichtstrahl kann als kollimierter, konvergenter oder divergenter Lichtstrahl in den Strahlengang des Beleuchtungslichtstrahls eingekoppelt oder eingeleitet werden oder das Referenzlicht kann bei der Einkopplung oder Einleitung insbesondere zwei unterschiedliche Anteile, beispielsweise einen kollimierten und einen konvergenten Anteil aufweisen. Wenn das Referenzlicht solche unterschiedlichen Anteile aufweist, ist es bevorzugt, dass es sich zusätzlich entweder noch in einer weiteren Eigenschaft, beispielsweise der Wellenlänge oder der Polarisation von dem Beleuchtungslicht unterscheidet oder aber, dass die Anteile voneinander getrennt eingekoppelt werden. „Voneinander getrennt“ kann dabei beispielsweise bedeuten örtlich getrennt und parallel oder unter unterschiedlichen Winkeln oder zeitlich getrennt, z.B. indem intermittierend kurze Pulse eingekoppelt werden. Wesentlich bei der Nutzung mehrerer unterschiedlicher Anteile ist, dass die Anteile nach dem Scanner getrennt detektiert werden können. The reference light beam can be coupled or introduced into the beam path of the illumination light beam as a collimated, convergent or divergent light beam, or the reference light can have two different components, for example a collimated and a convergent component, when coupled or introduced. If the reference light has such different components, it is preferred that it additionally either differs from the illuminating light in another property, such as wavelength or polarization, or that the components are coupled in separately from one another. "Separated from one another" can mean, for example, spatially separated and parallel or at different angles or temporally separated, e.g. by coupling in short pulses intermittently. When using several different components, it is essential that the components can be detected separately after the scanner.
Der Referenzlichtstrahl kann weiterhin derart eingekoppelt oder eingeleitet werden, dass er im Strahlengangabschnitt, den er mit dem Beleuchtungslichtstrahl gemeinsam hat, jeweils einen dem des Beleuchtungslichtstrahls entsprechenden Zustand hinsichtlich seiner Konvergenz oder Divergenz oder insbesondere hinsichtlich einer Lage eines Fokus innerhalb dieses Strahlengangabschnitts aufweist. The reference light beam can further be coupled or introduced in such a way that, in the beam path section that it has in common with the illumination light beam, it has a state corresponding to that of the illumination light beam with regard to its convergence or divergence or in particular with regard to a position of a focus within this beam path section.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Referenzlicht oder ein Anteil des Referenzlichts kollimiert mittels eines Strahlteilers auf die optische Achse eingekoppelt und nach dem ersten Strahlscanner an einem Ort wieder ausgekoppelt, an dem der Referenzlichtstrahl ebenfalls kollimiert ist. Die Lage solcher Orte kann der Fachmann in einem gegebenen Strahlengang leicht bestimmen. In a preferred embodiment, the reference light or a portion of the reference light is collimated and coupled onto the optical axis by means of a beam splitter and, after the first beam scanner, is coupled out again at a location where the reference light beam is also collimated. The position of such locations can easily be determined by a person skilled in the art in a given beam path.
Innerhalb eines Quad-Scanners, wie er beispielsweise in Mikroskopen der Anmelderin genutzt wird, das heißt zwischen dem ersten und dem letzten Kippspiegel eines Quad-Scanners, befinden sich keine abbildenden optischen Elemente. Dementsprechend kann bei Nutzung eines Quad-Scanners eine kollimierte Einkopplung oder Einleitung benachbart zu einem der entlang dem Strahlengang äußeren Spiegel und die Auskopplung oder Ausleitung benachbart zu dem entlang dem Strahlengang entgegengesetzten äußeren Spiegel erfolgen. Gemäß dem Funktionsprinzip eines Quad-Scanners (siehe z.B. DE 103 39 134 A1 oder WO 2010/069 987 A1) lenkt ein Quad-Scanner in einem Mikroskop, das ein Objektiv aufweist, einen Beleuchtungslichtstrahl in einer Weise ab, dass für jeden Ablenkwinkel die Achse des Beleuchtungslichtstrahls für jeden Ablenkwinkel die optische Achse des Objektivs in der Pupille, d.h. der hinteren Fokalebene des Objektivs schneidet. In einem typischen Mikroskopaufbau mit Quad-Scanner kann dabei im Strahlengang des Beleuchtungslichts vor dem Scanner ein erstes optisches Element, beispielsweise eine Linse angeordnet sein, die auf die Linse treffendes, kollimiertes Beleuchtungslicht in den Scanner hinein fokussiert, und nach dem Quad-Scanner ein zweites optisches Element, zum Beispiel eine Linse angeordnet sein, die das Beleuchtungslicht nach dem Fokus wieder kollimiert, sodass es kollimiert in das Objektiv eintritt, wobei ein Winkel des Beleuchtungslichtstrahls zu der optischen Achse des Objektivs, und damit die Lage des Fokus des Beleuchtungslichts in der Probe, von der Stellung des Quad-Scanners abhängt. Bilden das Objektiv und das zweite optische Element ein telezentrisches System, ist die Bedingung, dass die Achse des Beleuchtungslichtstrahls die optische Achse des Objektivs für alle Einstellungen des Scanners in der hinteren Fokalebene oder der Pupille schneidet, dann erfüllt, wenn für alle verschiedenen Einstellungen des Scanners die Beleuchtungslichtstrahlen nach dem letzten Spiegel des Scanners und vor dem zweiten optischen Element zueinander und zu der optischen Achse parallel verlaufen, das heißt, wenn der Scanner den Beleuchtungslichtstrahl ausschließlich versetzt, aber nicht verkippt. Die Änderung der Lage des Fokuspunktes des Beleuchtungslichts in der Probe durch den Scanner ist dann unmittelbar abhängig von der durch den Scanner verursachten Änderung des Versatzes des Beleuchtungslichts. Dieselbe Änderung des Versatzes wird nun einem Referenzlichtstrahl aufgeprägt. Wird der Referenzlichtstrahl derart in den Strahlengang des Beleuchtungslichts eingekoppelt oder unter einem flachen Winkel eingeleitet, dass er den gesamten Scanner als kollimierter Strahl passiert, so kann der Versatz des Referenzlichtstrahls und damit die Änderung des Versatzes des Beleuchtungslichtstrahls auf einfache Weise bestimmt werden, indem der Referenzlichtstrahl in Richtung des Referenzlichtstrahls nach dem Scanner und vor dem ersten oder dem zweiten optischen Element ausgeleitet oder ausgekoppelt, je nachdem, ob der Referenzlichtstrahl in Richtung des Beleuchtungslichtstrahls oder diesem entgegen propagiert, und kollimiert auf einen positionsempfindlichen oder ortsauflösenden Detektor, der ein wesentliches Element der Messeinrichtung zur Erfassung - hier - der Lage des Referenzlichtstrahls nach dem Scanner ist, geleitet wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzlichtstrahl in Richtung des Referenzlichtstrahls nach dem Scanner und vor dem ersten oder dem zweiten optischen Element ausgeleitet oder ausgekoppelt und auf einen positionsempfindlichen oder ortsauflösenden Detektor fokussiert werden, der dann ein wesentliches Element der Messeinrichtung zur Erfassung der - hier - Richtung des Referenzlichtstrahls ist. Die Lage des Fokus würde sich bei idealer Funktion des Scanners nicht ändern. Sie ist ein Maß für die Winkeländerung, die der Scanner dem Referenzlichtstrahl und damit auch dem Beleuchtungslichtstrahl aufprägt. Diese Winkeländerung, die mit der Messeinrichtung erfasst wird, führt zu einer Lageänderung des Beleuchtungslichtstrahls in der hinteren Fokalebene, das heißt der Pupille des Objektivs. Die Erfassung dieser Lageänderung ermöglicht, auf die Änderung der Güte der Anregungslichtverteilung und eine aus der Lageänderung in der Pupille resultierende Verlagerung des Fokuspunktes in der Probe zu schließen. There are no imaging optical elements within a quad scanner, such as is used in the applicant's microscopes, i.e. between the first and last tilting mirror of a quad scanner. Accordingly, when using a quad scanner, a collimated coupling or introduction can take place adjacent to one of the outer mirrors along the beam path and the coupling or exit can take place adjacent to the outer mirror opposite along the beam path. According to the functional principle of a quad scanner (see e.g. DE 103 39 134 A1 or WO 2010/069 987 A1), a quad scanner in a microscope having an objective deflects an illuminating light beam in such a way that for each deflection angle the axis of the illuminating light beam intersects the optical axis of the objective in the pupil, i.e. the rear focal plane of the objective. In a typical microscope setup with a quad scanner, a first optical element, for example a lens, can be arranged in the beam path of the illumination light in front of the scanner, which focuses collimated illumination light hitting the lens into the scanner, and a second optical element, for example a lens, can be arranged after the quad scanner, which collimates the illumination light again after the focus, so that it enters the lens in a collimated state, whereby an angle of the illumination light beam to the optical axis of the lens, and thus the position of the Focus of the illumination light in the sample depends on the position of the quad scanner. If the lens and the second optical element form a telecentric system, the condition that the axis of the illumination light beam intersects the optical axis of the lens for all scanner settings in the rear focal plane or the pupil is met if, for all different scanner settings, the illumination light beams after the last mirror of the scanner and before the second optical element run parallel to each other and to the optical axis, i.e. if the scanner only offsets the illumination light beam but does not tilt it. The change in the position of the focal point of the illumination light in the sample by the scanner is then directly dependent on the change in the offset of the illumination light caused by the scanner. The same change in offset is now impressed on a reference light beam. If the reference light beam is coupled into the beam path of the illumination light or introduced at a shallow angle in such a way that it passes through the entire scanner as a collimated beam, the offset of the reference light beam and thus the change in the offset of the illumination light beam can be determined in a simple manner by directing or decoupleing the reference light beam in the direction of the reference light beam after the scanner and before the first or second optical element, depending on whether the reference light beam propagates in the direction of the illumination light beam or against it, and collimating it onto a position-sensitive or spatially resolving detector, which is an essential element of the measuring device for detecting - here - the position of the reference light beam after the scanner. Alternatively or additionally, the reference light beam can be directed or decoupled in the direction of the reference light beam after the scanner and before the first or second optical element and focused onto a position-sensitive or spatially resolving detector, which is then an essential element of the measuring device for detecting the - here - direction of the reference light beam. The position of the focus would not change if the scanner were functioning ideally. It is a measure of the change in angle that the scanner imposes on the reference light beam and thus also on the illumination light beam. This change in angle, which is recorded with the measuring device, leads to a change in the position of the illumination light beam in the rear focal plane, i.e. the pupil of the objective. Recording this change in position makes it possible to draw conclusions about the change in the quality of the excitation light distribution and a shift in the focus point in the sample resulting from the change in position in the pupil.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen und den zugehörigen Erläuterungen zu den Zeichnungen. Die beschriebenen Vorteile von Merkmalen und/oder Merkmalskombinationen der Erfindung sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen. Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts (aber nicht des Schutzbereichs) der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten relativen Anordnungen und Wirkverbindungen - zu entnehmen. Advantageous developments of the invention result from the patent claims, the description and the drawings and the associated explanations of the drawings. The described advantages of features and/or combinations of features of the invention are merely exemplary and can be effective alternatively or cumulatively. The following applies with regard to the disclosure content (but not the scope of protection) of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the relative arrangements and active connections shown.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible, deviating from the selected references of the patent claims, and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Likewise, features listed in the patent claims can be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent patent claims of the granted patent.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen. The reference signs contained in the patent claims do not represent a limitation of the scope of the subject matter protected by the patent claims. They serve only the purpose of making the patent claims easier to understand.
Kurzbeschreibung der Figuren Short description of the characters
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer Referenzlichtquelle. Fig. 1 shows an embodiment of a microscope according to the invention with a reference light source.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops, bei der einFig. 2 shows an embodiment of a microscope according to the invention, in which a
Referenzlichtstrahl aus Licht einer Beleuchtungslichtquelle abgeteilt wird. Reference light beam is split from light from an illumination light source.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops, bei der einFig. 3 shows an embodiment of a microscope according to the invention, in which a
Referenzlichtstrahl aus einer Referenzlichtquelle gegenläufig zum Beleuchtungslichtstrahl verläuft. Reference light beam from a reference light source runs in the opposite direction to the illumination light beam.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops, die eine Messeinrichtung, deren Signal analog auf einen Strahlscanner rückgekoppelt wird, aufweist. Fig. 4 shows an embodiment of a microscope according to the invention, which has a measuring device whose signal is fed back analogously to a beam scanner.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung einer Verkippung. Fig. 5 shows a section of an embodiment of a microscope according to the invention with a measuring device for determining a tilt.
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung einer Verkippung mit vergrößertem Messbereich. Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung einer Verkippung mit vergrößertem Messbereich und verbesserter Empfindlichkeit. Fig. 6 shows a section of an embodiment of a microscope according to the invention with a measuring device for determining a tilt with an enlarged measuring range. Fig. 7 shows a section of a further embodiment of a microscope according to the invention with a measuring device for determining a tilt with an enlarged measuring range and improved sensitivity.
Fig. 8 zeigt einen Teil der Messeinrichtung des in Fig. 7 gezeigten Mikroskops im Detail. Fig. 8 shows a part of the measuring device of the microscope shown in Fig. 7 in detail.
Fig. 9 zeigt beispielhafte Messdaten, die mit der Messeinrichtung des in Fig. 7 gezeigten Mikroskops aufgenommen werden können. Fig. 9 shows exemplary measurement data that can be recorded with the measuring device of the microscope shown in Fig. 7.
Fig. 10zeigt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung einer Verlagerung. Fig. 10 shows a section of an embodiment of a microscope according to the invention with a measuring device for determining a displacement.
Beschreibung der Figuren Description of the characters
In Fig. 1, Fig. 2 und in Fig. 3 ist jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops 1 dargestellt. Das Mikroskop 1 weist in den dargestellten Ausführungsformen eine Lichtquelle 2 zur Erzeugung eines Beleuchtungslichts auf. Das von dieser Lichtquelle 2 ausgehende Beleuchtungslicht bildet einen Beleuchtungslichtstrahl B, der durch optische Elemente, die einen Beleuchtungslicht-Strahlengang ausbilden, in einen Probenbereich 7 geleitet wird, sodass in einer in den Probenbereich 7 eingebrachten Probe 8 ein Fokus derart ausgebildet wird, dass in dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts an ein Intensitätsminimum des Beleuchtungslichts in einem Fokuspunkt in mindestens einer Richtung beiderseits Intensitätsanstiegsbereiche angrenzen, was konkret bedeuten kann, dass in der Probe ein 2D- Donut oder ein 3D-Donut ausgebildet wird. Der Probenbereich 7 ist jeweils auf einem verstellbaren Probentisch 20 ausgebildet. Die in diesen Figuren dargestellten Ausführungsformen des Mikroskops 1 weisen jeweils einen schnellen, einstellbaren Scanner auf, der hier konkret ein EOD-Scanner 11 ist, und sie weisen alle einen mechanischen Strahlscanner 10 auf, und in allen dargestellten Ausführungsformen bilden der mechanische Scanner 10 und der EOD-Scanner 11 eine Ablenkeinheit 9. Alle in diesen Figuren dargestellten Ausführungsformen des Mikroskops 1 weisen einen Lichtmodulator auf, der hier konkret als Phasenfilter 3 ausgebildet ist. Als Phasenfilter 3 kann eine statische Phasenplatte, zum Beispiel eine Vortex-Phasenplatte odereine annular phase plate eingesetzt werden oder aber einstellbare Phasenmodulatoren. Insbesondere einstellbare Phasenmodulatoren können reflektive Elemente sein. Lediglich aus Gründen der Einfachheit ist in allen Figuren ein transmissiver Phasenfilter 3 dargestellt. Die in den genannten Figuren dargestellten Ausführungsformen des Mikroskops 1 weisen jeweils einen Hauptstrahlteiler 4 auf, der das Beleuchtungslicht passieren lässt, aus der Probe 8 stammende Emissionen 19 aber auf eine Detektionseinrichtung 12 umlenkt. Die in den genannten Figuren dargestellten Ausführungsformen des Mikroskops 1 weisen jeweils weiter einen mechanischen Scanner 10 auf, der den Beleuchtungslichtstrahl B ablenkt, eine X/4-Platte 5 zur Einstellung einer Polarisation des Beleuchtungslichts im Hinblick auf das Ausbilden eines Intensitätsminimums möglichst geringer Intensität und ein Objektiv 6, welches den Beleuchtungslichtstrahl B in die Probe 8 in dem Probenbereich 7 fokussiert. In Fig. 1, Fig. 2 and in Fig. 3 each an embodiment of the microscope 1 according to the invention is shown. In the embodiments shown, the microscope 1 has a light source 2 for generating an illumination light. The illumination light emanating from this light source 2 forms an illumination light beam B, which is guided into a sample region 7 by optical elements that form an illumination light beam path, so that a focus is formed in a sample 8 introduced into the sample region 7 such that in the focus region of the illumination light, an intensity minimum of the illumination light in a focus point is bordered on both sides in at least one direction by intensity increase regions, which can specifically mean that a 2D donut or a 3D donut is formed in the sample. The sample region 7 is formed on an adjustable sample table 20. The embodiments of the microscope 1 shown in these figures each have a fast, adjustable scanner, which is specifically an EOD scanner 11 here, and they all have a mechanical beam scanner 10, and in all embodiments shown the mechanical scanner 10 and the EOD scanner 11 form a deflection unit 9. All embodiments of the microscope 1 shown in these figures have a light modulator, which is specifically designed as a phase filter 3 here. A static phase plate, for example a vortex phase plate or an annular phase plate, or adjustable phase modulators can be used as the phase filter 3. Adjustable phase modulators in particular can be reflective elements. For reasons of simplicity, a transmissive phase filter 3 is shown in all figures. The embodiments of the microscope 1 shown in the figures mentioned each have a main beam splitter 4, which allows the illumination light to pass through, but redirects emissions 19 originating from the sample 8 to a detection device 12. The embodiments of the microscope 1 shown in the figures mentioned each have a mechanical Scanner 10 which deflects the illumination light beam B, an X/4 plate 5 for adjusting a polarization of the illumination light with a view to forming an intensity minimum of the lowest possible intensity and an objective 6 which focuses the illumination light beam B into the sample 8 in the sample region 7.
Die in den genannten Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen des Mikroskops 1 weisen jeweils weiter eine Messeinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist, eine Lage und/oder eine Richtung eines Referenzlichtstrahls R, der von einem ersten Strahlscanner 18 abgelenkt und/oder verlagert ist, zu erfassen. Die Messeinrichtung 13 weist in den dargestellten Ausführungsformen des Mikroskops 1 jeweils einen Signalausgang 13a auf, über den ein Signal S, das indikativ für eine Position des Fokuspunktes in der Probe ist, an eine Rechen- und Steuereinheit 17 ausgegeben wird. Die Ausgabe erfolgt bevorzugt über eine, jeweils nicht explizit dargestellte, feste Steuerleitung. Die Rechen- und Steuereinheit 17 kann beispielsweise FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) und eine Speichereinrichtung, beides nicht gesondert dargestellt, aufweisen. Insbesondere ist die Rechen- und Steuereinheit 17 so ausgebildet, dass in der Speichereinrichtung dem Signal S oder einer aus dem Signal bestimmten Position des Fokuspunktes oder der Abweichung der Position des Fokuspunktes von einer jeweils zugehörigen Sollposition entsprechende Positionswerte speicherbar sind, wobei die Positionswerte zeitlich zuordenbar oder zeitlich zugeordnet zu Messwerten der Detektionseinrichtung 12 zur Erfassung von Emissionen aus dem Fokusbereich des Beleuchtungslichts speicherbar sind. Die Rechen- und Steuereinheit 17 empfängt in den dargestellten Ausführungsformen des Mikroskops 1 jeweils Messwerte der Detektionseinrichtung 12, was in den Figuren 1 bis 3 jeweils durch eine gepunktete Linie symbolisiert ist. Durch eine weitere gepunktete Linie ist angedeutet, dass ein Steuersignal, welches in der Rechen- und Steuereinheit 17 erzeugt wird, an den EOD-Scanner 11 übergeben wird. Das Steuersignal wird so gewählt, dass eine Abtastung für die Durchführung eines MINFLUX-Verfahrens oder eines STED-MINFLUX-Verfahrens erfolgt. Dabei wird auf Basis des Signals S eine Korrektur bestimmt, das heißt es erfolgt eine Rückkopplung oder Regelung der Ablenkeinrichtung 9, konkret insbesondere des EOD-Scanners 11. Diese Rückkopplung und Regelung ist nicht in allen Ausführungen der Erfindung notwendig, sie ist aber vorteilhaft, um die Qualität der Datenaufnahme bei der Durchführung eines MINFLUX-Verfahrens oder eines STED- MINFLUX-Verfahrens zu verbessern. Das Signal S kann aber nicht nur zur Verbesserung der Datenaufnahme, die in der Regel verbunden ist mit einer parallel zur Datenaufnahme ausgeführten ersten Datenauswertung, genutzt werden, sondern es kann genutzt werden, um eine nach Abschluss einer Datenaufnahme durchzuführende Datenauswertung zu verbessern, indem bei der Bestimmung der Lage eines Emitters jeweils die tatsächlichen Abtastpositionen, das heißt die jeweiligen tatsächlichen Positionen des Fokuspunktes in der Probe zu Grunde gelegt werden. Durch eine weitere gepunktete Linie ist angedeutet, dass ein Steuersignal, welches in der Rechen- und Steuereinheit 17 erzeugt wird, an den mechanischen Strahlscanner 10 übergeben wird. Dieses Steuersignal kann während der der Durchführung einer Lokalisation mittels eines MINFLUX-Verfahrens oder eines STED-MINFLUX-Verfahrens statisch sein oder zeitlich variabel. Bei dem Bestimmen des Steuersignals für den mechanischen Scanner 10 kann auch das Signal S der Messeinrichtung 13 berücksichtigt werden. The embodiments of the microscope 1 shown in the above-mentioned Figures 1 to 3 each further comprise a measuring device 13 which is set up to detect a position and/or a direction of a reference light beam R which is deflected and/or displaced by a first beam scanner 18. In the embodiments of the microscope 1 shown, the measuring device 13 each comprises a signal output 13a via which a signal S, which is indicative of a position of the focal point in the sample, is output to a computing and control unit 17. The output preferably takes place via a fixed control line, not explicitly shown in each case. The computing and control unit 17 can, for example, comprise FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) and a memory device, neither of which is shown separately. In particular, the computing and control unit 17 is designed such that position values corresponding to the signal S or a position of the focal point determined from the signal or the deviation of the position of the focal point from a respective associated target position can be stored in the storage device, wherein the position values can be assigned in time or stored in a time-associated manner to measured values of the detection device 12 for detecting emissions from the focus area of the illumination light. In the embodiments of the microscope 1 shown, the computing and control unit 17 receives measured values from the detection device 12, which is symbolized in Figures 1 to 3 by a dotted line. Another dotted line indicates that a control signal generated in the computing and control unit 17 is passed on to the EOD scanner 11. The control signal is selected such that a scan is carried out for carrying out a MINFLUX method or a STED-MINFLUX method. In this case, a correction is determined on the basis of the signal S, i.e. there is feedback or regulation of the deflection device 9, specifically in particular of the EOD scanner 11. This feedback and regulation is not necessary in all embodiments of the invention, but it is advantageous in order to improve the quality of the data acquisition when carrying out a MINFLUX method or a STED-MINFLUX method. However, the signal S can not only be used to improve the data acquisition, which is usually associated with a first data evaluation carried out in parallel with the data acquisition, but it can also be used to improve a data evaluation to be carried out after the completion of a data acquisition by taking into account the actual scanning positions when determining the position of an emitter, that is, the respective actual positions of the focal point in the sample are used as a basis. Another dotted line indicates that a control signal, which is generated in the computing and control unit 17, is passed on to the mechanical beam scanner 10. This control signal can be static during the implementation of a localization using a MINFLUX method or a STED-MINFLUX method, or it can vary over time. When determining the control signal for the mechanical scanner 10, the signal S of the measuring device 13 can also be taken into account.
Mittels des jeweils in den Figuren dargestellten verstellbaren Probentischs 20 kann dafür Sorge getragen werden, dass die Ablenkeinrichtung 9 während der Durchführung eines MINFLUX- Verfahrens oder eines STED-MINFLUX-Verfahrens mit Einstellungen nahe einer Nullstellung, insbesondere nahe einer Nullstellung des mechanischen Scanners 10, betrieben werden kann, indem die Probe 8 mittels des Probentischs 20 regelmäßig in das Zentrum des von der Ablenkeinrichtung 9 abtastbaren Bereichs geschoben wird. Hierdurch werden die Anforderungen an die Messeinrichtung 13 reduziert, da sich der zu erfassende Messbereich der Lage und/oder einer Richtung des Referenzlichtstrahls R reduziert. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft entsprechend ausgeführt werden. By means of the adjustable sample table 20 shown in the figures, it can be ensured that the deflection device 9 can be operated during the implementation of a MINFLUX method or a STED-MINFLUX method with settings close to a zero position, in particular close to a zero position of the mechanical scanner 10, by regularly pushing the sample 8 into the center of the area that can be scanned by the deflection device 9 using the sample table 20. This reduces the requirements for the measuring device 13, since the measuring range to be recorded of the position and/or a direction of the reference light beam R is reduced. Accordingly, the method according to the invention can advantageously be carried out accordingly.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Mikroskop 1 bildet der mechanische Strahlscanner 10 den ersten Strahlscanner 18 aus und der erste Strahlscanner 18 bildet gemeinsam mit dem EOD-Scanner 11 eine Ablenkeinrichtung 9 aus. In dieser Ausführung ist alleine der mechanische Strahlscanner 10 der erste Strahlscanner 18, von dem der Referenzlichtstrahl R abgelenkt und/oder verlagert wird. Das Mikroskop 1 weist in dieser Ausführung eine Referenzlichtquelle 16 auf. Der Referenzlichtstrahl R wird mittels eines Strahlteilers, der in der Folge als zweiter Strahlteiler 15 bezeichnet wird, auf eine optische Achse des Mikroskops 1 eingekoppelt, entlang der der Beleuchtungslichtstrahl B propagiert, wenn die Ablenkeinrichtung 9 auf eine Nullstellung eingestellt ist. Der Referenzlichtstrahl R ist aus Gründen der besseren Darstellbarkeit etwas parallel versetzt dargestellt. Der Referenzlichtstrahl R propagiert nach dem Strahlteiler 15 entlang des Beleuchtungsstrahlengangs und wird jeweils entsprechend der Einstellung des ersten Strahlscanners 18, der von dem mechanischen Scanner 10 ausgebildet ist, in derselben Weise abgelenkt und/oder verlagert wie der Beleuchtungslichtstrahl B. Nach dem ersten Strahlscanner 18 befindet sich ein weiterer Strahlteiler, der hier als erster Strahlteiler 14 bezeichnet wird. Der erste Strahlteiler 14 trennt den Referenzlichtstrahl R von dem Beleuchtungslichtstrahl B ab und leitet ihn in Richtung der Messeinrichtung 13. Sowohl der erste Strahlteiler 14 als auch der zweite Strahlteiler 15 sind auf einen Unterschied zwischen dem Referenzlichtstrahl R und dem Beleuchtungslichtstrahl B abgestimmt, beispielsweise auf unterschiedliche Polarisationen oder unterschiedliche Wellenlängen. In the embodiment of the microscope 1 shown in Fig. 1, the mechanical beam scanner 10 forms the first beam scanner 18 and the first beam scanner 18 forms a deflection device 9 together with the EOD scanner 11. In this embodiment, the mechanical beam scanner 10 alone is the first beam scanner 18, by which the reference light beam R is deflected and/or shifted. In this embodiment, the microscope 1 has a reference light source 16. The reference light beam R is coupled by means of a beam splitter, which is referred to below as the second beam splitter 15, onto an optical axis of the microscope 1, along which the illumination light beam B propagates when the deflection device 9 is set to a zero position. The reference light beam R is shown offset slightly parallel for reasons of better representation. The reference light beam R propagates after the beam splitter 15 along the illumination beam path and is deflected and/or shifted in the same way as the illumination light beam B according to the setting of the first beam scanner 18, which is formed by the mechanical scanner 10. After the first beam scanner 18 there is another beam splitter, which is referred to here as the first beam splitter 14. The first beam splitter 14 separates the reference light beam R from the illumination light beam B and directs it in the direction of the measuring device 13. Both the first beam splitter 14 and the second beam splitter 15 are set to a difference between the reference light beam R and the illumination light beam B. tuned, for example to different polarizations or different wavelengths.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Mikroskops 1 bilden der EOD-Scanner 11 und der mechanische Strahlscanner 10 den ersten Strahlscanner 18 aus, wobei der erste Strahlscanner 18, gebildet aus EOD-Scanner 11 und mechanischem Strahlscanner 10, hier die gesamte Ablenkeinrichtung 9 ausbildet. In dieser Ausführung ist der schnelle, einstellbare Scanner, konkret der EOD-Scanner 11 , eine Komponente des ersten Strahlscanners 18, von dem der Referenzlichtstrahl R abgelenkt und/oder verlagert wird. Das in Fig. 2 dargestellte Mikroskop 1 weist im Beleuchtungsstrahlengang nach dem mechanischen Scanner 10 einen ersten Strahlteiler 14 auf, der den Referenzlichtstrahl R von dem Beleuchtungslichtstrahl B abtrennt und ihn in Richtung der Messeinrichtung 13 leitet. In der konkret dargestellten Ausführungsform wird der Referenzlichtstrahl R von der Lichtquelle 2 für das Beleuchtungslicht erzeugt und durchläuft gemeinsam mit dem Beleuchtungslichtstrahl B als gemeinsamer Lichtstrahl alle optischen Elemente bis zu dem ersten Strahlteiler 14. Der Referenzlichtstrahl R erfährt somit bis zum ersten Strahlteiler 14 identische Ablenkungen und/oder Verlagerungen wie der Beleuchtungslichtstrahl B. Der Strahlteiler 14 teilt nun einen Anteil, beispielsweise die Hälfte, des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahls ab. Da der von dem ersten Strahlscanner 18 abgelenkte und/oder verlagerte Referenzlichtstrahls R in dieser Ausführungsform des Mikrokops 1 eine Phasenmodulation erfahren hat, wird in dieser Ausführungsform des Mikroskops 1 bevorzugt eine hierauf abgestimmte Ausführungsform der Messeinrichtung 13 verwendet. In the embodiment of the microscope 1 shown in Fig. 2, the EOD scanner 11 and the mechanical beam scanner 10 form the first beam scanner 18, wherein the first beam scanner 18, formed from the EOD scanner 11 and the mechanical beam scanner 10, forms the entire deflection device 9 here. In this embodiment, the fast, adjustable scanner, specifically the EOD scanner 11, is a component of the first beam scanner 18, by which the reference light beam R is deflected and/or shifted. The microscope 1 shown in Fig. 2 has a first beam splitter 14 in the illumination beam path after the mechanical scanner 10, which separates the reference light beam R from the illumination light beam B and directs it in the direction of the measuring device 13. In the specific embodiment shown, the reference light beam R is generated by the light source 2 for the illumination light and, together with the illumination light beam B, passes through all optical elements as a common light beam up to the first beam splitter 14. The reference light beam R thus undergoes identical deflections and/or displacements as the illumination light beam B up to the first beam splitter 14. The beam splitter 14 now splits off a portion, for example half, of the light beam emanating from the light source. Since the reference light beam R deflected and/or displaced by the first beam scanner 18 has undergone phase modulation in this embodiment of the microscope 1, an embodiment of the measuring device 13 that is coordinated with this is preferably used in this embodiment of the microscope 1.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des Mikroskops 1 bildet, wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Mikroskops 1 , der mechanische Strahlscanner 10 den ersten Strahlscanner 18 aus und der erste Strahlscanner 18 bildet gemeinsam mit dem EOD-Scanner 11 eine Ablenkeinrichtung 9 aus. Die dargestellte Ausführungsform des Mikroskops 1 weist eine Referenzlichtquelle 16 auf. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Mikroskops 1 wird der Referenzlichtstrahl R, der von der Referenzlichtquelle 16 ausgeht, nicht mittels eines Strahlteilers in den Strahlengang des Beleuchtungslichts eingekoppelt, sondern es wird der Referenzlichtstrahl R unter einem flachen Winkel, der in der Figur aus Gründen der Einfachheit nicht winkelgetreu eingezeichnet ist, in den Beleuchtungslichtstrahlengang eingeleitet, derart dass der Referenzlichtstrahl R und der Beleuchtungslichtstrahl B in einander entsprechender Weise von dem ersten Strahlscanner 18, der hier mit dem mechanischen Strahlscanner 10 identisch ist, abgelenkt und/oder verlagert werden. Dementsprechend wird der Referenzlichtstrahl R entsprechend auf der anderen Seite des ersten Strahlscanners 18 unter einem flachen Winkel aus dem Strahlengang des Beleuchtungslichts ausgeleitet. Auch in einer Nullstellung des mechanischen Scanners 10 muss der Winkel, unter dem der Referenzlichtstrahl R eingeleitet wird, nicht identisch sein mit dem Winkel, unter dem der Referenzlichtstrahl R auf der anderen Seite ausgeleitet wird. Die Beziehung dieser beiden Winkel hängt vielmehr davon ab, welche abbildenden Elemente der erste Strahlscanner 18 umfasst. Ein weiterer Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Mikroskops 1 besteht darin, dass der Referenzlichtstrahl R in Gegenrichtung zum Beleuchtungslichtstrahl B durch den ersten Strahlscanner 18 durchgeleitet wird. In the embodiment of the microscope 1 shown in Fig. 3, as in the embodiment of the microscope 1 shown in Fig. 1, the mechanical beam scanner 10 forms the first beam scanner 18 and the first beam scanner 18 forms a deflection device 9 together with the EOD scanner 11. The embodiment of the microscope 1 shown has a reference light source 16. In contrast to the embodiment of the microscope 1 shown in Fig. 1, the reference light beam R, which emanates from the reference light source 16, is not coupled into the beam path of the illumination light by means of a beam splitter, but the reference light beam R is introduced into the illumination light beam path at a flat angle, which is not shown at an accurate angle in the figure for reasons of simplicity, such that the reference light beam R and the illumination light beam B are deflected and/or shifted in a corresponding manner by the first beam scanner 18, which is identical here to the mechanical beam scanner 10. Accordingly, the reference light beam R is guided out of the beam path of the illumination light at a flat angle on the other side of the first beam scanner 18. Even in a zero position of the mechanical scanner 10, the angle at which the Reference light beam R is introduced may not be identical to the angle at which the reference light beam R is guided out on the other side. Rather, the relationship between these two angles depends on which imaging elements the first beam scanner 18 comprises. A further difference from the embodiment of the microscope 1 shown in Fig. 1 is that the reference light beam R is guided through the first beam scanner 18 in the opposite direction to the illumination light beam B.
Die Eigenschaften der Ausführungsformen der Fig. 1 und der Fig. 3 könnten auch kombiniert werden. Es könnte also eine Einleitung des Referenzlichtstrahls R unter einem flachen Winkel, aber in Richtung des Beleuchtungslichtstrahls B erfolgen, oder es könnte umgekehrt eine Einkopplung mittels eines Strahlteilers gegenläufig zum Beleuchtungslicht erfolgen. The properties of the embodiments of Fig. 1 and Fig. 3 could also be combined. The reference light beam R could therefore be introduced at a flat angle, but in the direction of the illumination light beam B, or conversely it could be coupled in by means of a beam splitter in the opposite direction to the illumination light.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform entspricht in den meisten Punkten der in Fig. 3 dargestellten. Die Referenzlichtquelle 16 und die Messeinrichtung 13 sind an etwas anderen Positionen eingezeichnet. Im Unterschied zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform weist die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform eine Analogleitung 21 auf, mittels der ein Analogsignal, das die Messeinrichtung 13 in Verbindung mit einem Analogverstärker erzeugt, auf den EOD- Scanner 11 als Regelsignal rückgekoppelt wird. Der Analogverstärker kann auch als integraler Bestandteil der Messeinrichtung 13 aufgefasst werden und ist deswegen nicht separat eingezeichnet. Die Messeinrichtung 13 kann insbesondere auf einer positionsempfindlichen Diode basieren. The embodiment shown in Fig. 4 corresponds in most respects to that shown in Fig. 3. The reference light source 16 and the measuring device 13 are shown in slightly different positions. In contrast to the embodiment shown in Fig. 3, the embodiment shown in Fig. 4 has an analog line 21, by means of which an analog signal that the measuring device 13 generates in conjunction with an analog amplifier is fed back to the EOD scanner 11 as a control signal. The analog amplifier can also be regarded as an integral component of the measuring device 13 and is therefore not shown separately. The measuring device 13 can in particular be based on a position-sensitive diode.
Die Figuren 1 bis 4 sind schematische Darstellungen, in denen nicht alle Elemente, die typischerweise vorhanden sind, beispielsweise Linsen zum Fokussieren oder zum Kollimieren des Beleuchtungslichtstrahls B oder des Referenzlichtstrahls R, auch eingezeichnet sind. Figures 1 to 4 are schematic representations in which not all elements that are typically present, for example lenses for focusing or collimating the illumination light beam B or the reference light beam R, are also shown.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt einer Ausführungsform des Mikroskops 1 dargestellt. Der Ausschnitt enthält die Referenzlichtquelle 16, den zweiten Strahlteiler 15, den mechanischen Strahlscanner 10, der hier den ersten Strahlscanner 18 ausbildet und den ersten Strahlteiler 14. Neben diesen Elementen eines Referenzlichtstrahlengangs enthält der dargestellte Ausschnitt die X/4-Platte 5, das Objektiv 6, den Probenbereich 7 mit der Probe 8, die auf dem verstellbaren Probentisch 20 platziert ist. Die vorgenannten Elemente sind in derselben Weise angeordnet wie in Fig. 1 , auf die hiermit verwiesen wird. Im Unterschied zu der Darstellung der Fig. 1 sind hier eine Eintrittslinse 22 und eine Austrittslinse 23 dargestellt, die den mechanischen Scanner 10 begrenzen und hier als Elemente des mechanischen Scanners 10 aufzufassen sind; dies bedeutet nicht, dass die Linsen 22,23 ein gemeinsames Bauteil bilden, sondern es bedeutet lediglich, dass sie in der Terminologie dieser Anmeldung funktional Bestandteile des mechanischen Strahlscanners 10 und somit des ersten Strahlscanners 18 sind. Zwischen der Austrittslinse 23 und dem Objektiv 6 ist kein den Strahl formendes Element, das heißt insbesondere keine Linse, eingezeichnet. Während die Figuren 1 bis 4 schematische Darstellungen sind, in denen nicht alle Elemente, die typischerweise vorhanden sind, beispielsweise Linsen zum Fokussieren oder zum Kollimieren des Beleuchtungslichtstrahls B oder des Referenzlichtstrahls R, auch eingezeichnet sind, ist Fig. 5 so zu verstehen, dass in der dargestellten Ausführungsform des Mikroskops 1 zwischen der Austrittslinse 23 und dem Objektiv 6 tatsächlich kein den Strahl formendes Element, das heißt insbesondere keine Linse, vorhanden ist. Das Mikroskop 1 weist in dieser Ausführungsform eine Messeinrichtung 13 mit einem Signalausgang 13a auf. Die Messeinrichtung 13 dieser Ausführungsform weist eine Linse 25 auf. Der Referenzlichtstrahl R wird mittels des zweiten Strahlteilers 15 in den Beleuchtungsstrahlengang eingekoppelt. An dem zweiten Strahlteiler 15 ist der Referenzlichtstrahl R kollimiert. Der Referenzlichtstrahl R und der Beleuchtungslichtstrahl B treten an der Eintrittslinse 22 kollimiert in den ersten Strahlscanner 18 ein und treten an der Austrittslinse 23 ebenfalls kollimiert aus dem ersten Strahlscanner 18 aus. Beim Austreten aus dem Strahlscanner 18 sind der Beleuchtungslichtstrahl B und der Referenzlichtstrahl R durch den ersten Strahlscanner 18 in derselben Weise verkippt worden. Dies bedeutet nicht, dass sie mit demselben Kippwinkel aus dem ersten Strahlscanner 18 austreten, da zum Beispiel insbesondere der Beleuchtungslichtstrahl B entsprechend einer Einstellung eines hier nicht eingezeichneten weiteren Strahlscanners, zum Beispiel eines EOD-Scanners, gegen die optische Achse des weiteren Strahlscanners, die dieser in einer Nullstellung aufweist, verkippt eintreten kann. Dass ein Strahl verkippt wird, schließt nicht aus, dass er auch verlagert wird. In dem gezeigten Beispiel würde eine Verlagerung bewirken, dass eine Achse des Beleuchtungslichtstrahls B je nach Verlagerung die Rückapertur des Objektivs 6 an unterschiedlichen Stellen durchtritt. Der Beleuchtungslichtstrahl B tritt nach dem ersten Strahlteiler durch die Ä/4-Platte 5 und wird durch das Objektiv 6 in die Probe 8 im Probenbereich 7 fokussiert. Die Position des Fokuspunktes in der Probe 8 ist dabei bestimmt durch die dem Beleuchtungslichtstrahl B insgesamt aufgeprägte Verkippung, die sich additiv aus der Verkippung, mit der der Beleuchtungslichtstrahl B in den ersten Strahlscanner 18 eingetreten ist, und der durch den ersten Strahlscanner 18 aufgeprägten Verkippung ergibt, und durch die Eigenschaften des Objektivs 6, insbesondere durch dessen Brennweite. Der Referenzlichtstrahl R wird durch den ersten Strahlteiler 14 aus dem Beleuchtungsstrahlengang ausgekoppelt und in Richtung auf eine Ausführungsform der Messeinrichtung 13 gelenkt. Die Messeinrichtung 13 weist eine Linse 25 auf, die den vor der Linse 25 kollimierten Referenzlichtstrahl R auf einen Detektor der Messeinrichtung 13, konkret auf eine positionsempfindliche Diode 24, fokussiert. Die Position des Fokuspunktes des Referenzlichtstrahls R hängt dabei von der dem Referenzlichtstrahl R von dem ersten Strahlscanner 18 aufgeprägten Verkippung und von den Eigenschaften der Linse 25, insbesondere von deren Brennweite ab. Die Position der Linse 25 im Referenzlichtstrahlengang und der Abstand des Detektors, hier der positionsempfindlichen Diode 24, von der Linse 25 werden abgestimmt auf die Brennweite der Linse 25. Je nach Abstimmung wird mit der Messeinrichtung 13 eine hohe Empfindlichkeit der Bestimmung der Verkippung und ein kleinerer Messbereich, in dem Verkippungen gemessen werden können, erreicht oder aber eine geringere Empfindlichkeit und ein größerer Messbereich. Fig. 5 shows a section of an embodiment of the microscope 1. The section contains the reference light source 16, the second beam splitter 15, the mechanical beam scanner 10, which here forms the first beam scanner 18, and the first beam splitter 14. In addition to these elements of a reference light beam path, the section shown contains the X/4 plate 5, the objective 6, the sample area 7 with the sample 8, which is placed on the adjustable sample table 20. The aforementioned elements are arranged in the same way as in Fig. 1, to which reference is hereby made. In contrast to the representation in Fig. 1, an entrance lens 22 and an exit lens 23 are shown here, which delimit the mechanical scanner 10 and are to be understood here as elements of the mechanical scanner 10; This does not mean that the lenses 22,23 form a common component, but it simply means that in the terminology of this application they are functional components of the mechanical beam scanner 10 and thus of the first beam scanner 18. No beam-forming element, in particular no lens, is shown between the exit lens 23 and the objective 6. While Figures 1 to 4 are schematic representations in which not all elements that are typically present, for example lenses for focusing or collimating the illumination light beam B or the reference light beam R, are also shown, Fig. 5 is to be understood in such a way that in the embodiment of the microscope 1 shown there is actually no beam-forming element, in particular no lens, between the exit lens 23 and the objective 6. The microscope 1 in this embodiment has a measuring device 13 with a signal output 13a. The measuring device 13 of this embodiment has a lens 25. The reference light beam R is coupled into the illumination beam path by means of the second beam splitter 15. The reference light beam R is collimated at the second beam splitter 15. The reference light beam R and the illumination light beam B enter the first beam scanner 18 collimated at the entrance lens 22 and exit the first beam scanner 18 at the exit lens 23, also collimated. When exiting the beam scanner 18, the illumination light beam B and the reference light beam R have been tilted in the same way by the first beam scanner 18. This does not mean that they exit the first beam scanner 18 at the same tilt angle, since, for example, the illumination light beam B in particular can enter tilted against the optical axis of the additional beam scanner, which the latter has in a zero position, according to a setting of a further beam scanner not shown here, for example an EOD scanner. The fact that a beam is tilted does not exclude the possibility that it is also displaced. In the example shown, a displacement would cause an axis of the illumination light beam B to pass through the rear aperture of the objective 6 at different points depending on the displacement. The illumination light beam B passes through the λ/4 plate 5 after the first beam splitter and is focused by the objective 6 into the sample 8 in the sample area 7. The position of the focus point in the sample 8 is determined by the overall tilt imposed on the illumination light beam B, which results additively from the tilt with which the illumination light beam B entered the first beam scanner 18 and the tilt imposed by the first beam scanner 18, and by the properties of the objective 6, in particular by its focal length. The reference light beam R is coupled out of the illumination beam path by the first beam splitter 14 and directed in the direction of an embodiment of the measuring device 13. The measuring device 13 has a lens 25 which focuses the reference light beam R collimated in front of the lens 25 onto a detector of the measuring device 13, specifically onto a position-sensitive diode 24. The position of the focal point of the reference light beam R depends on the tilting imposed on the reference light beam R by the first beam scanner 18 and on the properties of the lens 25, in particular on its focal length. The position of the lens 25 in the reference light beam path and the distance of the detector, here the position-sensitive diode 24, from the lens 25 are adjusted to the focal length of the lens 25. Depending on the adjustment, the measuring device 13 achieves a high sensitivity in determining the tilting and a smaller measuring range in which tilting can be measured, or a lower sensitivity and a larger measuring range.
In Fig. 6 ist ein Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform des Mikroskops 1 dargestellt, die hinsichtlich der Führung des Beleuchtungslichtstrahl B und des Referenzlichtstrahls R bis zu dem ersten Strahlteiler 14 der in Fig. 5 dargestellten entspricht. Um bei einer hohen Empfindlichkeit für die Bestimmung der Verkippung gleichzeitig einen größeren Messbereich der Verkippungen abdecken zu können, weist die Messeinrichtung 13 einerseits ein diffraktives optisches Element (DOE) 26 und andererseits mehrere nebeneinander angeordnete positionsempfindliche Dioden 24 auf. Das DOE 26 spaltet den einfallenden Referenzlichtstrahl R in mehrere Teilstrahlen auf. Jedem der Teilstrahlen wird durch den ersten Scanner 18 eine identische Verkippung aufgeprägt, sodass grundsätzlich jeder der Teilstrahlen geeignet ist zur Messung der aufgeprägten Verkippung. In der dargestellten Situation wird dem Referenzlichtstrahl R durch den ersten Strahlscanner 18 gerade keine Verkippung aufgeprägt, sodass der Teilstrahl der 0-ten Ordnung zentral auf die zentrale der positionsempfindlichen Dioden 24 fällt. Bei einer stärkeren Verkippung läuft nun der Strahl der 0-ten Ordnung aus dem Bereich der zentralen positionsempfindlichen Diode 24 heraus, während entweder, je nach Richtung der Verkippung, der Teilstrahl der 1. Ordnung oder der Teilstrahl der -1. Ordnung in den Bereich der zentralen positionsempfindlichen Diode 24 hineinläuft. Allgemein wird durch die Aufspaltung und die Detektion mit mehreren positionsempfindlichen Dioden 24 dafür gesorgt, dass auch bei großen Verkippungen des Referenzlichtstrahls R kleine Änderungen der Verkippung gemessen werden können. Hierfür können die einzelnen Signale der mehreren Dioden 13 auch kombiniert werden. Aus Gründen der Einfachheit ist lediglich eine Aufspaltung des Referenzlichtstrahls R in einer Raumrichtung dargestellt. Tatsächlich kann das DOE 26 bevorzugt ein 2D-DOE sein, wobei dann in der Detektionsebene die positionsempfindlichen Dioden 24 bevorzugt eine zweidimensionale Anordnung bilden, sodass mittels der Messeinrichtungen 13 Verkippungen in zwei Raumrichtungen, das heißt, Verkippungen, die zu Verlagerungen des Beleuchtungslichts in der Probe 8 in zwei Raumrichtungen führen, bestimmt werden können. Für eine zweidimensionale Anordnung werden mindestens drei positionsempfindlichen Dioden 24 benötigt. Es können aber bevorzugt auch mehr als drei positionsempfindlichen Dioden 24 angeordnet werden, beispielsweise auf einem kartesischen oder auf einem hexagonalen Raster. Eine entsprechende Aufspaltung wie in Fig. 6 dargestellt ist, kann in entsprechender Weise auch angewendet werden, um Verlagerungen des Referenzlichtstrahls R zu bestimmen. Fig. 6 shows a section of another embodiment of the microscope 1, which corresponds to that shown in Fig. 5 with regard to the guidance of the illumination light beam B and the reference light beam R up to the first beam splitter 14. In order to be able to cover a larger measuring range of the tilts while maintaining high sensitivity for determining the tilt, the measuring device 13 has a diffractive optical element (DOE) 26 on the one hand and several position-sensitive diodes 24 arranged next to one another on the other. The DOE 26 splits the incident reference light beam R into several partial beams. Each of the partial beams is impressed with an identical tilt by the first scanner 18, so that in principle each of the partial beams is suitable for measuring the impressed tilt. In the situation shown, the reference light beam R is not tilted by the first beam scanner 18, so that the 0th order partial beam falls centrally on the central position-sensitive diode 24. In the case of a stronger tilt, the 0th order beam now runs out of the area of the central position-sensitive diode 24, while either the 1st order partial beam or the -1st order partial beam runs into the area of the central position-sensitive diode 24, depending on the direction of the tilt. In general, the splitting and detection with several position-sensitive diodes 24 ensures that small changes in the tilt can be measured even with large tilts of the reference light beam R. The individual signals of the several diodes 13 can also be combined for this purpose. For the sake of simplicity, only a splitting of the reference light beam R in one spatial direction is shown. In fact, the DOE 26 can preferably be a 2D DOE, in which case the position-sensitive diodes 24 preferably form a two-dimensional arrangement in the detection plane, so that tilts in two spatial directions, i.e. tilts that lead to displacements of the illumination light in the sample 8 in two spatial directions, can be determined by means of the measuring devices 13. At least three position-sensitive diodes 24 are required for a two-dimensional arrangement. However, more than three position-sensitive diodes 24 can preferably also be arranged, for example on a Cartesian or hexagonal grid. A corresponding splitting as shown in Fig. 6 can also be used in a corresponding manner to determine displacements of the reference light beam R.
Die Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform des Mikroskops 1 , bei der die Messeinrichtung 13 ebenfalls zur Erfassung eines größeren Messbereichs der Verkippung oder Verlagerung des Referenzlichtstrahls R bei gleichzeitig verbesserter Empfindlichkeit ausgelegt ist. Die Messeinrichtung 13 weist hier einen dritten Strahlteiler 27, z.B. einen 50/50-Strahlteiler, zur Aufspaltung des Referenzlichtstrahls R in zwei Teilstrahlen auf. Einerder Teilstrahlen gelangt wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 5 zu einer positionsempfindlichen Diode 24. Der andere Teilstrahl wird über einen Spiegel 28 zu einer Anordnung 29 reflektiert, die ein erstes Transmissionsgitter 30a, ein zweites Transmissionsgitter 30b, einen ersten Messsensor 31a und einen zweiten Messsensor 31b umfasst. Die Messsensoren 31a, 31b können z.B. als Fotodioden ausgebildet sein. Die Fig. 7 zeigt die Anordnung im Querschnitt in der Ebene der optischen Achse des einfallenden Referenzlichtstrahls R, wobei die optische Achse durch die Nulllage des Referenzlichtstrahls R definiert ist. Fig. 7 shows a section of another embodiment of the microscope 1, in which the measuring device 13 is also designed to detect a larger measuring range of the tilt or displacement of the reference light beam R while simultaneously improving sensitivity. The measuring device 13 here has a third beam splitter 27, e.g. a 50/50 beam splitter, for splitting the reference light beam R into two partial beams. One of the partial beams reaches a position-sensitive diode 24 as in the embodiment according to Fig. 5. The other partial beam is reflected via a mirror 28 to an arrangement 29 which comprises a first transmission grating 30a, a second transmission grating 30b, a first measuring sensor 31a and a second measuring sensor 31b. The measuring sensors 31a, 31b can be designed as photodiodes, for example. Fig. 7 shows the arrangement in cross section in the plane of the optical axis of the incident reference light beam R, wherein the optical axis is defined by the zero position of the reference light beam R.
In der Fig. 8 ist die Anordnung 29 im Detail in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse des Referenzlichtstrahls R dargestellt. Das erste Transmissionsgitter 30a und das zweite Transmissionsgitter 30b sind bezüglich dieser optischen Achse auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Im Lichtweg des Referenzlichtstrahls R hinter dem ersten Transmissionsgitter 30a ist der erste Messsensor 31a angeordnet und im Lichtweg des Referenzlichtstrahls R hinter dem zweiten Transmissionsgitter 30b ist der zweite Messsensor 31b angeordnet. Der Referenzlichtstrahl R fällt sowohl auf das erste Transmissionsgitter 30a als auch auf das zweite Transmissionsgitter 30b. Die Transmissionsgitter 30a weisen jeweils ein periodisches Streifenmuster mit abwechselnden Bereichen hoher Transmissivität (weiß in Fig. 8) und niedriger Transmissivität (schwarz in Fig. 8) auf. Die Streifenmuster des ersten Transmissionsgitters 30a und des zweiten Transmissionsgitters sind dabei gegeneinander versetzt. In Fig. 8 ist außerdem eine Ablenkrichtung A gezeigt, in welcher der Referenzlichtstrahl R auf der Anordnung 29 wandert, wenn die Verkippung bzw. Verlagerung des Referenzlichtstrahls R sich ändert. In Fig. 8, the arrangement 29 is shown in detail in a plane perpendicular to the optical axis of the reference light beam R. The first transmission grating 30a and the second transmission grating 30b are arranged on opposite sides with respect to this optical axis. The first measuring sensor 31a is arranged in the light path of the reference light beam R behind the first transmission grating 30a and the second measuring sensor 31b is arranged in the light path of the reference light beam R behind the second transmission grating 30b. The reference light beam R falls on both the first transmission grating 30a and the second transmission grating 30b. The transmission gratings 30a each have a periodic stripe pattern with alternating areas of high transmissivity (white in Fig. 8) and low transmissivity (black in Fig. 8). The stripe patterns of the first transmission grating 30a and the second transmission grating are offset from one another. In Fig. 8, a deflection direction A is also shown in which the reference light beam R migrates on the arrangement 29 when the tilt or displacement of the reference light beam R changes.
Fig. 9 zeigt erste Messdaten 32 der positionsempfindlichen Diode 24 der in Fig. 7 dargestellten Messeinrichtung 13 sowie zweite Messdaten 33 der Messsensoren 31a, 31b der Anordnung 29. Auf der Abszisse ist jeweils die Ablenkung des Referenzlichtstrahls R in der Ablenkrichtung A dargestellt, auf der Ordinate das entsprechende Sensorsignal. Das in den ersten Messdaten 32 gezeigte Signal der positionsempfindlichen Diode 24 steigt monoton über den gezeigten Messbereich an, hat jedoch eine vergleichsweise niedrige Empfindlichkeit. Die zweiten Messdaten 33 bestehen aus zwei phasenverschobenen sinusförmigen Signalen des ersten Messsensors 31a und des zweiten Messsensors 31b, die beim Wandern des Referenzlichtstrahls R über die jeweiligen Transmissionsgitter 30a, 30b zustande kommen. Aus den beiden Signalen kann die Position des Referenzlichtstrahls R mit wesentlich höherer Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit auf kleine Auslenkungen/Verkippungen bestimmt werden als mit der positionsempfindlichen Diode 24, beispielsweise durch Bilden einer Differenz oder eines Verhältnisses der beiden Sensorsignale. Eine solche Art der Positionsbestimmung ist aus dem Stand der Technik zu sogenannten Positions-Encodern bekannt. Bedingt durch das periodische Streifenmuster ist das Positionssignal der Anordnung jedoch nicht über den gesamten Messbereich eindeutig, d.h. die Position relativ zu einem Streifen kann sehr genau bestimmt werden, jedoch ist nicht bekannt, über welchem Streifen der Referenzlichtstrahl angeordnet ist. Diese Eindeutigkeit lässt sich jedoch vorteilhafterweise auf Basis der von der positionsempfindlichen Diode 24 erhaltenen ersten Messdaten 32 wiederherstellen. Fig. 9 shows first measurement data 32 of the position-sensitive diode 24 of the measuring device 13 shown in Fig. 7 and second measurement data 33 of the measuring sensors 31a, 31b of the arrangement 29. The deflection of the reference light beam R in the deflection direction A is shown on the abscissa, and the corresponding sensor signal is shown on the ordinate. The signal of the position-sensitive diode 24 shown in the first measurement data 32 increases monotonically over the measurement range shown, but has a comparatively low sensitivity. The second measurement data 33 consists of two phase-shifted sinusoidal signals of the first measuring sensor 31a and the second measuring sensor 31b, which arise when the reference light beam R travels over the respective transmission gratings 30a, 30b. From the two signals, the position of the reference light beam R can be determined with significantly greater accuracy or sensitivity to small deflections/tilts than with the position-sensitive diode 24, for example by forming a difference or a ratio of the two sensor signals. This type of position determination is known from the prior art for so-called position encoders. Due to the periodic stripe pattern, the position signal of the arrangement is not unambiguous over the entire measuring range, ie the position relative to a stripe can be determined very precisely, but it is not known over which stripe the reference light beam is arranged. This unambiguousness can, however, advantageously be restored on the basis of the first measurement data 32 obtained from the position-sensitive diode 24.
Aufgrund der Kombination der positionsempfindlichen Diode 24 mit der Anordnung 29 von Transmissionsgittern 30a, 30b und Messensoren 31a, 31b lässt sich also die Position des Referenzlichtstrahls R mit hoher Empfindlichkeit über einen großen Messbereich bestimmen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei einem MINFLUX- oder STED-MINFLUX- Verfahren das Bildfeld des mechanischen Strahlscanners 10 nicht nach jedem Messschritt auf die aktuell geschätzte Emitterposition zentriert wird, sodass größere Auslenkungen des mechanischen Strahlscanners 10 und somit größere Verkippungen und/oder Verlagerungen des Referenzlichtstrahls R erforderlich sind. Diese Zusammenhänge gelten ebenfalls für die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform. Due to the combination of the position-sensitive diode 24 with the arrangement 29 of transmission gratings 30a, 30b and measuring sensors 31a, 31b, the position of the reference light beam R can be determined with high sensitivity over a large measuring range. This is particularly advantageous if, in a MINFLUX or STED-MINFLUX method, the image field of the mechanical beam scanner 10 is not centered on the currently estimated emitter position after each measuring step, so that larger deflections of the mechanical beam scanner 10 and thus larger tilting and/or displacements of the reference light beam R are required. These relationships also apply to the embodiment shown in Fig. 6.
Die in Fig. 7 gezeigte Messeinrichtung 13 lässt sich auf eine Positionsbestimmung in zwei Raumrichtungen erweitern, indem z.B. eine zweidimensionale positionsempfindliche Diode 24 verwendet wird und hinter dem dritten Strahlteiler 27 ein weiterer vierter Strahlteiler angeordnet wird, der das Referenzlicht aufspaltet, wobei einer der resultierenden Teilstrahlen zu einer weiteren Anordnung 29 geführt wird, deren Transmissionsgitter 30a, 30b senkrecht zu den Transmissionsgittern 30a, 30b der anderen Anordnung 29 stehen, sodass sie eine Auslenkung senkrecht zu der in Fig. 8 gezeigten Ablenkrichtung A erfassen (nicht dargestellt). The measuring device 13 shown in Fig. 7 can be extended to a position determination in two spatial directions by, for example, using a two-dimensional position-sensitive diode 24 and arranging a further fourth beam splitter behind the third beam splitter 27, which splits the reference light, wherein one of the resulting partial beams is guided to a further arrangement 29, the transmission gratings 30a, 30b of which are perpendicular to the transmission gratings 30a, 30b of the other arrangement 29, so that they detect a deflection perpendicular to the deflection direction A shown in Fig. 8 (not shown).
In Fig. 10 ist eine Anordnung dargestellt, bei der ein Referenzlichtstrahl R kollimiert auf einen Detektor geleitet wird. Konkret kann die dargestellte Anordnung verwendet werden, um eine dem Referenzlichtstrahl R durch den ersten Scanner 18 aufgeprägte Verlagerung zu bestimmen. Die Anordnung weist im Wesentlichen dieselben Komponenten auf wie die in Fig. 5 dargestellte Anordnung. Im Unterschied zu der Anordnung gemäß Fig. 5 ist in Fig. 10 die Linse 23 nicht Teil des ersten Scanners 18, sondern sie befindet sich ausschließlich im Beleuchtungsstrahlengang, mit der Funktion einer Tubuslinse. Der Referenzlichtstrahl R wird kollimiert auf den zweiten Strahlteiler 15 geleitet und in den Beleuchtungslicht-Strahlengang einkoppelt. Die Linse 22, die im Sinne dieser Anmeldung funktional ein Element des ersten Strahlscanners 18 ist, fokussiert den Referenzlichtstrahl R. Der konvergente Referenzlichtstrahl R wird mittels des ersten Strahlteilers 14 aus dem Beleuchtungslicht-Strahlengang ausgekoppelt. Zwischen dem ersten Strahlteiler 14 und einer Linse 25 ist ein Fokus F des Referenzlichtstrahls R ausgebildet. Dass der erste Strahlscanner 18 den Referenzlichtstrahl R verlagert, bedeutet, dass die Lage des Fokus F entlang einer Senkrechten zu einer optischen Achse der Anordnung in einer Nullstellung des ersten Scanners 18 verlagert wird. Dies ist in der Figur durch den Doppelpfeil angedeutet. Der Referenzlichtstrahl R wird nun durch die Linse 25 der Messeinrichtung 13 kollimiert. Der kollimierte Referenzlichtstrahl R verläuft dann unter einem Winkel zu der vorgenannten optischen Achse, wobei der Winkel von der Verlagerung des Fokus F des Referenzlichtstrahls R abhängig ist. Der Detektor der Messeinrichtung 13, die positionsempfindliche Diode 24, befindet sich in einem Abstand, der sehr groß ist im Verhältnis zu der Brennweite der Linse 25, sodass der Auftreffort des kollimierten Referenzlichtstrahls R empfindlich von der Position des Fokus F relativ zu der optischen Achse, und somit von der zu messenden Verlagerung abhängt. Fig. 10 shows an arrangement in which a reference light beam R is collimated and directed to a detector. Specifically, the arrangement shown can be used to determine a displacement imposed on the reference light beam R by the first scanner 18. The arrangement has essentially the same components as the arrangement shown in Fig. 5. In contrast to the arrangement according to Fig. 5, in Fig. 10 the lens 23 is not part of the first scanner 18, but is located exclusively in the illumination beam path. with the function of a tube lens. The reference light beam R is collimated and directed to the second beam splitter 15 and coupled into the illumination light beam path. The lens 22, which is functionally an element of the first beam scanner 18 in the sense of this application, focuses the reference light beam R. The convergent reference light beam R is coupled out of the illumination light beam path by means of the first beam splitter 14. A focus F of the reference light beam R is formed between the first beam splitter 14 and a lens 25. The fact that the first beam scanner 18 shifts the reference light beam R means that the position of the focus F is shifted along a perpendicular to an optical axis of the arrangement in a zero position of the first scanner 18. This is indicated in the figure by the double arrow. The reference light beam R is now collimated by the lens 25 of the measuring device 13. The collimated reference light beam R then runs at an angle to the aforementioned optical axis, the angle being dependent on the displacement of the focus F of the reference light beam R. The detector of the measuring device 13, the position-sensitive diode 24, is located at a distance which is very large in relation to the focal length of the lens 25, so that the point of incidence of the collimated reference light beam R depends sensitively on the position of the focus F relative to the optical axis, and thus on the displacement to be measured.
Bezugszeichenliste list of reference symbols
1 Mikroskop 1 microscope
2 Lichtquelle 2 light sources
3 Phasenfilter 3 phase filters
4 Hauptstrahlteiler 4 main beam splitters
5 lambda/4-Platte 5 lambda/4 plate
6 Objektiv 6 lens
7 Probenbereich 7 sample area
8 Probe 8 samples
9 Ablenkeinrichtung 9 deflection device
10 mechanischer Strahlscanner 10 mechanical beam scanners
11 EOD-Scanner 11 EOD scanners
12 Detektionseinrichtung 12 detection device
13 Messeinrichtung 13 measuring device
13a Signalausgang 13a signal output
14 erster Strahlteiler 14 first beam splitter
15 zweiter Strahlteiler 15 second beam splitter
16 Referenzlichtquelle 16 reference light source
17 Rechen- und Steuereinheit 17 computing and control unit
18 erster Strahlscanner 18 first beam scanner
19 Emissionen 19 emissions
20 verstellbarer Probentisch 20 adjustable sample table
21 Analogleitung 21 analog line
22 Eintrittslinse 22 entrance lens
23 Austrittslinse 23 exit lens
24 positionsempfindliche Diode 24 position-sensitive diodes
25 Linse 25 lens
26 diffraktives optisches Element (DOE)26 diffractive optical element (DOE)
27 dritter Strahlteiler 27 third beam splitter
28 Spiegel 28 mirrors
29 Anordnung 29 arrangement
30a, 30b Transmissionsgitter 30a, 30b transmission grating
31a, 31b Messsensor 31a, 31b measuring sensor
32 Erste Messdaten 33 Zweite Messdaten 32 First measurement data 33 Second measurement data
A Ablenkrichtung A deflection direction
B Beleuchtungslichtstrahl B Illumination light beam
R Referenzlichtstrahl R reference light beam
S Signal S Signal
F Fokus des Referenzlichtstrahls F Focus of the reference light beam
Claims
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120594479A (en) * | 2025-08-11 | 2025-09-05 | 浙江师范大学 | A super-diffraction dark spot microscopy imaging method based on nonlinear focal spot competition |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020179828A1 (en) | 2001-05-30 | 2002-12-05 | Leica Microsystems Heidelberg Gmbh | Method and device for point-by-point scanning of a specimen |
| DE10339134A1 (en) | 2003-08-22 | 2005-03-17 | Leica Microsystems Heidelberg Gmbh | Beam-deflection device for a scan microscope has two beam-tilting units to deflect a beam of light on an axis that does not coincide with the axis of incident light |
| DE102007008009B3 (en) | 2007-02-15 | 2008-08-14 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Driving scanning microscope with beam deflector involves controlling acquisition of image data in acquisition step using prepared measurement signal and/or associating acquired image data with position on specimen |
| US20090289042A1 (en) * | 2008-05-22 | 2009-11-26 | Canon Kabushiki Kaisha | Light beam scanning apparatus, laser machining apparatus, test method and laser machining method |
| WO2010069987A1 (en) | 2008-12-19 | 2010-06-24 | Deutsches Krebsforschungszentrum | Method and device for dynamically shifting a light beam relative to an optic which focuses the light beam |
| DE102013114860B3 (en) | 2013-12-23 | 2015-05-28 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Method and device for determining the locations of individual molecules of a substance in a sample |
| DE102011055367B4 (en) | 2011-11-15 | 2017-02-09 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Method and device for tracking a movement of a particle, in particular a single molecule, in a sample |
| EP3372990B1 (en) | 2017-03-07 | 2021-03-24 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Method and device for the spatial measurement of nanoscale structures |
| WO2021122407A1 (en) | 2019-12-21 | 2021-06-24 | Abberior Instruments Gmbh | Method of disturbance correction, and laser scanning microscope having disturbance correction |
| US20210239452A1 (en) | 2018-10-24 | 2021-08-05 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. | Method and Apparatus for Detecting Changes in Direction of a Light Beam |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19959228A1 (en) | 1999-12-08 | 2001-06-13 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Laser scanning microscope for depth-resolved study of biological samples, has temperature sensor to detect surrounding temperature and corrects focusing, according to stored reference curve or table |
| DE102019008304B8 (en) | 2019-11-29 | 2021-06-02 | Abberior Instruments Gmbh | Fluorescence microscope with stabilized adjustment and use of an assembly to upgrade a fluorescence microscope |
| DE102021107704B4 (en) | 2021-03-26 | 2023-03-09 | Abberior Instruments Gmbh | Method and light microscope for the high-resolution examination of a sample |
| EP4167010A1 (en) | 2021-10-13 | 2023-04-19 | Abberior Instruments GmbH | Focusing device, focusing system, microscope and method for imaging and/or localizing molecules or particles in a sample |
| EP4167011A1 (en) | 2021-10-13 | 2023-04-19 | Abberior Instruments GmbH | Light modulation device for a microscope, microscope and method for modulating a light beam |
-
2023
- 2023-07-19 DE DE102023119101.2A patent/DE102023119101B3/en active Active
-
2024
- 2024-07-05 WO PCT/EP2024/069085 patent/WO2025016759A1/en active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020179828A1 (en) | 2001-05-30 | 2002-12-05 | Leica Microsystems Heidelberg Gmbh | Method and device for point-by-point scanning of a specimen |
| DE10339134A1 (en) | 2003-08-22 | 2005-03-17 | Leica Microsystems Heidelberg Gmbh | Beam-deflection device for a scan microscope has two beam-tilting units to deflect a beam of light on an axis that does not coincide with the axis of incident light |
| DE102007008009B3 (en) | 2007-02-15 | 2008-08-14 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Driving scanning microscope with beam deflector involves controlling acquisition of image data in acquisition step using prepared measurement signal and/or associating acquired image data with position on specimen |
| US20090289042A1 (en) * | 2008-05-22 | 2009-11-26 | Canon Kabushiki Kaisha | Light beam scanning apparatus, laser machining apparatus, test method and laser machining method |
| WO2010069987A1 (en) | 2008-12-19 | 2010-06-24 | Deutsches Krebsforschungszentrum | Method and device for dynamically shifting a light beam relative to an optic which focuses the light beam |
| DE102011055367B4 (en) | 2011-11-15 | 2017-02-09 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Method and device for tracking a movement of a particle, in particular a single molecule, in a sample |
| DE102013114860B3 (en) | 2013-12-23 | 2015-05-28 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Method and device for determining the locations of individual molecules of a substance in a sample |
| EP3372990B1 (en) | 2017-03-07 | 2021-03-24 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Method and device for the spatial measurement of nanoscale structures |
| US20210239452A1 (en) | 2018-10-24 | 2021-08-05 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. | Method and Apparatus for Detecting Changes in Direction of a Light Beam |
| WO2021122407A1 (en) | 2019-12-21 | 2021-06-24 | Abberior Instruments Gmbh | Method of disturbance correction, and laser scanning microscope having disturbance correction |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| BRITTA VINYON: "ixel hopping enables fast STED nanoscopy at low light dose", OPT. EXPRESS, vol. 28, 2020, pages 4516 - 4528 |
| DUMA, VIRGIL-FLORINSCHITEA, ALEXANDRU: "Laser scanners with rotational Risley prisms: Exact scan patterns", PROCEEDINGS OF THE ROMANIAN ACADEMY - SERIES A, vol. 19, no. 1, 2018, pages 53 - 60 |
| F. BALZAROTTI ET AL., SCIENCE, vol. 355, 2017, pages 606 - 612 |
| JIANIAN LIN: "itter suppression for resonant galvo based high-throughput laser scanning systems", OPT. EXPRESS, vol. 28, 2020, pages 26414 - 26420 |
| JONAS MARQUARD: "Digital light deflection and electro-optical laser scanning for STED nanoscopy", DISSERTATION, 2017 |
| SCHMIDT ROMAN ET AL: "MINFLUX nanometer-scale 3D imaging and microsecond-range tracking on a common fluorescence microscope", NATURE COMMUNICATIONS, vol. 12, no. 1, 1 January 2021 (2021-01-01), pages 1 - 12, XP055832558, DOI: 10.1038/s41467-021-21652-z * |
| SCHMIDT, R. ET AL.: "MINFLUX nanometer-scale 3D imaging and microsecond-range tracking on a common fluorescence microscope", NAT COMMUN, vol. 12, 2021, pages 1478, Retrieved from the Internet <URL:https://doi.org/10.1038/s41467-021-21652-z> |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120594479A (en) * | 2025-08-11 | 2025-09-05 | 浙江师范大学 | A super-diffraction dark spot microscopy imaging method based on nonlinear focal spot competition |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102023119101B3 (en) | 2025-01-23 |
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