Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Korrektion einer optischen Abbildung einer Probe mittels eines Mikroskops, wobei das Mikroskop ein die Probe bedeckendes Deckglas hat. Die Erfindung betrifft ferner ein Mikroskop mit einer Einrichtung zur digi talen Korrektion einer optischen Abbildung einer Probe.

Der Haupteinfluss auf die Qualität einer lichtmikroskopischen Abbildung einer Probe sind probenbedingte Abbildungsfehler. Diese lassen sich typischerweise mithilfe spezi eller Messverfahren bestimmen. Hierzu sind aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Entfaltung (deconvolution) von in der Fluoreszenzmikroskopie gewonnenen Bildda ten mithilfe von Computerprogrammen bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren wird insbesondere ein durch Brechindexfehlanpassung induzierter sphärischer Fehler be rücksichtigt. Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, das es einer Bedienperson überlassen ist, die zur Bestimmung der Brechungsindexfehlanpassung notwendigen In formationen zu ermitteln und dem Computerprogramm zuzuführen. Weiterhin wird bei den bekannten Verfahren eine Verkippung des Deckglases nicht berücksichtigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur digitalen Korrektion einer optischen Abbildung einer Probe mittels eines Mikroskops und ein Mikroskop mit einer Einrich tung zur digitalen Korrektion einer optischen Abbildung einer Probe anzugeben, die eine Korrektion der Abbildung unter Berücksichtigung von messbaren Eigenschaften der Probe und des Probenraums ermöglichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur digitalen Korrektion einer optischen Abbil dung einer Probe mittels eines Mikroskops, wobei das Mikroskop ein die Probe bede ckendes Deckglas hat, werden durch das Mikroskop der Brechungsindex eines an das Deckglas grenzenden optischen Mediums, eine Verkippung des Deckglases und/oder

l die Dicke des Deckglases bestimmt, wird auf Grundlage des Brechungsindex des opti schen Mediums, der Verkippung des Deckglases und/oder der Dicke des Deckglases ein zu korrigierender Abbildungsfehler in Form einer Pupillen-funktion ermittelt, erfolgt die Abbildung der Probe durch das Mikroskop und werden durch die Abbildung der Probe erfasste Bilddaten auf Grundlage der Pupillenfunktion digital korrigiert.

Erfindungsgemäß werden durch das Mikroskop Eigenschaften der abzubildenden Probe und des Probenraums bestimmt. Aus den durch das Mikroskop bestimmten Ei genschaften wird dann der Abbildungsfehler ermittelt. Dies ist vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren, bei denen eine Ermittlung des Abbildungsfehlers ex-situ, bei spielsweise mithilfe eines Referenzpräparates erfolgt, da hier keine Korrelation zwi schen dem mithilfe des Referenzpräparates ermittelten Abbildungsfehlers und dem Abbildungsfehler beim Abbilden der Probe sichergestellt werden kann.

Die Ermittlung des Abbildungsfehlers erfolgt beispielsweise durch Modellieren eines Wellenfrontfehlers aus den durch das Mikroskop ermittelten Eigenschaften der Probe und des Probenraums. Modelle zur Berechnung eines Wellenfrontfehlers basierend auf Eigenschaften der Probe und des Probenraums sind beispielsweise aus P. Török et al.,„Electromagnetic diffraction of light focused through a planar interface between materials of mismatched refractive indices: an integral representation", J. Opt. Soc.

Am. A 12 (1995), 325-332 oder aus S. Stallinga,„Compact description of substrate-re- lated aberrations in high numerical-aperture optical disk readout", Appl. Opt. 44 (2005), 849-858 bekannt.

Aus dem Brechungsindex des an das Deckglas grenzenden optischen Mediums und der Dicke des Deckglases kann der Abbildungsfehler als Pupillenfunktion eines Objektivs bestimmt werden zu Dabei sind r eine auf den Einheitskreis normierte radiale Koordinate der Austrittpupille des Objektivs, z eine mechanische Fokuslänge, n _Spc der Brechungsindex des an das Deckglas grenzenden optischen Mediums, n _Imrn der bekannte Brechungsindex eines weiteren zwischen dem Objektiv und dem Deckglas eingebrachten optischen Medi ums, beispielsweise Luft oder ein Immersionsöl, Ad eine Abweichung der Deckglasdi cke entlang der optischen Achse des Objektivs von der nominellen Deckglasdicke und NA die numerische Apertur des Objektivs.

In der Pupillenfunktion sind die wesentlichen Eigenschaften der Abbildung, d.h. das Abbildungsverhalten des durch Probe, Probenraum und Mikroskop gebildeten opti schen Systems enthalten. Auf Grundlage der Pupillenfunktion kann somit aus den durch die Abbildung gewonnenen Bilddaten eine Rekonstruktion von Probeneigen schaften, beispielsweise einer räumlichen Verteilung von Fluorophoren oder einer Bre chungsindexverteilung erfolgen. Dies ermöglicht eine Korrektion der Abbildung.

Insbesondere ist das optische Medium ein Einbettmedium, in dem die Probe eingebet tet wird. Ferner ist zwischen dem Objektiv des Mikroskops und dem Deckglas ein Im mersionsmedium angeordnet. Der zu korrigierende Abbildungsfehler wird auf Grund lage des bekannten Brechungsindex des Immersionsmediums ermittelt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf Grundlage der Pupillenfunktion ein di gitales Filter zur Korrektion der durch die Abbildung der Probe erfassten Bilddaten er zeugt. Dies ist die einfachste Art und Weise einer Korrektion der bei der Abbildung der Probe erfassten Bilddaten. Durch Anwenden des digitalen Filters auf die durch die Ab bildung der Probe erfassten Bilddaten erfolgt gleichsam eine Inversion der Abbildung durch das durch Probe, Probenraum und Mikroskop gebildete optische System, wodurch die durch Eigenschaften der Probe und des Probenraums induzierten Abbil dungsfehler aus den durch die Abbildung der Probe erfassten Bilddaten entfernt wer den können. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird mithilfe des digitalen Filters eine Phasenin formation von durch die Probe emittiertem Detektionslicht rekonstruiert. Aus der Pu pillenfunktion können sogenannte inverse Filter für quantitative Phasenrekonstrukti onsmethoden werden. Bei quantitative Phasenrekonstruktionsmethoden handelt es sich beispielsweise um bildgebende Verfahren auf Grundlage der Transport of Intensity Gleichung, wie sie beispielsweise in D. Paganin, K. A. Nugent,„Noninterferometric Phase Imaging with Partially Coherent Light", Phys. Rev. Lett. 80 (1998), 2586 beschrie ben sind, kohärente Interferenzmikroskopie, die beispielsweise in M. Mir et al.,„Quan- titaive Phase Imaging", Progress in Optics 57 (2012), 133-217 beschrieben ist, oder Dif ferentielle Phasenkontrast Mikroskopie, die beispielsweise in M. Chen et al.,„3D diffe rential phase contrast microscopy", Biomed. Opt. Express 7 (2016), 3940-3950 be schrieben ist. Durch das Rekonstruieren von Phaseninformation lassen sich auch Pro ben abbilden, die wenig Licht absorbieren, sogenannte Phasenobjekte.

Vorzugsweise werden durch die Abbildung ein Bild einer in der Probe liegenden Ebene erzeugt und das Bild durch eine Inversion der Abbildung auf Grundlage der Pupillen funktion korrigiert. Bei einer lichtmikroskopischen Abbildung der in der Probe liegen den Ebene sind die Bilddaten insbesondere eine zweidimensionale Matrix bestehend aus Pixeln. Auf die Bilddaten wird ein aus der Pupillenfunktion ermitteltes digitales Fil ter zur Inversion der Abbildung durch das Mikroskop angewendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden auf Grundlage der Pupillenfunktion eine Punktspreizfunktion erzeugt und mittels der Punktspreizfunktion eine Entfaltungs operation auf die durch die Abbildung der Probe erfassten Bilddaten zur Korrektion der Abbildung vorgenommen. Die Punktspreizfunktion gibt an, wie ein ideelles punktförmi ges Objekt durch das Mikroskop abgebildet wird. Damit kann sie insbesondere zur Ent faltung von in der Fluoreszenzmikroskopie gewonnenen Bilddaten verwendet werden, wie beispielsweise in Kapitel 25, J. Pawley,„Handbook of biological confocal microscopy", 3. Edition, Springer, ISBN 978-0-387-25921-5 beschrieben. Dabei kann es sich beispielweise um Bilddaten aus Epifluoreszenzmikroskopie, Konfokalmikroskopie oder Multiphotonenmikroskopie handeln. Die Punktspreizfunktion kann aus der Pupil lenfunktion mit beispielsweise aus M. Leutenegger et al.,„Fast focus field calculati- ons", Opt. Express 14 (2006), 11277-11291 bekannten Verfahren ermittelt werden.

Vorzugsweise werden das Abbilden der Probe und das Korrigieren der durch die Abbil dung der Probe erfassten Bilddaten wiederholt durchgeführt. Hierdurch lassen sich entweder mehrere in der Probe liegende Ebenen zur Erzeugung eines dreidimensiona len Bildes oder mehrere Bilder einer einzigen in der Probe liegende Ebene zur Erzeu gung eines Videos gewinnen.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch das Mikroskop eine Verkippung des Deckglases bestimmt und der zu korrigierende Abbildungsfehler auf Grundlage der Verkippung ermittelt. Die Verkippung des Deckglases induziert einen asymmetrischen Abbildungsfehler, der sich mit rein optischen Mitteln nur schwer korrigieren lässt, aber digital gut zu korrigieren ist.

In einer Ausführungsform erfolgt die Abbildung der Probe in mehreren Rasterschritten, in denen jeweils ein Teilbereich der Probe beleuchtet und/oder zur Fluoreszenz ange regt wird. In jedem Rasterschritt wird nur ein punktförmiger Teilbereich der Probe be leuchtet und/oder beispielsweise durch Beleuchten mit Laserlicht zur Fluoreszenz an geregt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Mikroskop, mit einem eine Probe bedeckenden Deck glas, wobei das Mikroskop eine Einrichtung zur digitalen Korrektion einer optischen Abbildung der Probe umfasst. Die Einrichtung ist ausgebildet, den Brechungsindex ei nes an das Deckglas grenzenden optischen Mediums, eine Verkippung des Deckglases (14) und/oder die Dicke des Deckglases zu bestimmen, auf Grundlage des Brechungsin dex des optischen Mediums, der Verkippung des Deckglases und/oder der Dicke des Deckglases den zu korrigierenden Abbildungsfehler in Form einer Pupillenfunktion zu ermitteln, und durch die Abbildung der Probe erfasste Bilddaten auf Grundlage der Pu pillenfunktion digital zu korrigieren.

Das Mikroskop ist beispielsweise ein Konfokalmikroskop. Alternativ kann es sich bei dem Mikroskop um eine Durchlichtmikroskop oder ein Auflichtmikroskop handeln.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be schreibung, die die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Mikroskops als Ausführungsbeispiel;

und

Figur 2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform Verfahren zur digitalen Korrek tion einer optischen Abbildung einer Probe mittels des Mikroskops nach Fi gur 1.

Figur 1 zeigt ein Mikroskop 10 als Ausführungsbeispiel. Das Mikroskop 10 weist ein Ob jektiv 12 auf, das auf ein Deckglas 14 gerichtet ist. Das Mikroskop 10 umfasst ferner eine Steuereinheit 16, die über ein externes Kabel 18 mit dem Objektiv 12 verbunden ist und welche die verschiedenen Objektivkomponenten ansteuert. Auf dem Deckglas 14 befindet sich ein optisches Medium 20, in das eine Probe eingebettet ist und das im Weiteren als Einbettmedium 20 bezeichnet wird. Zwischen dem Objektiv 12 und dem Deckglas 14 ist ferner ein Immersionsmedium 22 eingebracht.

Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens zur digitalen Korrektion einer optischen Abbildung einer Probe mittels des Mikroskops nach Figur 1. In einem ersten Schritt S1 wird zunächst die Dicke des Deckglases 14 entlang der opti schen Achse 0 des Objektivs 12 ermittelt. Hierzu wird beispielsweise unter schrägem Einfall ein Messlichtbündel durch das Objektiv 12 auf das Deckglas 14 gelenkt. Durch Teilreflexionen des Messlichtbündels an einer ersten durch das Deckglas 14 und das Immersionsmedium 22 gebildeten optischen Grenzfläche und an einer zweiten durch das Deckglas 14 und das Einbettmedium 20 gebildeten optischen Grenzfläche werden zwei räumlich getrennte Reflexionslichtbündel erzeugt. Die beiden Reflexionslichtbün del werden durch das Objektiv 12 empfangen und auf einen positionssensitiven Detek tor gelenkt. Auf Grundlage der erfassten Einfallsorte der beiden Reflexionslichtbündel auf dem positionssensitiven Detektor kann die Dicke des Deckglases ermittelt werden.

Ferner wird im ersten Schritt S1 der Brechungsindex des Einbettmediums 20 ermittelt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass neben dem Einfallort auch die jewei lige Intensität der beiden Reflexionslichtbündel mittels des positionssensitiven Detek tors erfasst werden. Auf Grundlage der erfassten Intensitäten der beiden Reflexions lichtbündel kann der Brechungsindex des Einbettmediums 20 ermittelt werden, da die Intensitäten der beiden Reflexionslichtbündel von der Reflexion und der Transmission des Messlichtbündels an den beiden Grenzflächen abhängen, die durch das Deckglas 14 und das Einbettmedium 20 bzw. das Immersionsmedium 22 definiert sind. Die Re flexions- und Transmissionsvorgänge, auf denen die erfassten Intensitäten der beiden räumlich voneinander getrennten Reflexionslichtbündel beruhen, werden somit we sentlich durch die Brechungsindizes des Deckglases 14 sowie des Einbettmediums 20 und des Immersionsmediums 22 bestimmt.

In einem zweiten Schritt S2 wird eine Verkippung des Deckglases 14 ermittelt. Dazu werden beispielsweise auf einer Oberfläche des Deckglases 14 mindestens drei Mess punkte, die eine Ebene aufspannen, definiert. Für jeden der drei Messpunkte werden folgende Schritte durchgeführt: Lenken eines Messlichtbündels durch das Objektiv 12 auf den Messpunkt; Erzeugen eines Reflexionslichtbündels, indem das Messlichtbündel zumindest zum Teil an dem jeweiligen Messpunkt reflektiert wird; Lenken des Reflexi onslichtbündels durch das Objektiv auf einen positionssensitiven Detektor; Erfassen des Einfallsortes des Reflexionslichtbündels auf dem positionssensitiven Sensor; und Ermitteln des Abstands des jeweiligen Messpunktes von dem Objektiv 12 längs dessen optischer Achse O auf Grundlage des erfassten Einfallsortes. Anschließend wird auf Grundlage der ermittelten Abstände eine Verkippung der durch die drei Messpunkte aufgespannten Ebene relativ zur optischen Achse O des Objektivs 12 als Verkippung des Deckglases 14 bestimmt.

In einem dritten Schritt S3 wird aus der Dicke des Deckglases 14, dem Brechungsindex des Einbettmediums 20 und der Verkippung des Deckglases 14 der Abbildungsfehler in Form einer Pupillenfunktion bestimmt als

Dabei sind r eine auf den Einheitskreis normierte radiale Koordinate der Austrittpupille des Objektivs 12, f die Winkelkoordinate der Austrittpupille des Objektivs 12, z eine mechanische Fokuslänge, n _Spc der Brechungsindex des an das Deckglas 14 grenzenden Einbettmediums 20, n _Imrn der bekannte Brechungsindex des zwischen dem Objektiv 12 und dem Deckglas 14 eingebrachten Immersionsmediums 22, Ad die Abweichung der Dicke des Deckglases 14 entlang der optischen Achse 0 des Objektivs 12 von der nominellen Dicke des Deckglases 14, NA die numerische Apertur des Objektivs 12, n _Dgl der Brechungsindex des Deckglases 14, a der Azimut der Verkippung und f ₀ der Polarwinkel der Verkippung. In einem vierten Schritt S4 werden durch das Mikroskop 10 Bilddaten durch eine Abbil dung der Probe erzeugt.

In einem fünften Schritt S5 werden die Bilddaten auf Grundlage der Pupillenfunktion y(t, f ) nach obiger Gleichung (1) korrigiert. Beispielsweise wird hierzu aus der Pupil lenfunktion y(t, f ) ein digitales Filter erzeugt, das den Vorgang der Abbildung der Probe durch das Mikroskop 10 gleichsam umkehrt, um den Abbildungsfehler zu korri gieren. Alternativ erfolgt zur Korrektion des Abbildungsfehlers eine Entfaltung (decon- volution) der Bilddaten mittels einer aus der Pupillenfunktion y(t, f ) gewonnenen Punktspreizfunktion.

Bezugszeichenliste

10 Mikroskop 12 Objektiv

14 Deckglas

16 Steuereinheit 18 Kabel

20 Einbettmedium 22 Immersionsmedium PI Pfeil