Abstract

Laser scanning microscopes are helpful tools for the visualization of 3D structures at the submicron scale. By pointwise raster scanning the sample with a tightly focused laser spot, they collect sample information in a sequential manner. We present a scanning microscope that has the ability to record 3D sample information from a single 2D scan. By combining camera detection with double-helix phase engineering in the emission path, the microscope allows for postacquisition refocusing within an axial range of roughly 400 nm with a high-NA lens (NA 1.35). Refocused images are extracted from a single 2D data set by applying different synthetic pinholes, i.e., by integrating over a small predefined area in the image acquired for every sampling point. 3D cross-sectional images of a stained microtubule network within fixed African green monkey kidney cells are presented, demonstrating the capability of the system. The imaging paradigm enables faster data acquisition with potentially lower phototoxic side effects.

© 2015 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article
OSA Recommended Articles
Rapid 3D image scanning microscopy with multi-spot excitation and double-helix point spread function detection

Siwei Li, Jingjing Wu, Heng Li, Danying Lin, Bin Yu, and Junle Qu
Opt. Express 26(18) 23585-23593 (2018)

3D image scanning microscopy with engineered excitation and detection

Clemens Roider, Rafael Piestun, and Alexander Jesacher
Optica 4(11) 1373-1381 (2017)

Deconvolution approach for 3D scanning microscopy with helical phase engineering

Clemens Roider, Rainer Heintzmann, Rafael Piestun, and Alexander Jesacher
Opt. Express 24(14) 15456-15467 (2016)

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. T. Wilson, Confocal Microscopy (Academic, 1990).
  2. C. J. R. Sheppard, Optik 80, 53 (1988).
  3. C. Müller, J. Enderlein, Phys. Rev. Lett. 104, 198101 (2010).
    [Crossref]
  4. A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
    [Crossref]
  5. E. Sánchez-Ortiga, C. J. R. Sheppard, G. Saavedra, M. Martínez-Corral, A. Doblas, A. Calatayud, Opt. Lett. 37, 1280 (2012).
    [Crossref]
  6. S. Roth, C. J. R. Sheppard, K. Wicker, R. Heintzmann, http://arxiv.org/abs/1306.6230 .
  7. A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
    [Crossref]
  8. G. De Luca, R. Breedijk, R. Brandt, C. Zeelenberg, B. de Jong, W. Timmermans, L. Azar, R. Hoebe, S. Stallinga, E. Manders, Biomed. Opt. Express 4, 2644 (2013).
    [Crossref]
  9. O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
    [Crossref]
  10. M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
    [Crossref]
  11. G. Grover, K. DeLuca, S. Quirin, J. DeLuca, R. Piestun, Opt. Express 20, 26681 (2012).
    [Crossref]
  12. A. Greengard, Y. Y. Schechner, R. Piestun, Opt. Lett. 31, 181 (2006).
    [Crossref]
  13. S. R. P. Pavani, R. Piestun, Opt. Express 16, 22048 (2008).
    [Crossref]
  14. S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
    [Crossref]
  15. G. P. J. Laporte, D. B. Conkey, A. Vasdekis, R. Piestun, D. Psaltis, Opt. Express 21, 30984 (2013).
    [Crossref]
  16. E. Botcherby, R. Juškaitis, T. Wilson, Opt. Commun. 268, 253 (2006).
    [Crossref]

2014 (1)

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

2013 (4)

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

G. De Luca, R. Breedijk, R. Brandt, C. Zeelenberg, B. de Jong, W. Timmermans, L. Azar, R. Hoebe, S. Stallinga, E. Manders, Biomed. Opt. Express 4, 2644 (2013).
[Crossref]

G. P. J. Laporte, D. B. Conkey, A. Vasdekis, R. Piestun, D. Psaltis, Opt. Express 21, 30984 (2013).
[Crossref]

2012 (3)

2010 (1)

C. Müller, J. Enderlein, Phys. Rev. Lett. 104, 198101 (2010).
[Crossref]

2009 (1)

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

2008 (1)

2006 (2)

E. Botcherby, R. Juškaitis, T. Wilson, Opt. Commun. 268, 253 (2006).
[Crossref]

A. Greengard, Y. Y. Schechner, R. Piestun, Opt. Lett. 31, 181 (2006).
[Crossref]

1988 (1)

C. J. R. Sheppard, Optik 80, 53 (1988).

Azar, L.

Biteen, J. S.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

Botcherby, E.

E. Botcherby, R. Juškaitis, T. Wilson, Opt. Commun. 268, 253 (2006).
[Crossref]

Brandt, R.

Breedijk, R.

Bunt, G.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

Calatayud, A.

Chandris, P.

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

Chitnis, A.

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

Chitnis, A. B.

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Clever, M.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

Combs, C. A.

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Conkey, D. B.

Dalle Nogare, D.

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

de Jong, B.

De Luca, G.

DeLuca, J.

DeLuca, K.

Doblas, A.

Enderlein, J.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

C. Müller, J. Enderlein, Phys. Rev. Lett. 104, 198101 (2010).
[Crossref]

Fischer, R. S.

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Greengard, A.

Großhans, J.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

Grover, G.

Head, J.

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

Hoebe, R.

Hong, A.

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

Ingaramo, M.

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

Juškaitis, R.

E. Botcherby, R. Juškaitis, T. Wilson, Opt. Commun. 268, 253 (2006).
[Crossref]

Kehlenbach, R. H.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

Laporte, G. P. J.

Liu, N.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

Lord, S. J.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

Manders, E.

Martínez-Corral, M.

Milberg, O.

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

Mione, M.

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Moerner, W.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

Müller, C.

C. Müller, J. Enderlein, Phys. Rev. Lett. 104, 198101 (2010).
[Crossref]

Nogare, D. D.

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Parekh, S. H.

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Patterson, G. H.

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

Pavani, S. R. P.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

S. R. P. Pavani, R. Piestun, Opt. Express 16, 22048 (2008).
[Crossref]

Pfaff, J.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

Pieper, C.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

Piestun, R.

Psaltis, D.

Quirin, S.

Ruhlandt, A.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

Saavedra, G.

Sánchez-Ortiga, E.

Schechner, Y. Y.

Schulz, O.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

Sheppard, C. J. R.

Shroff, H.

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Stallinga, S.

Temprine, K.

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Thompson, M. A.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

Timmermans, W.

Twieg, R. J.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

Vasdekis, A.

Wawrzusin, P.

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

Weigert, R.

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

Wilson, T.

E. Botcherby, R. Juškaitis, T. Wilson, Opt. Commun. 268, 253 (2006).
[Crossref]

T. Wilson, Confocal Microscopy (Academic, 1990).

Wouters, F. S.

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

York, A. G.

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Zeelenberg, C.

Biomed. Opt. Express (1)

Nat. Methods (2)

A. G. York, P. Chandris, D. Dalle Nogare, J. Head, P. Wawrzusin, R. S. Fischer, A. Chitnis, H. Shroff, Nat. Methods 10, 1122 (2013).
[Crossref]

A. G. York, S. H. Parekh, D. D. Nogare, R. S. Fischer, K. Temprine, M. Mione, A. B. Chitnis, C. A. Combs, H. Shroff, Nat. Methods 9, 749 (2012).
[Crossref]

Opt. Commun. (1)

E. Botcherby, R. Juškaitis, T. Wilson, Opt. Commun. 268, 253 (2006).
[Crossref]

Opt. Express (3)

Opt. Lett. (2)

Optik (1)

C. J. R. Sheppard, Optik 80, 53 (1988).

Phys. Rev. Lett. (1)

C. Müller, J. Enderlein, Phys. Rev. Lett. 104, 198101 (2010).
[Crossref]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (3)

O. Schulz, C. Pieper, M. Clever, J. Pfaff, A. Ruhlandt, R. H. Kehlenbach, F. S. Wouters, J. Großhans, G. Bunt, J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 21000 (2013).
[Crossref]

M. Ingaramo, A. G. York, P. Wawrzusin, O. Milberg, A. Hong, R. Weigert, H. Shroff, G. H. Patterson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 5254 (2014).
[Crossref]

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[Crossref]

Other (2)

T. Wilson, Confocal Microscopy (Academic, 1990).

S. Roth, C. J. R. Sheppard, K. Wicker, R. Heintzmann, http://arxiv.org/abs/1306.6230 .

Supplementary Material (2)

» Supplement Media 1: AVI (1224 KB)     
» Media 2: PDF (476 KB)     

Cited By

OSA participates in Crossref's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1. (a) Sketch of the RESCH microscope. The sample is moved by a piezo scanning stage and the fluorescence generated in the laser focus imaged onto a sCMOS camera. A DH phase mask, placed in a plane that is optically conjugated to the objective back aperture, is displayed on a SLM. A polarizer blocks the light that is not modulated by the SLM. (b) Widefield DH-filtered images of a 100 nm fluorescent bead, with different amounts of defocus. The green discs mark the synthetic pinholes (SPs) for the corresponding defocus values. A movie of RESCH camera raw data is provided in Media 1.
Fig. 2.
Fig. 2. Comparison of point spread functions. First image column: sections through a measured standard confocal PSF. The scale bar is 500 nm. Second to fourth image columns: three RESCH PSFs, all extracted from a single 2D scan with the DH mask in the microscope’s emission path. The PSFs show axial shifts that are determined by the rotational angle of the used pinhole pair. The table contains measured axial positions, widths, and maximal intensities of all shown PSFs. All length values are in μm.
Fig. 3.
Fig. 3. Confocal and RESCH images of fluorescent microtubules. (a) First row: confocal image stack, recorded at axial steps of 200 nm; second row: three defocused images, extracted from a single 2D RESCH scan. (b) Confocal (top) and RESCH (bottom) images of another sample region. The RESCH data provide 3D information, revealing structures lying above and below the nominal focal plane (see arrows), while the confocal image does not.

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

I m ( x s ) = ρ ( x x s ) h 1 ( x ) h 2 ( x x ) SP m ( x ) d x d x ,
I m ( x s ) = ρ ( x x s ) h m ( x ) d x ,
h m ( x ) = [ SP ( x ) * h 2 ( x ) ] h 1 ( x ) .

Metrics