DE102005049378A1 - Automatisches Mikroskop - Google Patents

Abstract

Bei einem automatischen Mikroskop besteht die Aufgabe, der Forderung nach einem kostengünstigen kompakten Aufbau mit einer Miniaturisierung als wesentlichen Aspekt gerecht zu werden. DOLLAR A Das automatische Mikroskop enthält ein optisches System mit einem zumindest annähernd in der Aperturblendenebene eines Kodensors angeordneten und zur Objektbeleuchtung vorgesehenen Belechtungsfeld, mit einer Abbildungsoptik und einem in der Bildebene der Abbildungsoptik angeordneten bildgebenden Sensor.

Description

• Automatische Mikroskope finden Anwendung in der Videomikroskopie, der digitalen Mikroskopie, bei Materialuntersuchungen, Inspektionen sowie klinischen Routineuntersuchungen, wo digitale Slides erzeugt werden. Außerdem gestatten diese Mikroskope ein automatisches Einscannen von Objekten auf Objektträgern und ein nachfolgendes Betrachten an einem Monitor und Langzeitbeobachtungen in der Zellbiologie, insbesondere an lebenden Zellen.
• Die automatisch aufgenommenen Bilder können von einem Beobachter online, erforderlichenfalls mit Interaktion, betrachtet werden oder sie stehen zu einem späteren Zeitpunkt für Auswertungen zur Verfügung.
• An die optischen Komponenten solcher automatischen Mikroskope werden völlig andere Anforderungen an das optische Design gestellt, als bei konventionellen Mikroskopen mit okularer Objekterfassung, bei denen ergonomische Randbedingungen im Vordergrund stehen.
• Konventionelle Mikroskope weisen eine köhlersche Beleuchtung auf, wobei bislang überwiegend Hochdrucklampen mit Lichtbogen und Halogenlampen mit Glühwendel zum Einsatz kommen. Bei beiden Systemen sind Größe und Konfiguration der eigentlichen Lichtquelle in einem engen Rahmen vorgegeben. Eine Anpassung der Lichtquelle an die Dimensionierung des Beleuchtungsstrahlenganges findet über eine Anpassungsoptik, dem so genannten Kollektor, statt.
• Da der Abbildungsstrahlengang auf den Einblick ins Okular optimiert ist, muss bei Verwendung von Kameras eine Strahlenganganpassung an die Feldgröße am Ort des Bildes (Chipoberfläche der Kamera) über einen zusätzlichen Adapter erfolgen.
• Ferner muss der manuelle Eingriff in das Mikroskop gewährleistet sein, wozu die Strahlengänge so dimensioniert sind, dass alle optischen Bauelemente, wie Objektive, Filter, Blenden, etc. auch von Hand bedient werden können. Bei vorgegebener Feldgröße, Vergrößerung und Apertur der Optik ergeben sich in der Folge die Dimensionierungen der Beleuchtungs- und Abbildungsoptik zu den bisher bestehenden Systemen.
• Anders verhält es sich bei automatisierten Mikroskopen, bei denen ausschließlich ein in seinen Abmessungen durch die Chipdiagonale bestimmter bildgebender Sensor zur Anwendung kommt, der optimal auszuleuchten ist. Ferner muss eine Anpassung der optischen Komponenten an die Proben- bzw. Probenträgergeometrie sowie der Auflösung der Optik an die durch die Anzahl der Pixel begrenzte Auflösung des bildgebenden Sensors erfolgen.
• Insgesamt besteht bei diesen Randbedingungen die Forderung nach einem kostengünstigen kompakten Aufbau mit einer Miniaturisierung als wesentlichen Aspekt.
• Aufgabe ist es, dieser Forderung gerecht zu werden.
• Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein automatisches Mikroskop gelöst, das ein optisches System enthält mit einem zumindest annähernd in der Aperturblendenebene eines Kondensors angeordneten und zur Objektbeleuchtung vorgesehenen Beleuchtungsfeld, mit einer Abbildungsoptik und einem in der Bildebene der Abbildungsoptik angeordneten bildgebenden Sensor.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
• Eine mit einem Auswerte- und Steuerrechner verbundene Lichtquellensteuerung ist dafür vorgesehen, das Beleuchtungsfeld in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur anzusteuern.
• Das Beleuchtungsfeld ist bevorzugt aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen zusammengesetzt, welche durch die Lichtquellensteuerung in der Intensität einzeln und/oder in Gruppen gleicher Art ansteuerbar sind, wodurch die Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes erfolgen kann.
• Feldgröße und Vergrößerung der Abbildungsoptik sind derart an den bildgebenden Sensor angepasst, dass jeder aufzulösende Bildpunkt durch die Abbildungsoptik auf zwei mal zwei Sensorpixel des bildgebenden Sensors abgebildet wird.
• Durch die Verwendung eines in oder nahe der Aperturblendenebene des Kondensors positionierten Beleuchtungsfeldes anstatt einer köhlerschen Beleuchtung und den Einsatz eines bildgebenden Sensors, der das sonst bei herkömmlichen Mikroskopen von dem Objektiv und der Tubuslinse erzeugte Zwischenbild direkt detektiert, vereinfacht sich der optische Strahlengang des automatischen Mikroskops wesentlich. Da die Konfiguration des Beleuchtungsfeldes optimal auf den Beleuchtungsstrahlengang abgestimmt werden kann, entfällt die Notwendigkeit zur Justage der Beleuchtung nach dem Wechsel des Leuchtmittels ebenso wie die Beleuchtungsanpassung über einen Kollektor.
• Das gesamte System der optischen Komponenten fällt dadurch wesentlich kompakter als bei herkömmlichen Mikroskopen aus, ist einfacher im Aufbau und kostengünstiger in der Fertigung. Das System kann auch wesentlich kleiner ausgebildet werden, da das Bildfeld in der Bildebene der Abbildungsoptik z. B. bei einem 2/3"-Sensor nur 11 mm im Durchmesser beträgt im Unterschied zu 25 mm bei optischen System konventioneller Mikroskope.
• Eine Faltung der optischen Strahlengänge ist nur dann erforderlich, wenn es Bauraumanforderungen unbedingt erfordern.
• Mit der Erfindung wird somit ein Mikroskopkonzept bereitgestellt, dessen optische Komponenten ausschließlich auf die Verwendung von bildgebenden Sensoren zur Beobachtung ausgelegt sind, ohne dass ein Okulareinblick vorgesehen ist. Auch ein manueller Eingriff zur Bedienung der optischen Komponenten ist nicht mehr erforderlich. Diese Aufgabe übernehmen Stellmotoren, die mit einem Steuerrechner in Verbindung stehen.
• Das Mikroskopkonzept gestattet eine Optimierung auf die Abmessungen der Probengeometrie sowie auf die Geometrie verschiedener Probenträger und auf den verwendeten bildgebenden Sensor.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
• 1 eine Anordnung optischer Komponenten im Strahlengang eines automatischen Mikroskops
• 2 die Feldausleuchtung in der Objektebene bei Beleuchtung mit einem zweidimensionalen LED-Array als Beleuchtungseinrichtung
• 3 eine Bildpunktabbildung auf Sensorpixel eines bildgebenden Sensors Gemäß der Erfindung enthält das automatische Mikroskop entsprechend 1 als optische Komponenten ein Beleuchtungsfeld 1 als Lichtquelle, das in oder in der Nähe der Aperturblendenebene ABE eines dem Beleuchtungsfeld 1 nachgeordneten Kondensors 2 positioniert ist. In einer Objektebene OE kann ein zu untersuchendes Objekt 3 angeordnet werden, das über eine Abbildungsoptik 4, bestehend aus einem, ins Unendliche abbildenden Objektiv 4.1 und einer bildformenden Linse 4.2, einen in der Bildebene BE der Abbildungsoptik 4 angeordneten bildgebenden Sensor 5 abgebildet wird.
• Das Beleuchtungsfeld 1 setzt sich gemäß 2 bevorzugt aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen (LEDs) 6 zusammen, so dass durch Überlagerung einzelner Farben in der Objektebene OE Mischfarben erstellt werden können. Zur besseren Anpassung des bereits flächig ausgebildeten Beleuchtungsfeldes 1 an das zu beleuchtende Objekt ist ein Mikrolinsenarray 7 vorgesehen.
• Die Anpassung des Beleuchtungsfeldes 1 an das Objekt hat den Vorteil, dass eine bisher notwendige starke Vergrößerung der Beleuchtungsquelle entfällt. Außerdem ist mit einer derartig aufgebauten Beleuchtungsquelle eine Farbfehlerreduzierung verbunden.
• Die Halbleiterbauelemente 6 sind mittels einer als mehrkanaliger LED-Controller (pro Farbe ein Kanal) ausgebildeten Lichtquellensteuerung 8 in der Intensität einzeln ansteuerbar, wodurch eine Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes 1 erfolgen kann.
• Trotz der nichtlambert'schen Abstrahlcharakteristik eines zweidimensionalen LED-Arrays ist zur Beleuchtung ein einfacher Kondensor 2 ausreichend.
• Der bildgebende Sensor 5 ist über eine Auswerteelektronik 9 mit einem Monitor 10 zur Bildanzeige verbunden. Ein zur Komponentensteuerung (Verbindungen nicht dargestellt) dienender Auswerte- und Steuerrechner 11 nimmt auch die Steuerung des Beleuchtungsfeldes 1 über die Lichtquellensteuerung 8 vor.
• Im Unterschied zu Mikroskopen, die auf eine okulare Objekterfassung ausgelegt sind, ist die Abbildungsoptik 4 auf die Verwendung des bildgebenden Sensors 5 abgestimmt, wobei sich die objektseitige Apertur durch die aufzulösende Struktur im Objekt ergibt. Feldgröße und Vergrößerung sind so an den bildgebenden Sensor 5 angepasst, dass jeder aufzulösende Bildpunkt durch die Abbildungsoptik 4 entsprechend 3 auf zwei mal zwei Sensorpixel 12 abgebildet wird.

Claims (6)

1. Automatisches Mikroskop, enthaltend ein optisches System mit – einem zumindest annähernd in der Aperturblendenebene (ABE) eines Kondensors (2) angeordneten und zur Objektbeleuchtung vorgesehenen Beleuchtungsfeld (1), – einer Abbildungsoptik (4) und – einem in der Bildebene (BE) der Abbildungsoptik (4) angeordneten bildgebenden Sensor (5).
2. Automatisches Mikroskop nach Anspruch 1, bei dem eine mit einem Auswerte- und Steuerrechner (11) verbundene Lichtquellensteuerung (8) vorgesehen ist, durch die das Beleuchtungsfeld (1) in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur ansteuerbar ist.
3. Automatisches Mikroskop nach Anspruch 2, bei dem das Beleuchtungsfeld (1) aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen (6) zusammengesetzt ist, welche durch die Lichtquellensteuerung (8) in der Intensität einzeln und/oder in Gruppen gleicher Art ansteuerbar sind, wodurch die Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes (1) erfolgen kann.
4. Automatisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem Feldgröße und Vergrößerung der Abbildungsoptik (4) derart an den bildgebenden Sensor (5) angepasst sind, dass jeder aufzulösende Bildpunkt durch die Abbildungsoptik (4) auf zwei mal zwei Sensorpixel des bildgebenden Sensors (5) abgebildet wird.
5. Automatisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der bildgebende Sensor (5) über eine Auswerteelektronik (9) mit einem Monitor (10) zur Bildanzeige verbunden ist.
6. Automatisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die objektseitige Apertur des bildgebenden Sensors (5) durch die aufzulösende Struktur eines in der Objektebene (OE) anzuordnenden Objektes (3) bestimmt ist.