WO2018134141A2 - Bildwandlungsmodul für ein mikroskop und mikroskop - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an image conversion module for a microscope, which serves for image conversion and is formed with an additional function. Furthermore, the concerns
- the invention relates to a microscope for microscopy of a sample comprising such an image conversion module.
- EDoF functionality usually also allows for 3D model reconstruction.
- Known EDoF methods are based on the so-called focus variation and the contrast evaluation by means of software.
- the focus variation is usually realized by means of an actuator, so that a sample in
- the microscope can be used for confocal microscopy, for laser-assisted microscopy, for conventional microscopy or for analytical microscopy.
- DE 10 2012 017 917 A1 describes a microscope module for insertion into a beam path of a light microscope with a module input for admitting a light beam, a Module output for discharging a light beam and a
- Optics carrier on which various optical assemblies
- An adjustable deflection serves to selectable deflecting a light coming from the module input light beam on one of the optical assemblies and the
- US 2016/0327779 A1 shows an optical image forming apparatus comprising a beam splitter, a first and a second
- a light scanning element a lens, an illumination source for transmitting illumination light into the lens via a first optical path, which the beam splitter and the first
- Light scanning element comprises.
- the beam splitter and the first light-scanning element direct the illumination light to a peripheral portion of the lens, so that the
- Illumination light passes through the lens and forms a sloping image plane in a tissue.
- the objective directs light returned from the oblique imaging plane to a second optical path, which is the beam splitter and the second
- the beam splitter and the second light scanning element guide the returned light along the second optical path to form a stationary inclined intermediate image plane.
- a light detector captures an image of the intermediate image plane.
- US Pat. No. 7,345,816 B2 discloses an optical microscope which comprises a mirror with a controllably variable continuous reflecting surface. By changing the surface of the mirror, images from different focal positions, i. H. out
- US 7,269,344 B2 shows an optical device comprising an optical system having a reflective variable optical element, a driving circuit for driving the optical element and an image sensor.
- Arithmetic unit is connected to the drive circuit.
- An image processor is connected to the arithmetic unit.
- the image processor is equipped with an electronic zoom function.
- the computing unit calculates a control signal for controlling the beam deflection function of the optical based on the data of the image sensor and the electronic zoom data
- optical element is preferred as
- the deformable continuous mirror having a reflective surface on a multilayer deformable structure.
- the multilayer structure comprises an electrode layer and is on the top of a
- Substrate arranged. At the bottom of the substrate are electrodes. The electrodes and the
- Electrode layer are connected to the drive circuit. It depends on the applied voltage
- the product includes, among others, an LED ring illumination, a coaxial illumination, a
- Transmitted-light illumination a cross-stage, 5, 10, 20 and 50x magnification lenses and a manual
- the focusing can be changed with a frequency of 1 to 10 kHz and more.
- a mirror array lens system called a MALS module is used.
- MALS stands for Mirror Array Lens System. Details of this system are disclosed, for example, in WO 2005/119331 A1 or WO 2007/134264 A2.
- Liquid container is the product "TAG Optics lens module” from the manufacturer TAG Optics, which equips microscopes with EDoF functionality.
- TAG Optics lens module from the manufacturer TAG Optics, which equips microscopes with EDoF functionality.
- the product uses sound waves to control lenses.
- Mejiro Genossen Inc. is an optical microscope available on the inclined Offner optical mirror system is operated and operated in Scheimpflug arrangement. The microscope allows a significant improvement in the depth of field over a large field of view
- frinGOe has developed a compact passive spectrometer, which is a Mach-Zehnder
- POLKA records and measures the polarization state of light in real time.
- CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
- the polarizing filters are anchored directly in the individual pixels.
- the pixel-based polarizing filters are aligned in four different directions (0 °, 45 °, 90 °, 135 °), resulting in light waves of different polarization can be recorded simultaneously.
- the recorded images can be transferred to a PC.
- Visualization algorithms allow the intensity, angle and degree of polarization for the
- the object of the present invention is to provide a picture conversion module for a microscope, which is equipped to equip the microscope with additional
- the image conversion module is low-effort and task-specific to different
- Microscopes can be used. Furthermore, a should
- Image conversion module for a microscope according to claim 1 and a microscope according to the attached independent claim 10.
- the image conversion module according to the invention is designed for image conversion with an additional function.
- the image conversion module comprises at least one functional element for implementing the additional function, which is used to record an extended depth of field, to realize an optical zoom, to
- Another component of the image conversion module is at least one image sensor.
- An optical interface of the image conversion module is at least one image sensor.
- Image conversion module is used for optical coupling of the
- Image conversion module to a lens of the microscope
- output data is the image conversion module with a
- Interface is used for releasable attachment of the
- Image conversion module is that with the help of a microscope in a simple manner with additional
- Functionality for imaging can be equipped.
- the components required for realizing the additional function are combined in particular with the image sensor to form an independent structural unit.
- Image conversion module can be easily removed from the microscope and replaced for example by a differently executed image conversion module with other additional function. For different applications can thus be easily removed from the microscope and replaced for example by a differently executed image conversion module with other additional function. For different applications can thus be easily removed from the microscope and replaced for example by a differently executed image conversion module with other additional function. For different applications can thus be easily removed from the microscope and replaced for example by a differently executed image conversion module with other additional function. For different applications can thus
- the image conversion module may comprise a plurality of functional elements for providing a plurality of additional functions.
- the at least one functional element is an active optical
- An active optical element in the sense of the invention is an optical element which actively changes the properties of the optical beam path.
- the optically active optical element in the sense of the invention is an optical element which actively changes the properties of the optical beam path.
- Element is preferably from the list below
- an optical actuator selected: an optical actuator, a liquid lens, a by mechanical vibrations, preferably by means of sound waves, preferably controllable lens, a
- Interferometer array preferably a passive one
- the image conversion module may preferably have a plurality of active optical elements of different types.
- An advantageous embodiment of the image conversion module uses an optical actuator, which is designed as a microsystem with mechanically movable micromirrors for receiving an extended depth of field.
- MALS module for example, the above-described "MALS module” from SD Optics Inc. can be used as an optical actuator
- a MALS module can be designed, for example, as a Fresnel lens, as described, for example, in WO 2005/119331
- A1 Fresnel lens is formed by a plurality of micromirrors, and by changing the position of the micromirrors, the focal length of the Fresnel lens can be changed very quickly fast change of the focal length allows a very fast adjustment of the focal plane to be imaged. It will be like this
- Focus Pile can be used to determine an image with extended depth of field.
- a beam splitter is arranged between the optical interface and the microsystem.
- the mirror system comprises a concave mirror and a concave mirror opposite the concave mirror.
- the convex mirror is designed as an optically active element.
- the concave mirror and the convex mirror are preferably aligned perpendicular to an image plane.
- the Kokavspiegel and the convex mirror can also be aligned parallel to the image plane.
- this includes
- Plan mirror which is aligned for deflecting rays in the direction of the concave mirror at an angle to the image plane.
- the rays striking the first plane mirror become
- a second plane mirror is arranged, which for
- Redirecting rays in the direction of the image sensor is aligned at an angle to the image plane.
- the incident on the second plane mirror rays are preferably deflected by 90 °.
- the convex mirror which is designed as an optically active element
- the foci, ie the focal planes shift along the main beams and form different object depths on the image sensor.
- the aberrations caused by the microscope are compensated by adapted deformation of the optically active element. If the main course of the beam in the object space deviates from the telecentricity, the object with varying
- Embodiment of the image conversion module in addition to its use as an image conversion module as well
- the functional elements include according to a preferred
- Embodiment at least one mechanical actuator, which preferably serves to move an optical component.
- the image conversion module has according to an advantageous
- Embodiment at least one electronic control unit for controlling the functional elements and the image sensor.
- the Control unit is adapted to the particular functional elements used as well as to the respective used optical elements.
- the image conversion module can also be an interface for transmitting the data captured by the image sensor or that of the internal one
- Data processing unit processed data to an external
- the image conversion module has expediently a
- Power supply unit or alternatively an electrical interface for powering the image conversion module from an external source.
- the microscope according to the invention initially comprises an objective for optically imaging a sample in an image plane. Through the lens is an image with an optical resolution in the
- Image plane can be displayed.
- the optical resolution is determined by the physical processes and the properties of the lens.
- the microscope further includes the illustrated
- Image conversion module which is optically coupled via its optical interface to the lens.
- Image conversion module is still beyond its mechanical
- the microscope preferably has a microscope illumination for illuminating the sample to be microscoped.
- Microscope illumination preferably comprises a
- Transmitted light illumination a ring illumination and a Coaxial lighting, the alternative or common to
- Illumination of the sample can be used.
- Fig. 1 a schematic representation of an inventive
- Image conversion module for receiving an extended depth of field
- Image conversion module for taking an extended depth of field
- Image conversion module for spectral measurements.
- Fig. 1 shows a schematic representation of a
- microscope Ol With the microscope Ol a sample 02 can be microscopically.
- the microscope 01 comprises a transmitted light illumination 03, a ring illumination 04 and a coaxial illumination 05, which serve alternatively or jointly for illuminating the sample 02.
- the microscope 01 further includes an objective 07 and an image conversion module 08, which is optically coupled to the objective 07 via an optical interface 09.
- the distance and the size of an intermediate image 10 and a pupil 12 generated by means of the microscope 01 determine the optical interface 09, the connection conditions for the image conversion module 08.
- the image conversion module 08 is for image conversion with one or more additional functions
- Image conversion module 08 will be described below with reference to FIGS.
- Fig. 2 shows a first preferred embodiment of
- Image conversion module 08 for receiving an extended
- the image conversion module 08 includes the optical
- Image conversion module 08 is optically coupled to the lens 07 of the microscope 01.
- a mechanical interface 13th For mechanical attachment of the image conversion module 08 to a housing (not shown) of the microscope 01 is a mechanical interface 13th
- the image conversion module 08 further comprises
- Functional element 14 for implementing the additional function, which consists in the embodiment shown in the recording of an extended depth of field.
- the functional element 14 is designed to implement this additional function as a microsystem with movable micromirrors for measuring a depth information of the sample 02.
- the microsystem with the movable micromirrors is arranged via a beam splitter 15 retroreflective.
- the functional element 14 is conjugate to the
- Pupille 12 of the optical interface 09 is arranged.
- the beam splitter 15 reflects back the light reflected by the functional element 14 to the image sensor 17
- Image sensor 17 serves to convert an image directly or indirectly imaged by the objective 07 onto the image sensor 17. Move by variation of the functional element 14 the foci form along the main rays and
- the functional element 14 corrects aberrations in the image plane.
- the functional element 14 is not used for focusing, it can alternatively be used to
- the image conversion module 08 includes other components 20 for power supply, for data processing and for
- the other components 20 are shown summarized in Fig. 2 as a unit, but may consist of different, structurally separate units. To these other components 20 includes a
- Power supply unit or alternatively an electrical interface for power supply of the image conversion module 08.
- the power supply unit can, for example, by
- the further components 20 preferably include an internal data processing unit for processing of the Image sensor 17 acquired data.
- the image conversion module 08 can also be equipped with an interface for transmitting the data captured by the image sensor 17 or the data processed by the data processing unit to an external data processing unit.
- the further components 20 preferably also include at least one electronic control unit for controlling the
- Fig. 3 shows a mirror system 22 of the image conversion module 08 with marked beam path.
- the mirror system 22 comprises a concave mirror 23 and a concave mirror 23
- Convex mirror 24 is formed as an optically active element, preferably as the microsystem with movable
- Micromirrors is realized. Furthermore, the convex mirror 24 is arranged conjugated to the pupil 12 of the optical interface 09. To make room for the real optically active element, the structure differs from the classic Offner system. The concave mirror 23 and the convex mirror 24 are aligned perpendicular to an image plane 25. Between the optical interface 09 and the concave mirror 23 is a first
- Plan mirror 27 is arranged, which is aligned for deflecting rays in the direction of the concave mirror 23 at an angle to the image plane 25.
- a second plane mirror 28 is arranged, which is aligned for deflecting rays in the direction of the image sensor 17 at an angle to the image plane 25.
- the incident on the second plane mirror 28 rays are deflected in the embodiment shown by 90 °.
- the convex mirror 24 corrects aberrations in the image plane.
- the convex mirror 24 can be used exclusively for aberration corrections without focusing.
- Focusing used, it can be used for the correction of changes occurring in the scale of imaging of non-telecentric optics.
- the embodiment of the image conversion module 08 shown in FIG. 3 can be used as an independent microscope.
- further functional elements can be integrated.
- the functional element 14 here includes a lens which can be controlled by mechanical vibrations, preferably by means of sound waves.
- Microscope 01 conjugates to the object plane of the
- FIG. 5 shows a third preferred embodiment of the image conversion module 08 according to the invention for spectral
- the functional element 14 comprises an interferometer
- the passive spectrometer developed by the company fingGOe can be used.
- Interferometer array can be inserted in the optical path and be removed so that the user can switch between the functions image capture or spectral measurements.
- an active Fabry-Perrot element can be used for spectral measurements with high spatial resolution down to the individual pixel resolution.
- a phase mask or a spatial light modulator can be integrated into the array.
- the use of a polarization mask for polarization measurements with high spatial resolution is also possible.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildwandlungsmodul (08) für ein Mikroskop, wobei das Bildwandlungsmodul (08) zur Bildwandlung mit einer Zusatzfunktion ausgebildet ist. Das Bildwandlungsmodul (08) umfasst zunächst mindestens ein Funktionselement (12) zur Realisierung der Zusatzfunktion, welches zur Aufnahme einer erweiterten Schärfentiefe, zur Realisierung eines optischen Zooms, zur Messung von spektralen Eigenschaften, zur Farbmessung, zur Polarisationsmessung, zur Wellenfrontmessung zur Messung von Materialeigenschaften und/oder zur Aberrationskorrektur. Weitere Komponenten des Bildwandlungsmoduls sind mindestens ein Bildsensor (14), eine optische Schnittstelle (09), welche an ein Objektiv des Mikroskops optisch ankoppelbar ist, eine Datenschnittstelle zur Übertragung der von dem Bildsensor (14) ausgegebenen Daten und eine mechanische Schnittstelle (10) zur mechanischen Anbringung des Bildwandlungsmoduls (08) an dem Mikroskop. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Mikroskop mit einem derartigen Bildwandlungsmodul (08).
Description
Bildwandlungsmodul für ein Mikroskop
und Mikroskop
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildwandlungsmodul für ein Mikroskop, welches zur Bildwandlung dient und mit einer Zusatzfunktion ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die
Erfindung ein Mikroskop zum Mikroskopieren einer Probe, welche ein solches Bildwandlungsmodul umfasst.
Mikroskopische Anwendungen erfordern häufig eine Bildgebung mit erweiterter Schärfentiefe (EDoF - Extended Depth of
Field) . EDoF-Funktionalität ermöglicht in der Regel auch eine 3D-Modelrekonstruktion . Bekannte EDoF-Verfahren basieren auf der sogenannten Fokusvariation und der Kontrastauswertung mittels Software. Die Fokusvariation wird üblicherweise mit Hilfe eines Aktuators realisiert, so dass eine Probe in
Richtung der optischen Achse abgetastet werden kann. Die für die EDoF-Funktionalität benötigten Komponenten sind bislang zumeist konstruktive und untrennbare Bestandteile von
Mikroskopen .
Die DE 197 33 193 AI zeigt ein Mikroskop mit adaptiver Optik. Bei diesem Mikroskop ist zwischen einem Objektiv und einer Tubuslinse ein transmittierender Wellenfrontmodulator
angeordnet. Das Mikroskop kann für eine konfokale Mikroskopie, für eine lasergestützte Mikroskopie, für eine konventionelle Mikroskopie oder für eine analytische Mikroskopie verwendet werden .
Die DE 10 2012 017 917 AI beschreibt ein Mikroskopmodul zum Einbringen in einen Strahlengang eines Lichtmikroskops mit einem Moduleingang zum Einlassen eines Lichtstrahls, einem
Modulausgang zum Auslassen eines Lichtstrahls und einem
Optikträger, an dem verschiedene optische Baugruppen
angeordnet sind. Eine verstellbare Umlenkeinrichtung dient zum auswählbaren Umlenken eines von dem Moduleingang kommenden Lichtstrahls auf eine der optischen Baugruppen und zum
Umlenken eines von dieser optischen Baugruppe kommenden
Lichtstrahls zum Modulausgang.
Die US 2016/0327779 AI zeigt ein optisches Bilderzeugungsgerät umfassend einen Strahlteiler, ein erstes und ein zweites
Lichtabtastelement, ein Objektiv, eine Beleuchtungsquelle zum Senden von Beleuchtungslicht in das Objektiv über einen ersten optischen Pfad, welcher den Strahlteiler und das erste
Lichtabtastelement umfasst. Der Strahlteiler und das erste Lichtabtastelement lenken das Beleuchtungslicht zu einem peripheren Bereich des Objektivs, so dass das
Beleuchtungslicht das Objektiv durchläuft und in einem Gewebe eine schräge Abbildungsebene bildet. Das Objektiv leitet von der schrägen Bildgebungsebene zurückgesendetes Licht auf einen zweiten optischen Pfad, der den Strahlteiler und das zweite
Lichtabtastelement enthält. Der Strahlteiler und das zweite Lichtabtastelement leiten das zurückgesendete Licht entlang des zweiten optischen Pfades, um eine stationäre geneigte Zwischenbildebene zu bilden. Ein Lichtdetektor erfasst ein Bild der Zwischenbildebene.
Aus der US 7,345,816 B2 ist ein optisches Mikroskop bekannt, welches einen Spiegel mit einer steuerbar veränderlichen kontinuierlichen reflektierenden Oberfläche umfasst. Durch die Veränderung der Oberfläche des Spiegels können Bilder aus unterschiedlichen fokalen Positionen, d. h. aus
unterschiedlichen Fokus-Ebenen, aufgenommen werden.
Die US 7,269,344 B2 zeigt eine optische Vorrichtung umfassend ein optisches System mit einem reflektierenden variablen optischen Element, eine Ansteuerungsschaltung zum Ansteuern des optischen Elementes und einen Bildsensor. Eine
Recheneinheit ist mit der Ansteuerungsschaltung verbunden. An die Recheneinheit ist ein Bildprozessor angeschlossen. Der Bildprozessor ist ausgestattet mit einer elektronischen Zoom- Funktion. Die Recheneinheit berechnet auf Basis der Daten des Bildsensors und der elektronischen Zoom-Daten ein Steuersignal zum Steuern der Strahlablenkungsfunktion des optischen
Elementes. Das optische Element ist bevorzugt als
deformierbarer kontinuierlicher Spiegel ausgeführt, welcher eine reflektierende Oberfläche auf einer mehrschichtigen deformierbaren Struktur aufweist. Die mehrschichtige Struktur umfasst eine Elektrodenschicht und ist auf der Oberseite eines
Substrates angeordnet. An der Unterseite des Substrates befinden sich Elektroden. Die Elektroden und die
Elektrodenschicht sind mit der Ansteuerschaltung verbunden. In Abhängigkeit von der angelegten Spannung kommt es zu
unterschiedlichen Deformationen der deformierbaren Struktur und der reflektierenden Oberfläche.
Das am Markt erhältliche Produkt „3D WiseScope microscope" des Herstellers SD Optics Inc. ermöglicht eine schnelle Erzeugung von makroskopischen und mikroskopischen Bildern, welche eine erweiterte Schärfentiefe aufweisen. Das Produkt umfasst u. a. eine LED-Ringbeleuchtung, eine Koaxialbeleuchtung, eine
Durchlichtbeleuchtung, einen Kreuztisch, Objektive mit 5, 10, 20 und 50-facher Vergrößerung sowie eine manuelle
Fokussierung . Die Fokussierung kann mit einer Frequenz von 1 bis 10 kHz und mehr verändert werden. Zur Realisierung der EDoF-Funktionalität dient ein als MALS-Modul bezeichnetes Spiegel-Array-Linsensystem. MALS steht für Mirror Array Lens
System. Details dieses Systems sind beispielsweise in der WO 2005/119331 AI oder WO 2007/134264 A2 offenbart.
Für die schnelle Modulation des Brechungsindex eines
Flüssigkeitsbehälters ist das Produkt „TAG Optics lens module" des Herstellers TAG Optics bekannt, welches Mikroskope mit EDoF-Funktionalität ausstattet. Das Produkt nutzt Schallwellen zur Steuerung von Linsen. Von der Firma Mejiro Genossen Inc. ist ein optisches Mikroskop verfügbar, welches auf dem geneigten optischen Offner- Spiegelsystem basiert und in Scheimpflug-Anordnung betrieben wird. Das Mikroskop ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Schärfentiefe über ein großes Sichtfeld. Die
Fokussierungsfähigkeiten dieses Mikroskops sind jedoch
schwierig zu steuern. Außerdem müssen bestimmte
Abbildungsfehler korrigiert werden.
Weiterhin wurde von der Firma frinGOe ein kompaktes passives Spektrometer entwickelt, welches ein Mach-Zehnder-
Interferometer, eine CMOS-Bildverarbeitung und eine FTIR- Spektroskopie miteinander kombiniert.
Vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen wurde eine als POLKA bezeichnete Polarisationskamera entwickelt. Die
POLKA erfasst und misst in Echtzeit den Polarisationszustand von Licht. Herzstück der Kamera ist ein nanostrukturierter CMOS-Sensor, bei dem die Polarisationsfilter direkt in den einzelnen Pixeln verankert sind. So kann mit einer einzigen Aufnahme Pixel für Pixel linear polarisiertes Licht erfasst und gemessen werden. Die Pixel-basierten Polarisationsfilter werden in vier verschiedenen Richtungen ausgerichtet (0°, 45°, 90°, 135°), wodurch Lichtwellen unterschiedlicher Polarisation
gleichzeitig erfasst werden können. Durch eine spezielle
Verarbeitung der Pixelsignale werden Bewegungsartefakte vermieden. Die aufgenommenen Bilder können auf einen PC übertragen werden. Visualisierungsalgorithmen ermöglichen es, Intensität, Winkel und Grad der Polarisation für das
menschliche Auge sichtbar zu machen.
Schließlich sind Lösungen zur optischen Wellenfrontkodierung bekannt, die eine Phasenmaske in einem Objektiv eines
Mikroskops für eine schnelle EDoF-Bildgebung verwenden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bildwandlungsmodul für ein Mikroskop zur Verfügung zu stellen, welches zur Ausstattung des Mikroskops mit zusätzlicher
Funktionalität zur Bildwandlung dient. Das Bildwandlungsmodul soll aufwandsarm und aufgabenspezifisch an verschiedenen
Mikroskopen genutzt werden können. Weiterhin soll ein
Mikroskop mit einem derartigen Bildwandlungsmodul
bereitgestellt werden.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein
Bildwandlungsmodul für ein Mikroskop gemäß Anspruch 1 sowie ein Mikroskop gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Bildwandlungsmodul ist zur Bildwandlung mit einer Zusatzfunktion ausgebildet. Das Bildwandlungsmodul umfasst dazu mindestens ein Funktionselement zur Realisierung der Zusatzfunktion, welches zur Aufnahme einer erweiterten Schärfentiefe, zur Realisierung eines optischen Zooms, zur
Messung von spektralen Eigenschaften, zur Farbmessung, zur Polarisationsmessung, zur Wellenfrontmessung zur Messung von Materialeigenschaften und/oder zur Aberrationskorrektur dient.
Eine weitere Komponente des Bildwandlungsmoduls ist mindestens ein Bildsensor. Eine optische Schnittstelle des
Bildwandlungsmoduls dient zur optischen Ankopplung des
Bildwandlungsmoduls an ein Objektiv des Mikroskops
Vorrichtung. Zur Übertragung der von dem Bildsensor
ausgegebenen Daten ist das Bildwandlungsmodul mit einer
Datenschnittstelle ausgestattet. Eine mechanische
Schnittstelle dient zur lösbaren Anbringung des
Bildwandlungsmoduls an dem Mikroskop, sodass dieses im
Bedarfsfall an das Mikroskop anbringbar und auch wieder entfernbar ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Bildwandlungsmoduls besteht darin, dass mit dessen Hilfe ein Mikroskop auf einfache Art und Weise mit zusätzlicher
Funktionalität zur Bildgebung ausgestattet werden kann.
Erfindungsgemäß werden die zur Realisierung der Zusatzfunktion benötigten Komponenten insbesondere mit dem Bildsensor zu einer eigenständigen Baueinheit zusammengefasst . Zum
Anschließen des Bildwandlungsmoduls an das Mikroskop kann eine an dem Mikroskop bereits vorhandene, zum Anschließen von Foto- und Videokameras dienende, mechanische Standardschnittstelle genutzt werden. In der Schnittstelle bestimmen der Abstand und die Größe von einem mittels des Mikroskops erzeugten
Zwischenbild und einer Pupille der Schnittstelle die
Anschlussbedingungen für das Bildwandlungsmodul. Das
Bildwandlungsmodul kann problemlos von dem Mikroskop entfernt werden und beispielsweise durch ein andersartig ausgeführtes Bildwandlungsmodul mit anderer Zusatzfunktion ersetzt werden. Für verschiedene Anwendungsfälle können somit
Bildwandlungsmodule mit unterschiedlichen Funktionselementen zur Realisierung verschiedener Zusatzfunktionen vorgehalten werden, die dann je nach Bedarf an das Mikroskop angebaut
werden können. Das Mikroskop kann daher aufwandsarm an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Das Bildwandlungsmodul kann mehrere Funktionselemente zur Bereitstellung mehrerer Zusatzfunktionen umfassen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Funktionselement ein aktives optisches
Element. Ein aktives optisches Element im Sinne der Erfindung ist ein optisches Element, welches die Eigenschaften des optischen Strahlenganges aktiv verändert. Das optisch aktive
Element ist vorzugsweise aus der nachfolgenden Liste
ausgewählt: ein optischer Aktuator, eine Flüssigkeitslinse, eine durch mechanische Schwingungen, vorzugsweise mittels Schallwellen, vorzugsweise steuerbare Linse, ein
Interferometer-Array, vorzugsweise ein passives
Interferometer-Array, ein Fabry-Perot-Element , beispielsweise ein aktiv gesteuertes Fabry-Perot-Element, eine Phasenmaske, eine Polarisationsmaske, ein räumlicher Lichtmodulator. Das Bildwandlungsmodul kann bevorzugt mehrere aktive optische Elemente unterschiedlicher Art aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Bildwandlungsmoduls nutzt einen optischen Aktuator, welcher als ein Mikrosystem mit mechanisch beweglichen Mikrospiegeln zur Aufnahme einer erweiterten Schärfentiefe ausgebildet ist. In dieser
Ausführungsform kann beispielsweise das oben beschriebene „MALS-Modul" der Firma SD Optics Inc. als optischer Aktuator Verwendung finden. Ein MALS-Modul kann beispielsweise als Fresnel-Linse ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in der WO 2005/119331 AI beschrieben ist. Diese Fresnel-Linse wird aus einer Vielzahl von Mikrospiegeln gebildet. Durch eine Veränderung der Lage der Mikrospiegel kann auf sehr schnelle Weise die Brennweite der Fresnel-Linse verändert werden. Diese
schnelle Veränderung der Brennweite erlaubt eine sehr schnelle Einstellung der abzubildenden Fokusebene. So wird es
ermöglicht, in kurzer Zeit eine Vielzahl von Aufnahmen in benachbarten Fokusebenen aufzunehmen. Eine derartige Folge von Bildern, welche in unterschiedlichen Fokusebenen aufgenommen wurden, wird auch als Fokus-Stapel bezeichnet. Aus einem
Fokus-Stapel kann ein Bild mit erweiterter Schärfentiefe ermittelt werden.
Gemäß einer weitergebildeten Ausführungsform ist zwischen der optischen Schnittstelle und dem Mikrosystem ein Strahlteiler angeordnet .
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, das Bildwandlungsmodul mit einem Spiegelsystem auszustatten. Das Spiegelsystem umfasst einen Konkavspiegel und einen dem Konkavspiegel gegenüberliegend angeordneten Konvexspiegel. Der Konvexspiegel ist als optisch aktives Element ausgebildet. Der Konkavspiegel und der Konvexspiegel sind vorzugsweise senkrecht zu einer Bildebene ausgerichtet. Alternativ können der Kokavspiegel und der Konvexspiegel auch parallel zu der Bildebene ausgerichtet sein .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das
Spiegelsystem weiterhin einen zwischen der optischen
Schnittstelle und dem Konkavspiegel angeordneten ersten
Planspiegel, welcher zum Umlenken von Strahlen in Richtung des Konkavspiegels winklig zur Bildebene ausgerichtet ist. Die auf den ersten Planspiegel auftreffenden Strahlen werden
vorzugsweise um 90° umgelenkt. Zwischen Konkavspiegel und dem Bildsensor ist ein zweiter Planspiegel angeordnet, welcher zum
Umlenken von Strahlen in Richtung des Bildsensors winklig zur Bildebene ausgerichtet ist. Die auf den zweiten Planspiegel auftreffenden Strahlen werden vorzugsweise um 90° umgelenkt.
Durch Variation des Konvexspiegels, welcher als optisch aktives Element ausgebildet ist, verschieben sich die Fokusse, d. h. die Fokusebenen, entlang der Hauptstrahlen und bilden unterschiedliche Objekttiefen auf dem Bildsensor ab. Die dabei durch das Mikroskop hervorgerufenen Abbildungsfehler werden durch angepasste Deformation des optisch aktiven Elements kompensiert. Weicht der Hauptstrahlverlauf im Objektraum von der Telezentrie ab, wird das Objekt mit variierendem
Abbildungsmaßstab auf den Sensor abgebildet. Diese
Ausführungsform des Bildwandlungsmoduls kann zusätzlich zu ihrer Verwendung als Bildwandlungsmodul auch als
eigenständiges Mikroskop genutzt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform können in das
Spiegelsystem weitere Funktionselemente, beispielsweise zur
Realisierung spektraler Messungen oder Farbmessungen,
integriert sein.
Zur Realisierung von Materialeigenschaftsmessungen, wie zum Beispiel zur Temperaturmessung, zum Erfassen elastischer
Eigenschaften u. ä, umfassen die Funktionselemente
vorzugsweise die für die jeweilige Messung erforderlichen sensorischen Elemente. Die Funktionselemente beinhalten gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform mindestens einen mechanischen Aktuator, welcher bevorzugt zum Verschieben eines optischen Bauelements dient . Das Bildwandlungsmodul weist gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform mindestens eine elektronische Steuereinheit zum Steuern der Funktionselemente und des Bildsensors auf. Die
Steuereinheit ist an die jeweils verwendeten Funktionselemente sowie an die jeweils genutzten optischen Elemente angepasst.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, das Bildwandlungsmodul mit einer internen Datenverarbeitungseinheit zur Verarbeitung der von dem Bildsensor erfassten Daten auszustatten.
Alternativ oder ergänzend kann das Bildwandlungsmodul auch eine Schnittstelle zur Übertragung der von dem Bildsensor erfassten Daten bzw. der von der internen
Datenverarbeitungseinheit verarbeiteten Daten an eine externe
Datenverarbeitungseinheit aufweisen .
Das Bildwandlungsmodul besitzt zweckmäßigerweise eine
Energieversorgungseinheit oder alternativ eine elektrische Schnittstelle zur Stromversorgung des Bildwandlungsmoduls aus einer externen Quelle.
Das erfindungsgemäße Mikroskop umfasst zunächst ein Objektiv zum optischen Abbilden einer Probe in einer Bildebene. Durch das Objektiv ist ein Bild mit einer optischen Auflösung in der
Bildebene darstellbar. Die optische Auflösung ist durch die physikalischen Vorgänge und die Eigenschaften des Objektivs bestimmt. Das Mikroskop umfasst weiterhin das erläuterte
Bildwandlungsmodul, welches über seine optische Schnittstelle an das Objektiv optisch angekoppelt ist. Das
Bildwandlungsmodul ist weiterhin über seine mechanische
Schnittstelle mit dem Mikroskop mechanisch verbunden.
Das Mikroskop weist bevorzugt eine Mikroskopbeleuchtung zur Beleuchtung der zu mikroskopierenden Probe auf. Die
Mikroskopbeleuchtung umfasst vorzugsweise eine
Durchlichtbeleuchtung, eine Ringbeleuchtung und eine
Koaxialbeleuchtung, die alternativ oder gemeinsam zum
Beleuchten der Probe eingesetzt werden können.
Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen :
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Mikroskops ;
Fig. 2: eine erste bevorzugte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Bildwandlungsmoduls zur Aufnahme einer erweiterten Schärfentiefe;
Fig. 3: ein Spiegelsystem des Bildwandlungsmoduls;
Fig. 4: eine zweite bevorzugte Ausführungsform des
Bildwandlungsmoduls zur Aufnahme einer erweiterten Schärfentiefe ;
Fig. 5: eine dritte bevorzugte Ausführungsform des
Bildwandlungsmoduls für spektrale Messungen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Mikroskops Ol. Mit dem Mikroskop Ol kann eine Probe 02 mikroskopiert werden. Das Mikroskop 01 umfasst eine Durchlichtbeleuchtung 03, eine Ringbeleuchtung 04 und eine Koaxialbeleuchtung 05, die alternativ oder gemeinsam zum Beleuchten der Probe 02 dienen. Das Mikroskop 01 beinhaltet weiterhin ein Objektiv 07 und ein Bildwandlungsmodul 08, welches über eine optische Schnittstelle 09 optisch an das Objektiv 07 angekoppelt ist. In der optischen Schnittstelle 09 bestimmen der Abstand und die Größe von einem mittels des Mikroskops 01 erzeugten Zwischenbild 10 und einer Pupille 12
der optischen Schnittstelle 09 die Anschlussbedingungen für das Bildwandlungsmodul 08. Das Bildwandlungsmodul 08 ist zur Bildwandlung mit einer oder mehreren Zusatzfunktionen
ausgebildet. Bevorzugte Ausführungsformen des
Bildwandlungsmoduls 08 werden nachfolgend mit Bezug auf die
Fig. 2 bis 5 näher erläutert
Fig. 2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform des
Bildwandlungsmoduls 08 zur Aufnahme einer erweiterten
Schärfentiefe. Das Bildwandlungsmodul 08 umfasst die optische
Schnittstelle 09 mit der Pupille 12 über welche das
Bildwandlungsmodul 08 an das Objektiv 07 des Mikroskops 01 optisch angekoppelt ist. Zur mechanischen Befestigung des Bildwandlungsmoduls 08 an einem Gehäuse (nicht dargestellt) des Mikroskops 01 dient eine mechanische Schnittstelle 13.
Das Bildwandlungsmodul 08 umfasst weiterhin ein
Funktionselement 14 zur Realisierung der Zusatzfunktion, welche in der gezeigten Ausführung in der Aufnahme einer erweiterten Schärfentiefe besteht. Das Funktionselement 14 ist zur Realisierung dieser Zusatzfunktion als Mikrosystem mit beweglichen Mikrospiegeln zur Messung einer Tiefeninformation der Probe 02 ausgebildet. Das Mikrosystem mit den beweglichen Mikrospiegeln ist über einen Strahlteiler 15 rückreflektierend angeordnet. Das Funktionselement 14 ist konjugiert zu der
Pupille 12 der optischen Schnittstelle 09 angeordnet.
Ein weiterer Bestandteil des Bildwandlungsmoduls 08 ist ein Bildsensor 17. Der Strahlteiler 15 rückreflektiert das vom Funktionselement 14 reflektierte Licht zum Bildsensor 17. Der
Bildsensor 17 dient zum Wandeln eines von dem Objektiv 07 auf den Bildsensor 17 mittelbar oder unmittelbar abgebildeten Bildes. Durch Variation des Funktionselementes 14 verschieben
sich die Fokusse entlang der Hauptstrahlen und bilden
unterschiedliche Objekttiefen auf dem Bildsensor 17 ab.
Gleichzeitig korrigiert das Funktionselement 14 Aberrationen in der Bildebene.
Außerdem kann das Funktionselement 14 ausschließlich für
Aberrationskorrekturen genutzt werden, ohne Fokussierung .
Sofern das das Funktionselement 14 nicht zur Fokussierung genutzt wird, kann es alternativ verwendet werden, um
Änderungen im Maßstab der Abbilddung von nicht telezentrischen
Optiken zu korrigieren. Weicht der Hauptstrahlverlauf im
Objektraum von der Telezentrie ab, wird das Objekt aus unterschiedlichen Entfernungen mit variierendem
Abbildungsmaßstab auf den Sensor abgebildet.
Zwischen dem Bildsensor 17 und dem Strahlteiler 15 ist
optional eine Tubuslinse 18 angeordnet. Ein optionales
Bildwandlungsmodulobj ektiv 19 befindet sich in der gezeigten Ausführungsform zwischen der optischen Schnittstelle 09 und dem Strahlteiler 15.
Das Bildwandlungsmodul 08 beinhaltet weitere Komponenten 20 zur Energieversorgung, zur Datenverarbeitung und für
Steuerungsaufgaben. Die weiteren Komponenten 20 sind in Fig. 2 zusammengefasst als eine Einheit dargestellt, können jedoch aus verschiedenen, voneinander baulich getrennten, Einheiten bestehen. Zu diesen weiteren Komponenten 20 gehört eine
Energieversorgungseinheit oder alternativ eine elektrische Schnittstelle zur Stromversorgung des Bildwandlungsmoduls 08. Die Energieversorgungseinheit kann beispielsweise durch
Batterien, welche vorzugsweise aufladbar sind, realisiert sein. Die weiteren Komponenten 20 beinhalten bevorzugt eine interne Datenverarbeitungseinheit zur Verarbeitung der von dem
Bildsensor 17 erfassten Daten. Das Bildwandlungsmodul 08 kann jedoch alternativ oder ergänzend auch mit einer Schnittstelle zur Übertragung der von dem Bildsensor 17 erfassten Daten bzw. der von der Datenverarbeitungseinheit verarbeiteten Daten an eine externe Datenverarbeitungseinheit ausgestattet sein. Die weiteren Komponenten 20 umfassen vorzugsweise auch mindestens eine elektronische Steuereinheit zum Steuern des
Funktionselementes 14 und des Bildsensors 17. Fig. 3 zeigt ein Spiegelsystem 22 des Bildwandlungsmoduls 08 mit eingezeichnetem Strahlengang. Das Spiegelsystem 22 umfasst einen Konkavspiegel 23 und einen dem Konkavspiegel 23
gegenüberliegend angeordneten Konvexspiegel 24. Der
Konvexspiegel 24 ist als optisch aktives Element ausgebildet, welches vorzugsweise als das Mikrosystem mit beweglichen
Mikrospiegeln realisiert ist. Weiterhin ist der Konvexspiegel 24 konjugiert zur Pupille 12 der optischen Schnittstelle 09 angeordnet. Um Platz für das reale optisch aktive Element zu schaffen, weicht der Aufbau vom klassischen Offner-System ab. Der Konkavspiegel 23 und der Konvexspiegel 24 sind senkrecht zu einer Bildebene 25 ausgerichtet. Zwischen der optischen Schnittstelle 09 und dem Konkavspiegel 23 ist ein erster
Planspiegel 27 angeordnet, welcher zum Umlenken von Strahlen in Richtung des Konkavspiegels 23 winklig zur Bildebene 25 ausgerichtet ist. Die auf den ersten Planspiegel 27
auftreffenden Strahlen werden in der gezeigten Ausführung um 90° umgelenkt. Zwischen dem Konkavspiegel 23 und dem
Bildsensor 17 ist ein zweiter Planspiegel 28 angeordnet, welcher zum Umlenken von Strahlen in Richtung des Bildsensors 17 winklig zur Bildebene 25 ausgerichtet ist. Die auf den zweiten Planspiegel 28 auftreffenden Strahlen werden in der gezeigten Ausführung um 90° umgelenkt. Durch Variation des Konvexspiegels 24, verschieben sich die Fokusse, d. h. die
abzubildenden Fokusebenen, entlang der Hauptstrahlen und bilden unterschiedliche Objekttiefen auf dem Bildsensor 17 ab. Gleichzeitig korrigiert der Konvexspiegel 24 Aberrationen in der Bildebene. Ebenso kann der Konvexspiegel 24 ausschließlich für Aberrationskorrekturen ohne Fokussierung genutzt werden.
Wenn alternativ der Konvexspiegel 24 nicht für die
Fokussierung genutzt wird, so kann er für die Korrektur bei auftretenden Änderungen im Maßstab der Abbildung von nicht telezentrischen Optiken verwendet werden.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform des Bildwandlungsmoduls 08 kann als eigenständiges Mikroskop genutzt werden. In das Spiegelsystem 22 können weitere Funktionselemente integriert sein. So können beispielsweise Funktionselemente, für
spektrale Messungen oder Farbmessungen, in dem Spiegelsystem
22 an geeigneten Stellen angeordnet sein.
Fig. 4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bildwandlungsmoduls 08 zur Aufnahme einer erweiterten Schärfentiefe. Im Unterschied zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform beinhaltet das Funktionselement 14 hier eine durch mechanische Schwingungen, vorzugsweise mittels Schallwellen, steuerbare Linse. Das Zwischenbild 10 des
Mikroskops 01 konjugiert zu der Objektebene des
Bildwandlungsmodulobj ektivs 19. Das Funktionselement 14 konjugiert zu der Pupille 12 der optischen Schnittstelle 09.
Fig. 5 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bildwandlungsmoduls 08 für spektrale
Messungen. Das Funktionselement 14 umfasst ein Interferometer-
Array. Hierbei kann beispielsweise das von der Firma fingGOe entwickelte passive Spektrometer zum Einsatz kommen. Das
Interferometer-Array kann in den optischen Weg eingeführt und
entfernt werden, so dass der Benutzer zwischen den Funktionen Bildaufnahme oder spektrale Messungen umschalten kann.
Weiterhin besteht die Möglichkeit der Anordnung weiterer
Funktionselemente 14. So kann ein aktives Fabry-Perrot-Element für spektrale Messungen mit hoher räumlicher Auflösung bis hin zur einzelnen Pixel-Auflösung Verwendung finden. Für Messungen mit erweiterter Schärfentiefe können eine Phasenmaske oder ein räumlicher Lichtmodulator in die Anordnung integriert werden. Die Nutzung einer Polarisationsmaske für Polarisations- messungen mit hoher räumlicher Auflösung ist ebenso möglich.
Bezugszeichenliste
01 - Mikroskop
02 - Probe
03 - Durchlichtbeleuchtung
04 - Ringbeleuchtung
05 - Koaxialbeleuchtung
06 - -
07 - Objektiv
08 - Bildwandlungsmodul
09 - optische Schnittstelle
10 - Zwischenbild des Mikroskops
11 - -
12 - Pupille der optischen Schnittstelle
13 - mechanische Schnittstelle
14 - Funktionselement
15 - Strahlteiler-
16 - -
17 - Bildsensor
18 - Tubuslinse
19 - Bildwandlungsmodulobj ektiv
20 - weitere Komponenten (Energieversorgung,
Datenverarbeitung, Steuerung)
21 - -
22 - Spiegelsystem
23 - Konkavspiegel
24 - Konvexspiegel
25 - Bildebene
26 - -
27 - erster Planspiegel
28 - zweiter Planspiegel
Claims
Patentansprüche
1. Bildwandlungsmodul (08) für ein Mikroskop, umfassend
folgende Komponenten:
- mindestens einen Bildsensor (17);
- mindestens ein Funktionselement (14) zur Realisierung einer der folgenden Zusatzfunktionen,
• Durchführung von Aufnahmen mit einer erweiterten
Schärfentiefe,
• Realisierung eines optischen Zooms,
• Messung von spektralen Eigenschaften,
• Farbmessung,
• Polarisationsmessung,
• Wellenfrontmessung zur Messung von
Materialeigenschaften, und/oder
• Aberrationskorrektur;
- eine optische Schnittstelle (09), welche an ein Objektiv des Mikroskops optisch ankoppelbar ist;
- eine Datenschnittstelle zur Übertragung der von dem
Bildsensor (17) ausgegebenen Daten; und
- eine mechanische Schnittstelle (13) zur lösbaren
Anbringung des Bildwandlungsmoduls (08) an dem Mikroskop.
2. Bildwandlungsmodul (08) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das mindestens eine Funktionselement (14) ein aktives optisches Element ist, welches aus der nachfolgenden Liste ausgewählt ist:
- ein optischer Aktuator,
- eine Flüssigkeitslinse,
- eine durch mechanische Schwingungen steuerbare Linse,
- ein Interferometer-Array,
- ein Fabry-Perot-Element ,
- eine Phasenmaske,
- eine Polarisationsmaske,
- ein räumlicher Lichtmodulator.
Bildwandlungsmodul (08) nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der optische Aktuator als ein
Mikrosystem mit mechanisch beweglichen Mikrospiegeln zur Aufnahme einer erweiterten Schärfentiefe ausgebildet ist.
Bildwandlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Spiegelsystem (22) mit einem Konkavspiegel (23) und einem dem Konkavspiegel (23) gegenüberliegend angeordneten, als optisch aktives Element ausgebildeten Konvexspiegel (24) umfasst.
Bildwandlungsmodul (08) nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das Spiegelsystem (22) weiterhin, einen zwischen der optischen Schnittstelle (09) und dem Konkavspiegel (23) angeordneten ersten Planspiegel (27), und einen zwischen Konkavspiegel (23) und dem Bildsensor (17) angeordneten zweiten Planspiegel (28) umfasst, wobei der erste Planspiegel (27) zum Umlenken von Strahlen in Richtung des Konkavspiegels (23) winklig zur Bildebene (25) ausgerichtet ist, und wobei der zweite Planspiegel (28) zum Umlenken von Strahlen in Richtung des Bildsensors (17) winklig zur Bildebene (25) ausgerichtet ist.
Bildwandlungsmodul (08) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvexspiegel (24) als das
Mikrosystem mit den mechanisch beweglichen Mikrospiegeln ausgebildet ist.
7. Bildwandlungsmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite
Planspiegel (27, 28) derart ausgerichtet sind, dass auf die Planspiegel (27, 28) treffende Strahlen um 90° umgelenkt werden .
8. Bildwandlungsmodul (08) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es eine interne
Datenverarbeitungseinheit (20) zur Verarbeitung der von dem Bildsensor (17) erfassten Daten aufweist und/oder eine Schnittstelle zur Übertragung der von dem Bildsensor (17) erfassten Daten und/oder der von der internen
Datenverarbeitungseinheit verarbeiteten Daten an eine externe Datenverarbeitungseinheit aufweist.
9. Bildwandlungsmodul (08) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine
Energieversorgungseinheit (20) oder eine elektrische
Schnittstelle zur Stromversorgung aufweist.
10. Mikroskop (01) mit einem Objektiv (07) und einem an das
Objektiv (07) optisch angekoppelten Bildwandlungsmodul (08) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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