CN104423027A - 显微镜 - Google Patents

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亚历山大·伽杜克
多米尼克·斯特尔
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Abstract

在此提供了一种包括记录单元(4)的显微镜，该记录单元具有放大成像光学单元(2)和图像模块(3)，用于以第一图像频率记录样品(6)的多个图像，以及数字评估单元(7)，所记录的这些图像被提供给该数字评估单元，并且该数字评估单元基于所记录的这些图像执行预先确定的图像处理，并结果以第二图像频率产生多个输出图像(B)，该第二图像频率小于该第一图像频率或等于该第一图像频率，并且可以将其转移至输出单元(11)以进行表示。

Description

显微镜
本发明涉及一种显微镜，具体涉及一种数字显微镜。
这种类型的显微镜常用于分析材料。为此，通常生成并展示样品的图像。
本发明的一个目的是使改进的显微镜可用。
该目的是通过一种包括记录单元的显微镜实现的，该记录单元具有放大成像光学单元和图像模块，用于以第一频率(或第一图像频率)记录样品的多个图像，以及数字评估单元，所记录的这些图像被提供给该数字评估单元，并且该数字评估单元对所记录的这些图像执行预先确定的图像处理，并结果以第二频率(或第二图像频率)产生多个输出图像，该第二频率小于该第一频率或等于该第一频率，并且可以将其转移至输出单元进行展示。
根据本发明的显微镜因此用于比其被展示得更快地记录图像数据，这样使得结果可以提供进一步的功能。
具体地，数字评估单元具有至少一个FPGA(现场可编程门阵列)。FPGA从而是数字技术的集成电路，其中，可以通过编程结构规则来确定单独的通用块的基本功能及其互连。因此，将其称为FPGA的配置也是合适的。这种FPGA可以用于使得用于执行所希望的图像处理所必需的计算能力是可用的。具体地，处理是可能的，该处理如此快速以致于可以实时地展示输出图像。
在根据本发明的显微镜中，图像模块可以包括具有本地接口的图像传感器，其中，通过本地接口将图像传感器数据(即，图像传感器的数据)直接转移到FPGA。从而可以保证快速的图像处理。
例如，第二频率可以至少为24Hz或25Hz。此外，第一频率优选地至少是第二频率的两倍，并且可以在高达300Hz的范围内。
数字评估单元可以进而具有至少一个数字信号处理器。这进而增强了图像处理的计算能力和输出图像的生成。
该评估单元被具体配置为显微镜中所提供的硬件，并且具体地并非常规计算机，而是针对预定图像处理而配置和优化的专用硬件。
数字评估单元可以基于至少两个已记录的图像生成(单独的)输出图像。具体地，所述数字评估单元可以生成例如HDR输出图像。
根据本发明的显微镜可以具有用于固定样品的样品台和用于在该样品台和该记录单元之间进行相对移动的移动单元，其中，以该第一频率进行的图像记录和该相对移动彼此同步。另外，该数字评估单元可以使得可供用于选择若干图像记录模式，这些图像记录模式在预先确定的有待执行的图像处理方面不同。
输出单元可以是显微镜的组成部分。显微镜可以进而还具有输入单元。
此外，数字评估单元还可以充当显微镜的控制单元。具体地，数字评估单元可以控制样品台和记录单元之间的相对移动、照明环境、光学放大率、和显微镜的任何其他设置。它还可以控制记录单元以及具体地图像模块。
图像模块可以具有一个或多个图像传感器。该或这些图像传感器可以例如是CCD传感器或CMOS传感器。
数字评估单元可以实现或使得可供选为预先确定的图像数据处理，例如动态压缩、白平衡、自动对焦、图像稳定化、z形堆栈图像的记录(即，若干具有不同焦点设置的记录)、具有增加的场深度的图像展示、不同的对比方法等。具体地，还可以使得所述图像处理模式中的各种可供用于彼此组合。
显微镜可以具有本领域技术人员已知的操作显微镜必需的进一步元件。
应当认识到的是，在不背离本发明的范围的情况下，之前所提到的特征和下文中将解释的特征不仅可以用于所述的组合，还可以用于其他组合或单独地使用。
下面将通过示例参照附图更详细地解释本发明，附图还披露了本发明中的必要特征，并且在附图中：
图1示出了根据本发明的显微镜的实施例的示意性图解，
图2示出了用于解释根据本发明的显微镜的操作的示意性图解，
图3示出了用于解释根据本发明的显微镜的操作的进一步的图解，以及
图4示出了根据图1的显微镜的数字评估单元7的多个部分的示意性图解。
在图1的实施例中，根据本发明的显微镜(或数字显微镜)1包括具有放大成像光学单元2和图像模块3的记录单元4、用于固定样品6的样品台5、以及数字评估单元7。此外，显微镜1包括：用类似支架的结构表示的移动单元8，该移动单元8可以相对于成像光学单元2在z轴方向、在x轴方向和在垂直于图面的方向移动样品台5；以及用于照亮样品6的照明单元22。
针对成像光学单元2而示意性绘出的为具有三个物镜的物镜座。图像模块3包括图像传感器9(例如CCD传感器或CMOS传感器)并与数字评估单元7连接。
在显微镜1的操作过程中，图像模块3以第一频率记录样品6的图像，并且这些图像(或数字图像数据)被提供给执行数字图像处理的评估单元7。具有比第一频率小的第二频率的输出图像由评估单元7所生成并被传递至输出单元11(在目前情况下，例如屏幕)，该输出单元然后可以通过接口10以第二频率展示这些输出图像，该接口可以是评估单元7的组成部分。
在根据本发明的显微镜1中，从而在数字评估单元7中以比然后生成输出图像的频率或图像频率更高的频率(或更好地图像频率)执行数据采集(对图像的记录)和数据处理。这然后可以用于扩展根据本发明的显微镜的功能。例如，然后可以通过计算和产生输出图像B例如(在各种情况下)从三个连续的记录A1、A2和A3(图2)将这些输出图像产生为所谓的HDR图像(具有高动态范围的图像)。图2示意性展示了所记录的图像A1、A2和A3以及沿着时间轴t的输出图像B。当然以不同的曝光条件(例如曝光时间)优选地记录单独的图像A1-A3，以便然后能够计算所希望的HDR输出图像B。然后可以实时地生成输出图像B，并且可以实时地以第二频率通过输出单元11将其展示为视频或视频流。
还可以结合多种功能。例如，此外可以从记录A1-A3以所希望的第二频率生成HDR图像B。同时，在每个HDR图像的图像记录的时间内，可以将进一步的记录或图像A4用于执行自动对焦，并且可以将进一步的记录或图像A5用于执行图像稳定化，这样使得HDR输出图像B的图像质量进一步提高。在图3中对此进行了示意性展示。
可以根据本发明为数字评估单元7提供其必需的计算能力，因为评估单元7优选地具有至少一个FPGA 12(现场可编程门阵列)和优选地至少一个数字信号处理器13。通过使用FPGA 12，用户可以提供所希望的功能并且可以选择多种功能中的一种，并且该功能然后还可以具体地通过示意性地示出的输入单元21立即实现。输入单元21可以例如是常规计算机、平板计算机、智能电话或另一设备。输入单元21与数字评估单元7之间的、以及输出单元11与数字评估单元7之间的连接可以是无线的或有线的。
图4示出了在各种情况下可以访问存储器14、15的FPGA 12的和数字信号处理器13的示意性功能图解。通过帧格式单元16将图像传感器9的数据提供给各种功能块17、18、19，这些功能块可以与寄存器单元20和存储器14通信并且可以执行所希望的图像处理。还可以在信号处理器13的功能块23、24、25中执行相应的处理。如果那样，可以通过各种接口输出数据。为此，在信号处理器中提供了用于无线传输的Wi-Fi编码器26和用于作为HDMI信号输出的HDMI格式单元27，并在FPGA 12中提供了逻辑门28和用于通过USB3接口传递输出图像的USB3格式单元29。
由于数字评估单元7具有FPGA 12和数字信号处理器13，可以实时地执行所描述的图像数据处理。这用常规计算机几乎是不可能的，因为大多数操作系统根本不是实时操作系统，并且因此不能保证相应较快的实时处理。
数字评估单元7被作为根据本发明的显微镜1中单独的硬件单元提供，并输出所希望的输出图像。
而且，数字评估单元7还可以用作显微镜1的控制单元，该控制单元控制例如光学放大率、照明条件、样品台移动或其他显微镜设置。
进一步的功能可以配备有根据本发明的显微镜以及具体地数字评估单元7。例如，可以进行自动白平衡，可以执行所生成的图像的动态压缩，并且例如可以执行所谓的颜色共站采样。在颜色共站采样中，样品被记录多次，其中，在记录之间，在一个方向(例如使用压电致动器)将图像传感器9移动一个像素。因此，如果那样的话，可以获得针对每个像素的完整的颜色信息，因为图像传感器通常被配置成使得它们具有滤色器，从而使得每个像素可以仅记录三原色红、绿或蓝中的一种。通过适当地移动图像传感器，然后由相应的像素来记录每个像点，这样使得可以完整地记录每个像点处的所有颜色通道。
此外可以实现不同的对比度和/或记录方法，例如可以执行亮场记录、暗场照明、差分干涉对比和分段照明。
用于图像记录的第一频率可以具体为第二频率的倍数。第二频率例如可以至少为24或25或30Hz，并且第一频率因此可以为至少48、50、60Hz。它还可以例如是100、150或300Hz。
在此结合图1所描述的显微镜的构造应该被纯粹地理解为示例。使用数字评估单元7的根据本发明的配置可以在任何已知的显微镜类型中实现。在此所描述的显微镜1被优选地配置成用于材料分析。
在根据本发明的显微镜中，与然后将用于生成输出图像的记录区域相比，此外可以使用图像传感器9记录更大的区域。在输出图像中未展示的记录那些部分可以用于显微镜的其他功能，例如用于自动聚焦和/或自动图像稳定化。

Claims (11)

1.一种显微镜，包括
记录单元(4)，具有放大成像光学单元(2)和图像模块(3)，用于以第一图像频率记录样品(6)的多个图像以及
数字评估单元(7)，所记录的这些图像被提供给该数字评估单元，并且该数字评估单元基于所记录的这些图像执行预先确定的图像处理，并以第二图像频率作为结果产生多个输出图像(B)，该第二图像频率小于该第一图像频率或等于该第一图像频率，并且可以将其转移至输出单元(11)以进行展示。
2.如权利要求1所述的显微镜，其中，该数字评估单元(7)具有至少一个FPGA(12)。
3.如权利要求1或2所述的显微镜，其中，该图像模块(3)具有图像传感器(9)，该图像传感器具有本地接口，其中，通过该本地接口将该图像传感器数据直接传输至该FPGA(12)。
4.如前述权利要求之一所述的显微镜，其中，该数字评估单元(7)具有至少一个数字信号处理器(13)。
5.如前述权利要求之一所述的显微镜，其中，该数字评估单元(7)被配置为该显微镜(1)内所提供的硬件。
6.如前述权利要求之一所述的显微镜，其中，该第二图像频率至少为24Hz。
7.如前述权利要求之一所述的显微镜，其中，该第一图像频率至少为该第二图像频率的两倍。
8.如前述权利要求之一所述的显微镜，其中，该数字评估单元(7)实时地生成并输出这些输出图像(B)。
9.如前述权利要求之一所述的显微镜，其中，该数字评估单元(7)基于至少两个已记录的图像(A1、A2、A3)生成输出图像(B)。
10.如前述权利要求之一所述的显微镜，包括用于固定该样品(6)的样品台(5)和用于在该样品台(5)和该记录单元(4)之间进行相对移动的移动单元(8)，其中，以该第一图像频率进行的图像记录和该相对移动彼此同步。
11.如前述权利要求之一所述的显微镜，其中，该数字评估单元(7)使得可供选择若干图像记录模式，这些图像记录模式在预先确定的有待执行的图像处理方面不同。
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