DE102005031104A1

DE102005031104A1 - Automatisches Mikroskop und Verfahren zur farbgetreuen Bildwiedergabe bei automatischen Mikroskopen

Info

Publication number: DE102005031104A1
Application number: DE102005031104A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Nolte; Lutz HÖRING
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-18
Also published as: US20070014000A1

Abstract

Bei einem automatischen Mikroskop und einem Verfahren zur farbgetreuen Bildwiedergabe bei automatischen Mikroskopen besteht die Aufgabe, ein Monitorbild bereitzustellen, das farblich und im Kontrast dem optischen Eindruck eines Okularbildes entspricht. DOLLAR A Gemäß der Erfindung erfolgt eine Ermittlung der spektralen Verteilung einer in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur ansteuerbaren Lichtquelle bei einer Erstinbetriebnahme und eine Zuordnung der Intensität spektraler Komponenten zu Ansteuerungsparametern für die Lichtquelle. Messergebnisse hinsichtlich der spektralen Verteilung der Lichtquelle bei Betrieb des Mikroskops und das bei der Erstinbetriebnahme festgestellte Verhältnis der Intensität spektraler Komponenten zu den Ansteuerungsparametern dienen der geregelten Ansteuerung der Lichtquelle. DOLLAR A Ferner ist eine Ermittlung der spektralen Verteilung des Monitorbildes bei der Erstinbetriebnahme und ein Vergleich der gemessenen spektralen Verteilungen der Lichtquelle und des Monitorbildes zu den bei der Erstinbetriebnahme ermittelten spektralen Verteilungen der Lichtquelle und des Monitorbildes vorgesehen. Festgestellte spektrale Abweichungen in den Verteilungen werden durch eine Anpassung der spektralen Verteilung des Monitorbildes an die spektrale Verteilung der Lichtquelle kompensiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein automatisches Mikroskop und auf ein Verfahren zur farbgetreuen Bildwiedergabe bei automatischen Mikroskopen, die eine in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur ansteuerbare Lichtquelle, abbildende Optiken, einen Bildempfänger zur Bildaufnahme und einen Monitor zur Anzeige von aufgenommenen Bildern enthalten und die mit einem Auswerte- und Steuerrechner verbunden sind.
An die optischen Komponenten automatisierter, auf die Abmessungen der Probengeometrie bzw. auf die Geometrie der verschiedenen Probenträger sowie auf die ausschließliche Verwendung von optoelektronischen Sensoren ausgerichteter Mikroskopsysteme werden völlig andere Anforderungen gestellt, als es bisher für konventionelle Mikroskope üblich war.
Derartige Mikroskopsysteme sollen im optischen Aufbau wesentlich kompakter sein, weshalb sich insbesondere lichtemittierende Halbleiterbauelemente (LED) als Beleuchtungskomponenten anbieten, mit denen sich, im Unterschied zu den sonst üblichen Lichtquellen, wie z. B. Höchstdrucklampen oder Halogenlampen, ein räumlich ausgedehntes und somit quellenangepasstes Beleuchtungsfeld aufbauen lässt, wodurch eine erhebliche Verringerung des Optikaufwandes erreicht werden kann.

Während in konventionellen Mikroskopen und Mikroskopsystemen üblicherweise Beleuchtungssysteme eingesetzt werden, die sich ohne zusätzliche optische Bauelemente nicht in der Farbtemperatur und nur eingeschränkt in der Helligkeit steuern lassen, bieten lichtemittierende Halbleiterbauelemente (LED) ferner den Vorteil der einzelnen Ansteuerung von derartigen Bauelementen innerhalb des Beleuchtungsfeldes ( DE 203 04 412 U1 ).

Es lassen sich Lichtquellen aufbauen, in denen durch Überlagerung unterschiedlicher Wellenlängen weißes Licht erzeugt werden kann ( DE 103 14 125 A1 ).

Probleme bestehen bei diesen automatischen Mikroskopsystemen jedoch dahingehend, Helligkeit, Farbtemperatur und Farbauswahl des Beleuchtungsfeldes, die Belichtungszeiten des Kamerasystems und die Farbdarstellung auf einem Monitor derart einzustellen, dass ein Betrachter einen farblich und kontrastmäßig mit einem Okularbild vergleichbaren optischen Eindruck erhält.

Bisher für die Bildaufnahme übliche Kalibrierungsroutinen, wie ein Weißabgleich, bei dem eine Definition der Farbe „Weiß 3200K" durch Auswahl eines Pixels mit der entsprechenden Farbtemperatur und automatische Anpassung der Bildinformation an diese Farbtemperatur erfolgt oder ein Schwarzabgleich mit manueller Definition eines Pixels ohne Farbinformation und automatischer Anpassung der Bildinformation sowie Eliminierung des Hintergrundrauschens sind nicht in der Lage, die gesamte elektronische Bildgebungskette (Beleuchtung, Filter, Kamera, Graphikkarte, Bildschirm) zu kalibrieren und zu steuern.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Monitorbild bereitzustellen, das farblich und im Kontrast dem optischen Eindruck eines Okularbildes entspricht.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein automatisches Mikroskop gelöst, das zur farbgetreuen Bildwiedergabe eine Lichtquelle enthält, welche durch eine Lichtquellensteuerung in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur ansteuerbar ist.

Ferner enthält das automatische Mikroskop zur farbgetreuen Bildwiedergabe

– eine Beleuchtungsoptik,
– eine, mit einer ersten Steuerungseinheit in Verbindung stehende erste spektral messende Einrichtung, die zur Messung der spektralen Verteilung des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes dient,
– eine Objekthalterung,
– eine Abbildungsoptik,
– einen elektronischen Bildempfänger, der mit einem Monitor zur Anzeige von aufgenommenen Bildern verbunden ist und
– einen, mit der ersten Steuerungseinheit und dem Monitor verbundenen Auswerte- und Steuerrechner, der zur Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur der Lichtquelle über die erste Steuerungseinheit und über die mit dieser verbundenen Lichtquellensteuerung vorgesehen ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Lichtquelle als Beleuchtungsfeld ausgebildet, das sich aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen zusammensetzt, welche durch die Lichtquellensteuerung in der Intensität einzeln ansteuerbar sind, wodurch eine Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes erfolgen kann.

Wird mit einer zweiten spektral messenden Einrichtung vorteilhaft die spektrale Verteilung des Monitorbildes erfasst, kann der Auswerte- und Steuerrechner ferner dafür vorgesehen sein, die spektrale Verteilung des Monitorbildes mit der ermittelten spektralen Verteilung des von dem Beleuchtungsfeld abgegebenen Lichtes zu vergleichen, um die Helligkeit und/oder die Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes und des Monitors zur farbgetreuen Wiedergabe eines Objektes auf dem Monitor aufeinander abzustimmen.

Als spektral messende Einrichtung eignet sich ein in den optischen Strahlengang einschwenkbares Spektrometer oder der elektronische Bildempfänger dient als eine solche Einrichtung.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur farbgetreuen Bildwiedergabe bei automatischen Mikroskopen, die eine in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur ansteuerbare Lichtquelle, einen Bildempfänger zur Bildaufnahme und einen Monitor zur Anzeige von aufgenommenen Bildern enthalten und die mit einem Auswerte- und Steuerrechner verbunden sind, das folgende Verfahrenschritte aufweist:

– Ermittlung der spektralen Verteilung der Lichtquelle bei einer Erstinbetriebnahme und Zuordnung der Intensität spektraler Komponenten zu Ansteuerungsparametern für die Lichtquelle,
– Messung der spektralen Verteilung der Lichtquelle bei Betrieb des Mikroskops und
– geregelte Ansteuerung der Lichtquelle anhand der gemessenen spektralen Verteilung der Lichtquelle und des bei der Erstinbetriebnahme festgestellten Verhältnisses der Intensität spektraler Komponenten zu den Ansteuerungsparametern für die Lichtquelle.

Bevorzugt kann das erfindungsgemäße Verfahren folgende weitere Verfahrensschritte enthalten:

– E rmittlung der spektralen Verteilung des Monitorbildes bei der Erstinbetriebnahme,
– Messung der spektralen Verteilung des Monitorbildes bei Betrieb des Mikroskops und Vergleich der gemessenen spektralen Verteilungen der Lichtquelle und des Monitorbildes zu den bei der Erstinbetriebnahme ermittelten spektralen Verteilungen der Lichtquelle und des Monitorbildes, um spektrale Abweichungen in den Verteilungen festzustellen und
– Kompensation festgestellter spektraler Abweichungen durch eine Anpassung der spektralen Verteilung des Monitorbildes an die spektrale Verteilung der Lichtquelle.

Vorteilhaft erfolgt die Anpassung der spektralen Verteilung des Monitorbildes an die spektrale Verteilung der Lichtquelle durch eine Graphikkarten-Steuerung in dem Auswerte- und Steuerrechner.

Eine Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur einer aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen bestehenden Lichtquelle kann durch diskrete Ansteuerung der Intensität der zu einem Beleuchtungsfeld zusammengefassten Halbleiterbauelemente erfolgen, wobei entweder die angelegte Spannung oder der zugeführte Strom als Ansteuerungsparameter dienen.

Vorteilhaft ist es auch, wenn bei einer Überschreitung einer festgelegten Abweichung von dem bei der Erstermittlung festgestellten Verhältnis von Intensität und den zur Ansteuerung dienenden Leistungsparametern eine Information ausgegeben wird.

Insgesamt gewährleistet die Erfindung mittels spektraler Messungen und einer in der Helligkeit, Farbtemperatur und Farbauswahl automatisch einstellbaren und hinsichtlich einer Degradation kompensierbaren Lichtquelle eine vollständige Steuerung der elektronischen Bildgebungskette. Es kann ein Regelalgorithmus generiert werden, in den auch die Farbdarstellung auf dem Monitor eingeschlossen ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Blockdarstellung von Komponenten eines automatischen Mikroskops, das eine erste spektral messende Einrichtung für das von einem Beleuchtungsfeld abgegebene Beleuchtungslicht aufweist
2 eine Blockdarstellung von Komponenten eines automatischen Mikroskops, das eine weitere spektral messende Einrichtung für das Monitorbild enthält
Gemäß der Erfindung enthält ein automatisches Mikroskop entsprechend 1 als Komponenten eine Lichtquelle 1 mit Lichtquellensteuerung 2, der eine Beleuchtungsoptik 3 nachgeordnet ist. Ein zu untersuchendes Objekt 4, für das eine nichtdargestellte Halterung vorgesehen ist, wird über eine Abbildungsoptik 5 auf einen elektronischen Bildempfänger 6 abgebildet, der mit einem Monitor 7 zur Anzeige von aufgenommenen Bildern verbunden ist.
Mit einem Auswerte- und Steuerrechner 8, der mit einer ersten Steuerungseinheit 9 und dem Monitor 7 verbunden ist, kann über die erste Steuerungseinheit 9 und über die mit dieser verbundenen Lichtquellensteuerung 2 eine Lichtquelleneinstellung vorgenommen werden.
Das von der Lichtquelle 1 ausgesendete Licht wird bei einer Erstinbetriebnahme direkt auf den elektronischen Bildempfänger 6 gerichtet, wodurch in Abhängigkeit von den Ansteuerungsparametern (angelegte Spannung oder zugeführter Strom) für die Lichtquelle über die auf dem Bildempfänger 6 gemessene Intensität ein Spannungs/Strom-Intensitäts-Diagramm der Lichtquelle 1 erstellt wird. Ist der Bildempfänger 6 als Farbkamera ausgebildet, lässt sich das Spannungs/Strom-Intensitäts-Diagramm für die drei spektralen Komponenten erstellen. Das Spannungs/Strom-Intensitäts-Diagramm dient dem Auswerte- und Steuerrechner 8 als Lookup-Tabelle (LUT) zur Regelung der Beleuchtungsintensität der Lichtquelle 1 über die Spannung oder den Strom.
Vorteilhaft kann dabei die Alterung der Lichtquelle 1, erkennbar über eine Abweichung der Messwerte im Spannungs/Strom- Intensitäts-Diagramm, verfolgt werden, wodurch ein Konstanthalten der Intensität über einen Regelalgorithmus garantiert werden kann. Bei Überschreitung einer festgelegten Abweichung im Spannungs/Strom-Intensitäts-Diagramm kann der Auswerte- und Steuerrechner 8 eine Information über den Verschleiß der Lichtquelle 1 ausgeben.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als Lichtquelle 1 keine Einzelquelle, wie z. B. eine einzelne LED verwendet, sondern ein Beleuchtungsfeld, das sich aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen zusammensetzt, so dass durch Überlagerung einzelner Farben in der Objektebene Mischfarben erstellt werden können. Die Halbleiterbauelemente (LEDs) sind mittels der als mehrkanaliger LED-Controller (pro Farbe ein Kanal) ausgebildeten Lichtquellensteuerung 2 in der Intensität einzeln ansteuerbar, wodurch eine Einstellung der Helligkeit und der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes erfolgen kann.
Gemäß der Erfindung sind unterschiedliche Arten einer Beleuchtungssteuerung vorgesehen.
In einer ersten Ausführung wird das vom Beleuchtungsfeld erzeugte Licht bei der ersten Inbetriebnahme für jede einzelne Farbe nacheinander direkt auf den elektronischen Bildempfänger 6 gerichtet, wodurch in Abhängigkeit von den Ansteuerungsparametern Spannung oder Strom für die Lichtquelle 1 über die mit dem Bildempfänger 6 gemessene Intensität ein Spannungs/Strom-Intensitäts-Diagramm für die einzelnen spektralen Komponenten erstellt werden kann. Die Wertepaare aus dem Spannungs/Strom-Intensitäts-Diagramm dient dem Auswerte- und Steuerrechner 8 als Lookup-Tabelle (LUT) zur Regelung der spektralen Beleuchtungsintensität über die Spannung oder den Strom.
Über die Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauelemente können beliebige Farbtemperaturen des sichtbaren Spektrums erzeugt und die Gesamthelligkeit eingestellt werden. Auch für die entsprechend der Ansteuerung erzeugten Farbtemperaturen wird gemäß der Erfindung bei der Erstinbetriebnahme eine Lookup-Tabelle (LUT) erstellt.
Auch die Alterung der als Beleuchtungsfeld ausgeführten Lichtquelle 1 kann anhand der Abweichung der gemessenen Intensitäten für die einzelnen Farben von denen im Spannungs/Strom-Intensitäts-Diagramm verfolgt werden.
Eine zweite Ausführung sieht für eine Beleuchtungssteuerung eine spektral messende Einrichtung 10, wie z. B. ein Gitterspektrometer vor, der in den optischen Strahlengang O-O eingeschaltet werden kann und mit dem die gesamte, durch eine entsprechende Ansteuerung erzeugte spektrale Verteilung des Beleuchtungsfeldes erfasst werden kann. Durch den Vergleich mit einer als Lookup-Tabelle (LUT) gespeicherten, bei der Erstinbetriebnahme erfolgten Erfassung der ansteuerungsabhängigen spektralen Verteilung des Beleuchtungsfeldes wird eine Regelung und Überwachung der Beleuchtung durch den Auswerte- und Steuerrechner 8 durchgeführt.
Wird den in 1 enthaltenen Komponenten eine weitere spektral messende Einrichtung 11 für das Monitorbild hinzugefügt, lassen sich die wesentlichen farbbestimmenden Komponenten der elektronischen Bildgebungskette eines Mikroskops ansteuern und überwachen, was für einen gleich bleibenden Farbeindruck von mikroskopischen Aufnahmen auf einem konventionellen Farbmonitor über einen langen Zeitraum von großer Bedeutung ist.
Mit Hilfe der weiteren spektral messenden Einrichtung 11, insbesondere einem Spektrometer, das an einer Stelle der Bildschirmoberfläche des Monitors 7 angebracht ist, wird auch das Monitorbild in seiner spektralen Verteilung erfasst, wodurch auch die Farbinformation aus dem Monitorbild dem Auswerte- und Steuerrechner 8 übergeben werden kann. Wie bereits für die Lichtquelle 1, wird auch für den Monitor bei der Erstinbetriebnahme des automatischen Mikroskops eine Kalibrierungskurve erstellt, die dem Auswerte- und Steuerrechner 8 als Lookup-Tabelle dient.
Über einen Vergleich der spektralen Verteilung des direkten, von der Lichtquelle 1 emittierten Lichtes und des Monitorbildes werden spektrale Abweichungen, die durch optische und elektronische Elemente in der Abbildungskette zwischen der Lichtquelle 1 und dem Monitor 7 verursacht werden, ermittelt, wonach über die Graphikkarte des Auswerte- und Steuerrechners 8 ein Farbabgleich vorgenommen werden kann, indem die festgestellten spektralen Abweichungen durch eine Anpassung der spektralen Verteilung des Monitorbildes an die spektrale Verteilung der Lichtquelle 1 kompensiert werden.
Über den Vergleich der beiden Lookup-Tabellen für die Spektren der Beleuchtung und des Monitors und die direkte Ansteuerung der Graphikkarte können die beiden Spektren von Kamera und Monitor aufeinander abgeglichen werden.

Claims

Automatisches Mikroskop, das zur farbgetreuen Bildwiedergabe eine Lichtquelle (1) enthält, welche durch eine Lichtquellensteuerung (2) in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur ansteuerbar ist.
Automatisches Mikroskop nach Anspruch 1, enthaltend ferner zur farbgetreuen Bildwiedergabe: – eine Beleuchtungsoptik (3), – eine, mit einer ersten Steuerungseinheit (9) in Verbindung stehende erste spektral messende Einrichtung (10), die zur Messung der spektralen Verteilung des von der Lichtquelle (1) abgegebenen Lichtes dient, – eine Objekthalterung, – eine Abbildungsoptik, – einen elektronischen Bildempfänger (6), der mit einem Monitor (7) zur Anzeige von aufgenommenen Bildern verbunden ist und – einen, mit der ersten Steuerungseinheit (9) und dem Monitor (7) verbundenen Auswerte- und Steuerrechner (8), der zur Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur der Lichtquelle (1) über die erste Steuerungseinheit (9) und über die mit dieser verbundenen Lichtquellensteuerung (2) vorgesehen ist.
Automatisches Mikroskop nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquelle (1) als Beleuchtungsfeld ausgebildet ist, das sich aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen zusammensetzt, welche durch die Lichtquellensteuerung (2) in der Intensität einzeln und/oder in Gruppen gleicher Art ansteuerbar sind, wodurch eine Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes erfolgen kann.
Automatisches Mikroskop nach Anspruch 2 oder 3, bei dem eine zweite spektral messende Einrichtung (11) vorgesehen ist, welche die spektrale Verteilung des Monitorbildes erfasst.
Automatisches Mikroskop nach Anspruch 4, bei dem der Auswerte- und Steuerrechner (8) dafür vorgesehen ist, die spektrale Verteilung des Monitorbildes mit der ermittelten spektralen Verteilung des von dem Beleuchtungsfeld abgegebenen Lichtes zu vergleichen, um die Helligkeit und/oder die Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes und des Monitors (7) zur farbgetreuen Wiedergabe eines Objektes auf dem Monitor (7) aufeinander abzustimmen.
Automatisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die erste spektral messende Einrichtung (10) ein in den optischen Strahlengang (O-O) einschwenkbares Spektrometer ist.
Automatisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der elektronische Bildempfänger (6) als erste spektral messende Einrichtung (10) dient.
Verfahren zur farbgetreuen Bildwiedergabe bei automatischen Mikroskopen, die eine in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur ansteuerbare Lichtquelle, abbildende Optiken, einen Bildempfänger zur Bildaufnahme und einen Monitor zur Anzeige von aufgenommenen Bildern enthalten und die mit einem Auswerte- und Steuerrechner verbunden sind, durch – Ermittlung der spektralen Verteilung der Lichtquelle bei einer Erstinbetriebnahme und Zuordnung der Intensität spektraler Komponenten zu Ansteuerungsparametern für die Lichtquelle, – Messung der spektralen Verteilung der Lichtquelle bei Betrieb des Mikroskops und – geregelte Ansteuerung der Lichtquelle anhand der gemessenen spektralen Verteilung der Lichtquelle und des bei der Erstinbetriebnahme vorgegebenen Verhältnisses der Intensität spektraler Komponenten zu den Ansteuerungsparametern für die Lichtquelle.
Verfahren nach Anspruch 8, das folgende weitere Verfahrensschritte enthält: – Ermittlung der spektralen Verteilung des Monitorbildes bei der Erstinbetriebnahme, – Messung der spektralen Verteilung des Monitorbildes bei Betrieb des Mikroskops und Vergleich der gemessenen spektralen Verteilungen der Lichtquelle und des Monitorbildes zu den bei der Erstinbetriebnahme ermittelten spektralen Verteilungen der Lichtquelle und des Monitorbildes, um spektrale Abweichungen in den Verteilungen festzustellen, und – Kompensation festgestellter spektraler Abweichungen durch eine Anpassung der spektralen Verteilung des Monitorbildes an die spektrale Verteilung der Lichtquelle.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Anpassung der spektralen Verteilung des Monitorbildes an die spektrale Verteilung der Lichtquelle durch eine Graphikkarten-Steuerung in dem Auswerte- und Steuerrechner erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem eine Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur einer aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen bestehenden Lichtquelle durch diskrete Ansteuerung der Intensität der zu einem Beleuchtungsfeld zusammengefassten Halbleiterbauelemente erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine angelegte Spannung oder zugeführter Strom als Ansteuerungsparameter für die einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelemente vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem bei einer Überschreitung einer festgelegten Abweichung von dem bei der Erstinbetriebnahme festgestellten Verhältnis von Intensität und den zur Ansteuerung dienenden Ansteuerungsparametern eine Information ausgegeben wird.