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Die
Erfindung betrifft eine Bildaufnahmeeinheit für mikroskopische Anwendungen.
Im Besonderen betrifft die Erfindung eine Bildaufnahmeeinheit für mikroskopische
Anwendungen, mit mindestens einem Mikroskopobjektiv, das an einem
Gehäuse
angebracht ist.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 196 09 288 A1 offenbart ein kompaktes
Mikroskop insbesondere für
medizinische Routineanwendungen. Das Mikroskop ist als geschlossenes
Gehäuse
ausgebildet, in das das zu untersuchende Präparat über eine Eingabeöffnung eingezogen
wird. Sämtliche
optischen Komponenten sind innerhalb des Gehäuses angeordnet. Alternativ
ist das Mikroskop in den Standardschacht eines Computers einsetzbar.
Sämtliche
beweglichen Komponenten des Mikroskops werden motorisch angetrieben
und über
den Computer softwaregesteuert. Zur Auswahl der interessierenden Objektdetails
kann das Präparat
in zwei zueinander senkrechten Richtungen innerhalb des Mikroskops bewegt
werden. Beim Einzug des Präparats
wird mit einem Zeilensensor ein Übersichtsbild
des Präparats erzeugt.
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Die
U.S. Patentanmeldung US 2003/0011883 A1 offenbart ein Mikroskopsystem. Das
Mikroskopsystem umfasst einen Tisch der in X- Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung beweglich
ist. Ferner ist ein Objektivrevolver vorgesehen, in dem mehrere Öffnungen
zur Aufnahme eines Objektivs ausgebildet sind. Ebenso ist auf dem Stativ
des Mikroskops eine TV-Kamera mit einem CCD-Chip angebracht. Das
Mikroskopsystem ist zusätzlich
mit einem Monitor und einer Kontrolleinrichtung versehen. Über die
Kontrolleinrichtung wird der elektrisch angetriebene Tisch gesteuert.
Die Position des Tisches kann mit linearen Encodern erfasst werden. Über eine
Maus kann der Benutzer eine gewünschte
Stelle eingeben, die dann von dem Tisch in entsprechender Weise
angefahren wird.
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Zu
den bekannten Verfahren in der klassischen Mikroskopie gehören Auflichtverfahren, Durchlichtverfahren,
Fluoreszenzlicht-Verfahren, Phasenkontrast-Verfahren, Interferenzkontrast-Verfahren,
etc. Gemäß dem Stand
der Technik gibt es unterschiedliche Baugrößen und Bauformen von Mikroskopen,
die für
unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. In der Industrie
werden viele Mikroskope in unterschiedlichen Gebieten eingesetzt. Hier
werden die Mikroskope in der Qualitätskontrolle und der Prozesskontrolle
eingesetzt. Infolge ihrer Baugröße und speziellen
Bauform können
die Mikroskope nicht bei allen Prozessen eingesetzt werden. Ferner
sind die Mikroskope oft empfindlich gegen Stäube, Gase, Flüssigkeiten,
etc., so dass diese Mikroskope häufig
außerhalb
der zu kontrollierenden Prozesse eingesetzt werden müssen. So
müssen
die zu untersuchenden Objekte dem Prozess entnommen und für die Untersuchung
an einen anderen Ort gebracht werden. Toxische Stoffe können somit
meist nur mit einem großen
Aufwand untersucht werden. Die Prozesse in den Reinsträumen können nur schwer
untersucht werden, da die Mikroskope viele äußere Flächen und Kanten aufweisen,
die als Schmutzfänger
dienen und somit eine Verunreinigungsquelle für die Reinsträume bilden.
Ebenso ist die Überwachung
an mehreren Punkten eines Prozesses problematisch. Bei der Verwendung
von einzelnen Mikroskopen ist die Durchführung von einer prozessbegleitenden,
automatischen Dokumentation schwierig. Auch eine Prozesssteuerung
infolge der Analyseergebnisse einer Objektprüfung durch die Mikroskope ist
nur mit größerem Aufwand
durchzuführen.
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Die
deutschen Patentanmeldungen
DE 102 46 277 A1 und
DE 102 46 275 A1 offenbaren
ein Mikroskop, dessen Stativ aus möglichst wenig Schalenteilen
aufgebaut ist. Hinzu kommt, dass das Mikroskop am Stativ einen Einstellknopf
für den
Fokus aufweist. Des Weiteren besitzt das Mikroskop gegenüber der
Höhe des
Stativs eine schmale Bauweise und die Zahl der Bedienelemente ist
auf ein Minimum reduziert. Dennoch besitzt das Mikroskop eine Vielzahl von
Außenflächen, so
dass hier immer noch die Gefahr der Anlagerung von Vermutzungen
besteht. Hinzu kommt, dass auf Grund des Mikroskoptisches die Einsatzmöglichkeit
bei verschiedenen Prozessen eingeschränkt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildaufnahmeeinheit für mikroskopische
Anwendungen zu schaffen, die variabel einsetzbar und für unterschiedliche
Untersuchungsbedingungen geeignet ist. Ferner soll die Bildaufnahmeeinheit
servicefreundlich, kostengünstig
und wartungsfreundlich sein.
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Die
Aufgabe wird durch eine Bildaufnahmeeinheit für mikroskopische Anwendungen
gelöst,
die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
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Es
ist vorteilhaft, wenn das Gehäuse
aus mehreren einzelnen, separaten Modulen gebildet wobei die Module
mindestens ein Elektronik – Modul, ein
Kamera-Modul, ein Beleuchtungs-Modul, ein Fokussier-Modul und ein
Filter-Modulumfassen.
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Das
aus den mehreren Modulen gebildete Gehäuse ergibt ein quadertörmiges Gehäuse, wobei das
aus den Modulen zusammengesetzte Gehäuse staubdicht ist. Das aus
den mehreren Modulen gebildete Gehäuse ist mit mindestens einem
Sackloch mit Gewinde zur Befestigung eines Halters versehen. Das
Gehäuse
ist mit mindestens einem Anschluss zur Spannungsversorgung und/oder
Datenübertragung
versehen. Ein elektrischer Anschluss ist für die Spannungsversorgung der
Bildaufnahmeeinheit vorgesehen. Der elektrische Anschluss stellt
die Spannungsversorgung für
die gesamte Bildaufnahmeeinheit sicher. Ferner ist ein elektrischer
Anschluss für die
Steuerung der Bildaufnahmeeinheit und der Bildübertragung aus der Bildaufnahmeeinheit
vorgesehen.
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Das
Elektronik-Modul umfasst eine Ansteuerungs- und Auswertelektronik.
Die Ansteuerungs- und Auswertelektronik ist für das Kamera-Modul, das Beleuchtungs-Modul
und das Fokussier-Modul vorgesehen.
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Das
Kamera-Modul umfasst eine Digitalkamera und eine Anpassungsoptik
an das Filter-Modul. Die Digitalkamera ist aus mindestens einem
2-dimensionalen
CCD-Array gebildet.
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Das
Beleuchtungs-Modul umfasst eine Lichtquelle und eine Anpassungsoptik
an das Filter-Modul. Die Lichtquelle ist eine Hochleistungs-LED,
wobei über
das aus den mehreren einzelnen Modulen gebildete Gehäuse die
Kühlung
der Hochleistungs-LEDs erfolgt.
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Das
Fokussier-Modul umfasst eine Fokussiermimik und eine Anpassungsoptik
an das Filter-Modul. Die Fokussiermimik oder Fokussiereinheit ist
mechanisch, piezomechanisch, elektrisch, als Ultraschallmotor oder
pneumatisch ausgebildet, wobei die Fokussiermimik ein Vor- und Zurückstellen
des Mikroskopobjektivs erlaubt.
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Das
Filter-Modul umfasst einen Strahlteilerwürfel oder einen herkömmlichen
Strahlteiler. Dabei der ist Strahlteilerwürfel oder der Strahlteiler
auswechselbar ausgebildet. Der Strahlteilerwürfel oder der Strahlteiler
separiert bei der Fluoreszenzanwendung der Bildaufnahmeeinheit das
Anregungslicht vom Emissionslicht.
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Mindestens
eine Außenfläche der
mehreren einzelnen, separaten Module ist aus einem gut wärmeleitenden
Material gebildet, wobei die Sacklöcher in der mindestens einen
Außenfläche ebenfalls
mit einem gut wärmeleitenden
Halter versehen sind.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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In
der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt,
und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische, perspektivische Ansicht der Bildaufnahmeeinheit die
aus den mehreren Modulen aufgebaut ist;
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2 eine
schematische perspektivische Ansicht der Bildaufnahmeeinheit, wobei
die mehreren Module zusammengefügt
sind, so dass ein einzelnes Gehäuse
entsteht;
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3 eine
schematische Darstellung der Bildaufnahmeeinheit in Wirkstellung
mit einem zu untersuchenden Objekt;
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4 eine
perspektivische, schematische Darstellung der Bildaufnahmeeinheit,
wobei der innere Aufbau der einzelnen Module dargestellt ist; und
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5 eine
schematische Darstellung des inneren Aufbaus der Bildaufnahmeeinheit.
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1 zeigt
eine schematische, perspektivische Ansicht der Bildaufnahmeeinheit 1,
die aus den mehreren Modulen 2, 4, 6, 8 und 10 aufgebaut
ist. Das Gehäuse 9 (siehe 2)
der Bildaufnahmeeinheit 1 ist aus mehreren einzelnen, separaten
Modulen gebildet. Ein erstes Modul ist ein Elektronik-Modul 2.
Ein zweites Modul ist ein Kamera-Modul 4. Ein drittes Modul
ist ein Beleuchtungs-Modul 6. Ein viertes Modul ist ein
Fokussier-Modul 8. Ein fünftes Modul ist ein Filter-Modul 10.
Die Bildaufnahmeeinheit 1 umfasst ferner mindestens ein
Objektiv 7. Das Objektiv 7 ist am Fokussier-Modul 8 angebracht.
Das Beleuchtungs-Modul 6 und/oder Filter-Modul 10 sind
jeweils mit einem Sackloch 12 mit Gewinde versehen. Das
Sackloch 12 dient zur Befestigung eines Halters 13 (siehe 3).
Das Elektronik-Modul 2 ist mit einem elektrischen Anschluss 5 für die Spannungsversorgung
der Bildaufnahmeeinheit 1 versehen. Die Spannungsversorgung
für die
Bildaufnahmeeinheit 1 kann durch einen Akku, durch Solarzellen
und/oder induktive Energieeinkopplung erfolgen. Ebenso ist das Elektronik-Modul 2 mit
einem elektrischen Anschluss 11 für die Steuerung der Bildaufnahmeeinheit 1 und
der Bildübertragung
aus der Bildaufnahmeeinheit 1 vorgesehen. Ein weiterer
elektrischer Anschluss ist für
die Steuerung der Bildaufnahmeeinheit als Antenne 15 zur
Funkübertragung
ausgebildet. Das Objektiv 7 bzw. das Fokussier-Modul 8 kann zusätzlich noch
mit einem Stellrad 16 versehen sein, über das sich das Objektiv 7 vor-
und zurückstellen lässt.
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2 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht der Bildaufnahmeeinheit 1,
wobei die mehreren Module 2, 4, 6, 8 und 10 zusammengefügt sind,
so dass ein einzelnes Gehäuse 9 entsteht. Durch
die mechanische Bauweise der einzelnen Module 2, 4, 6, 8 und 10 kann
eine Staubdichtigkeit erreicht werden.
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3 gibt
eine schematische Darstellung der Bildaufnahmeeinheit 1 wieder,
die in Wirkstellung mit einem zu untersuchenden Objekt 20 ist.
Hier ist ein Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei dem die Bildaufnahmeeinheit 1 Objekte 20 untersucht,
die auf einem Fließband 21 an
mindestens einem Objektiv 7 der Bildaufnahmeeinheit 1 vorbeibewegt
werden. Dabei wird das Objektiv 7 der Bildaufnahmeeinheit 1 über das
Fokussier-Modul 8 (siehe 1) entweder
mechanisch oder elektronisch per Autofokus scharf auf die zu untersuchenden
Objekte 20 eingestellt.
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Die
Bildaufnahmeeinheit 1 ist an einem Halteblech 22 über die
Schraube 23 und einem der Sacklöcher 12 (siehe 1)
an einem externen Halter (nicht dargestellt) befestigt. Die Spannungsversorgung
der Bildaufnahmeeinheit 1 erfolgt über den elektrischen Anschluss 5. Über den
elektrischen Anschluss 11 erfolgt die Steuerung der Bildaufnahmeeinheit 1 und
die Bildübertragung
aus der Bildaufnahmeeinheit 1. Der elektrische Anschluss 5 und
der elektrische Anschluss 11 ist jeweils mit einer geeigneten
Leitung 24 verbunden. Neben der festen physikalischen Verbindung
durch die Leitungen 24 kann auch eine Funkverbindung über die
Empfangs- und Sendeantenne 15 vorgesehen sein.
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4 stellt
eine perspektivische, schematische Darstellung der Bildaufnahmeeinheit 1 dar,
wobei der innere Aufbau der einzelnen Module 2, 4, 6, 8 und 10 dargestellt
ist. Das Elektronik-Modul 2 umfasst mindestens eine Steuerungsplatine 30,
die zum Steuern des Kamera-Moduls 4 (Bilddaten und Steuerung
wie Triggern, Bildrate, Weißabgleich,
Shadingkorrektur, etc.) Verwendung findet. Die Steuerungsplatine 30 enthält verschiedene
Mikrocontroller, vorzugsweise FPGAs, die für die verschiedenen Steuerungsaufgaben
zuständig
sind. Die Steuerungsaufgaben betreffen z.B. das Kamera-Modul 4,
das Beleuchtungs-Modul 6, das Fokussier-Modul 8 und
die Selbstprüfung,
etc.
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Wie
bereits offenbart, ist die Steuerungsplatine 30 in dem
Elektronik-Modul 2 untergebracht, und über Kabel 31 und Stecker 32 mit
den anderen Modulen 4, 6, 8 und 10 verbunden.
Die Verbindung zwischen den Modulen 2, 4, 6, 8 und 10 erfolgt
reversibel über
die Stecker 32.
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Das
Kamera-Modul 4 enthält
den Kamerachip 33, der z.B. mindestens einen CCD Chip umfasst.
Ebenso ist das Kamera-Modul 4 mit einer Optik 34 versehen,
die zum einen auf das Filter-Modul 10 abgestimmt ist, und
zum anderen den Lichtfluss 40 vom Objekt 20 geeignet
auf den Kamerachip 33 lenkt. Es sind verschiedene Typen
von Kamerachips 33 denkbar, etwa für hohe Empfindlichkeit oder
große Bildaufnahme-Geschwindigkeit.
Die Elektronik im Elektronik-Modul 2 muss dann angepasst
werden. Die Anpassung kann bei geeignetem Design der Elektronik über ein
Firmware-Update
erfolgen, so dass sich das Kamera-Modul 4 allein austauschen lässt und
alle anderen Module 2, 6, 8 und 10 der
Bildaufnahmeeinheit 1 weiter verwendet werden können.
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Im
Beleuchtungs-Modul 6 befindet sich mindestens eine Lichtquelle 35,
die als LEDs ausgebildet sein können.
Werden LEDs verwendet, dann handelt es sich dabei um sehr lichtstarke
Leuchtdioden, die sich durch eine hohe Lichtleistung auszeichnen
und auf einer Kühlplatte 36 an
der Außenwand 90 des
Beleuchtungs-Moduls 6 befinden. Dadurch ist die Wärme gut
nach Außen
abführbar.
Des weiteren befindet sich im Beleuchtungs-Modul 6 eine
optische Anpassungseinheit 37, die dafür sorgt, dass der Lichtfluss des
Beleuchtungs-Moduls 6 geeignet
an die Beleuchtungserfordernisse der Bildaufnahmeeinheit 1 angepasst
wird. Die als LED ausgeführte
Lichtquelle 35 ist leicht pulsbar, und eignet sich daher
gut für stroboskopische
Effekte. Durch geeignete Triggersignale kann der Bildaufnahmezeitpunkt
genau eingestellt werden (Shutter Effekt). Zudem ist die LED in
Ihrer Beleuchtungsstärke
dimmbar. Die Hochleistungs- LEDs gibt es für verschiedene Wellenlängen. Somit kann
für den
Fall eines Einsatzes der Bildaufnahmeeinheit 1 in der Fluoreszensanalyse
die erforderliche Anregungswellenlänge eine entsprechend angepasste
LED bzw. ein entsprechend angepasstes Beleuchtungsmodul zum Einsatz
kommen.
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Das
Filter-Modul 10 enthält
einen Strahlteilerwürfel 45,
der im Fluoreszenzfall an die gewünschte Anregungs- und Emissionswellenlänge angepasst ist.
Im normalen Auflichtfall besteht der Strahlteilerwürfel 45 nur
aus einem Strahlteiler, der das Beleuchtungslicht 41 auf
das Objekt 20, und das vom Objekt 20 ausgehende
bzw. reflektierte Licht 40 auf das Kamera-Modul 4 lenkt.
Bei einer Fluoreszenzanwendung der Bildaufnahmeeinheit 1 ist
ein Anregungsfilter 42 und ein Emissionsfilter 44 dem
Strahlteilerwürfel 45 zugeordnet.
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Das
Fokussier-Modul 8 adaptiert über eine geeignete Optik 46 den
Lichtfluss an das Objektiv 7. Das Fokussier-Modul 8 kann
dabei das Objektiv 7 parallel zu seiner optischen Achse 47 bewegen,
und somit das Bild des Objekts 20 scharf einstellen.
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Das
Fokussier-Modul 8 kann ferner eine mechanische Verstelleinheit 48 umfassen,
die sich durch drehen an einer Schraube einstellen lässt. Ebenso
ist auch ein elektronisch gesteuerter Fokus möglich. Die Fokusposition kann
z.B. über
ein Piezoelement (nicht dargestellt) eingestellt werden. Die Steuerung
wird dabei über
das Elektronik-Modul 2 vorgenommen oder über Ultraschallmotoren.
Die Fokusanalyse kann extern per Bildanalyse erfolgen, oder intern
in der Bildaufnahmeeinheit 1 durch geeignete und schnelle
elektronische Verfahren, die zusammen mit einer Software, die mittels
EEPROM o.ä.
Bauteilen fest in der Kamera integriert ist und per Firmware Update
auf unterschiedliche Einsatzfälle angepasst
werden können.
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5 zeigt
einen schematischen inneren Aufbau der Bildaufnahmeeinheit 1,
wobei ähnlich
einem Stromlaufplan der optische Signalfluss skizziert ist. Von der
Lichtquelle 35 wird das Licht über die optische Anpassungseinheit 37 auf
den Strahlteilerwürfel 45 gerichtet.
Die optischen Eigenschaften des Strahlteilerwürfels 45 können ebenfalls
durch einen dichroitischen Strahlteiler realisiert werden. Dem Strahlteilerwürfel 45 kann
ferner bei Fluoreszenz der Anregungsfilter 43 (bei Auflicht
entfällt
der Anregungsfilter) und der Emissionsfilter 44 zugeordnet sein.
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Der
Lichtstrahl 41 wird an dem Strahlteiler bzw. Strahlteilerwürfel 45 in
Richtung Objektiv 7 abgelenkt, und passiert dabei die Anpassungsoptik 46. Die
Fokussierung erfolgt durch die Verstelleinheit 48. Im Falle
einer nicht mechanischen Fokuseinstellung wird die Verstelleinheit 48 des
Fokussier-Moduls 8 über den
Anschluss 54 der Steuerungsplatine 30 gesteuert.
Das vom Objekt 7 ausgehende bzw. reflektierte Licht 40 passiert
den Strahlteiler bzw. Strahlteilerwürfel 45 in Richtung
des Kamerachips 33 der Digitalkamera. Bei einer Fluoreszenzanwendung
passiert das Licht 40 den Emissionsfilter 44. Über eine Optik 34 wird
das Licht 40 auf den Kamerachip 33 abgebildet. Über eine
Leitung 55 ist der Kamerachip 33 des Kamera-Moduls 4 mit
der Steuerungsplatine 30 verbunden. Die Leitung 55 leitet
die Bildsignale vom Kamerachip 33 an die Steuerungsplatine 30.
Die Spannungsversorgung der Bildaufnahmeeinheit 1 erfolgt über den
elektrischen Anschluss 5. Über den elektrischen Anschluss 11 erfolgt
die Steuerung der Bildaufnahmeeinheit 1 und die Bildübertragung
aus der Bildaufnahmeeinheit. Vom Anschluss 54 der Steuerungsplatine 30 führt eine
Leitung 58 zur Verstelleinheit 48. Vom Anschluss 56 der
Steuerungsplatine 30 führt
eine Leitung 59 zur Lichtquelle 35.