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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung mit einem
Sender, der zeitlich modulierte Beleuchtungsstrahlung auf ein aufzunehmendes
Objekt sendet, das daraufhin als Folge Meßstrahlung abgibt,
einer Abbildungsoptik, die mit der Meßstrahlung ein Bild
des Objektes in einer Bildebene erzeugt, in der ein mehrere Pixel
aufweisender Fotomischdetektor angeordnet ist, der für
eine Aufnahme die auf die Pixel auftreffende Meßstrahlung detektiert
und deren Phase relativ zur Beleuchtungsstrahlung ermittelt. Ferner
betrifft die Erfindung ein Aufnahmeverfahren, bei dem zeitlich modulierte
Beleuchtungsstrahlung auf ein aufzunehmendes Objekt gesendet wird,
das daraufhin als Folge Meßstrahlung abgibt, mit der ein
Bild des Objekts in einer Bildebene erzeugt wird, in der ein mehrere
Pixel aufweisender Fotomischdetektor angeordnet ist, der für
eine Aufnahme die auf die Pixel auftreffende Meßstrahlung detektiert
und deren Phase relativ zur Beleuchtungsstrahlung ermittelt.
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Eine
solche Aufnahmevorrichtung und ein solches Aufnahmeverfahren sind
beispielsweise aus Elektronik 9/2001, S. 60–64 „Objekterfassung
mit Intelligenz" sowie Elektronik 12/1999, S. 80–90 „Fotomischdetektor
erfaßt 3D-Bilder" bekannt. Der Fotomischdetektor
arbeitet dabei nach dem Prinzip des Echolaufzeit-Verfahrens, wobei
der Phasenzustand bzw. die Phase der Meßstrahlung relativ
zur Beleuchtungsstrahlung nach Durchlaufen der Meßstrecke (also
vom Sender über das Objekt bis zur Bildebene) ermittelt
wird. Dazu wird eine Multiplikation bzw. homodyne Mischung und anschließende
Integration durchgeführt, was einer Korrelation des Sendemodulationssignals
mit einem internen Referenzsignal entspricht, wobei diese Berechnung
für jedes Pixel im Fotomischdetektor durchgeführt
wird. Die dazu notwendigen Schaltelemente für jedes Pixel
sind auf dem Fotomischdetektor ausgebildet, wodurch die Pixelanzahl
relativ gering ist. Ein Fotomischdetektor weist daher üblicherweise
zirka 160×120 Pixel auf und wird insbesondere zur dreidimensionalen
Bilderfassung eingesetzt. Aufgrund der kleinen Pixelanzahl ist jedoch
die laterale Auflösung relativ gering.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Aufnahmevorrichtung der
eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß kostengünstig Aufnahmen
mit höherer lateraler Auflösung möglich sind.
Ferner soll das Aufnahmeverfahren der eingangs genannten Art so
weitergebildet werden, daß Aufnahmen mit höherer
Auflösung möglich sind.
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Die
Aufgabe wird bei einer Aufnahmevorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß eine Verschiebeeinrichtung
vorgesehen ist, mit der das Bild und der Fotomischdetektor relativ
zueinander in der Bildebene verschiebbar sind.
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Damit
ist es möglich, mehrere Aufnahmen des Objektes durchzuführen
und zwischen den Aufnahmen mittels der Verschiebeeinrichtung jeweils eine
relative Verschiebung des Bildes und des Fotomischdetektors zu bewirken.
Aus diesen mehreren Aufnahmen kann man dann rechnerisch eine Gesamtaufnahme
des Objektes ermitteln, die eine höhere laterale Auflösung
aufweist.
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Bei
der rechnerischen Ermittlung können insbesondere Mittelungsverfahren
eingesetzt werden.
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Bei
der Meßstrahlung kann es sich z. B. um reflektierte und/oder
gestreute Beleuchtungsstrahlung handeln. Es ist aber auch möglich,
daß mittels der Beleuchtungsstrahlung die Meßstrahlung
angeregt wird, wie z. B. Fluoreszenzstrahlung.
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Die
Verschiebeeinrichtung kann die relative Verschiebung zwischen dem
erzeugten Bild und dem Fotomischdetektor mit einer Schrittlänge
bewirken, die kleiner ist als die Abmessung eines der Pixel in Verschieberichtung.
Damit ist eine Sub-Pixel-Verschiebung möglich, die zu der
gewünschten höheren Auflösung führt.
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Die
Verschiebeeinrichtung kann insbesondere einen Fotomischdetektor
in der Bildebene verschieben.
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Ferner
ist es möglich, daß die Verschiebeeinrichtung
ein zwischen dem Fotomischdetektor und dem Objekt angeordnetes optisches
Element aufweist, das bewegt werden kann, um das erzeugte Bild in
der Bildebene relativ zum Fotomischdetektor zu verschieben.
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Bei
dem optischen Element kann es sich um ein refraktives und/oder diffraktives
optisches Element handeln. Die Bewegung des optischen Elementes
kann z. B. eine laterale Verschiebung, eine Drehung und/oder eine
Kippung um eine oder mehrere Achsen sein.
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Die
Aufnahmevorrichtung kann insbesondere so ausgebildet sein, daß aus
der ermittelten Phase die Tiefeninformationen des aufgenommenen
Objekts abgeleitet werden und somit eine 3D-Aufnahme erzeugt wird.
Ferner ist es möglich, daß aus der ermittelten
Phase eine Fluoreszenzlebensdauer eines mittels der Beleuchtungsstrahlung
angeregten Fluoreszenzstoffes oder Fluoreszenzlebensdauern mittels
der Beleuchtungsstrahlung angeregter Fluoreszenzstoffe des Objektes
ermittelt wird bzw. werden. In diesem Fall kann die Aufnahmevorrichtung
insbesondere als Weitfeldmikroskop zur Detektion von Fluoreszenzlebensdauern
eingesetzt werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung können
mehrere Aufnahmen zeitlich nacheinander durchgeführt werden,
wobei zwischen den Aufnahmen mittels der Verschiebeeinrichtung das Bild
relativ zum Fotomischdetektor verschoben wird. Aus diesen mehreren
Aufnahmen kann dann mittels eines Auswertemoduls eine Gesamtaufnahme
mit höherer Auflösung abgeleitet werden. Unter
einer höheren Auflösung wird insbesondere verstanden,
daß die Bildpunkteanzahl der Gesamtaufnahme größer ist
als die Pixelanzahl des Fotomischdetektors.
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Bei
der Aufnahmevorrichtung kann der Sender zur Erzeugung der zeitlich
modulierten Beleuchtungsstrahlung ein oder mehrere lichtemittierende
Dioden (LED) und/oder einen oder mehrere Halbleiterlaser (Laserdioden)
aufweisen. Ferner kann der Sender zur Erzeugung der zeitliche modulierten
Beleuchtungsstrahlung einen akusto-optischen Modulator (AOM) und/oder
einen elektro-optischen Modulator (EOM) enthalten.
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Die
Aufgabe wird bei einem Aufnahmeverfahren der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß mehrere Aufnahmen zeitlich
nacheinander durchgeführt werden, wobei zwischen den Aufnahmen
das Bild und der Fotomischdetektor relativ zueinander in der Bildebene
verschoben werden.
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Damit
ist es möglich, aus den mehreren Aufnahmen rechnerisch
eine Gesamtaufnahme mit höherer Auflösung zu ermitteln.
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Insbesondere
kann die relative Verschiebung zwischen dem erzeugten Bild und dem
Fotomischdetektor mit einer Schrittlänge bewirkt werden, die
kleiner ist als die Abmessung eines der Pixel in Verschieberichtung.
Die Pixel weisen häufig eine quadratische Fläche
von typischer Weise 40 μm × 40 μm auf.
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Ferner
ist es möglich, für die relative Verschiebung
den Fotomischdetektor in der Bildebene zu verschieben.
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Auch
kann ein optisches Element zwischen dem Fotomischdetektor und dem
Objekt angeordnet werden, das bewegt wird, um das erzeugte Bild
in der Bildebene relativ zum Fotomischdetektor zu verschieben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Aufnahmeverfahren können
aus der ermittelten Phase Tiefeninformationen des aufgenommenen
Objekts abgeleitet werden. Damit ist eine 3D-Aufnahme mit hoher
Auflösung möglich.
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Ferner
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der
ermittelten Phase eine Fluoreszenzlebensdauer eines mittels der
Beleuchtungsstrahlung angeregten Fluoreszenzstoffes des Objekts
ermittelt werden. In diesem Fall kann das Aufnahmeverfahren insbesondere
als Weitfeldmikroskopierverfahren ausgebildet sein.
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Die
beschriebene 3D-Aufnahmevorrichtung (bzw. das beschriebene 3D-Aufnahmeverfahren) kann
insbesondere im landwirtschaftlichen Bereich eingesetzt werden.
So können aufgrund der 3D-Aufnahmen landwirtschaftliche
Nutzfahrzeuge auch ohne Fahrer automatisch über die Ackeroberfläche gesteuert
werden. Dazu können mittels der erfindungsgemäßen
Aufnahmevorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen
Aufnahmeverfahren die Pflanzenreihen auf dem Acker dreidimensional
aufgenommen werden, so daß das Nutzfahrzeug daran automatisch ausgerichtet
bewegt wird. Die dazu notwendige Tiefenauflösung von einigen
Zentimetern bei einer Aufnahmeentfernung von etwa 20 m kann mit
der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung und
dem erfindungsgemäßen Aufnahmeverfahren auch bei
der erforderlichen lateralen Auflösung von wenigen Zentimeter
erreicht werden.
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Ein
anderes Anwendungsgebiet ist beispielsweise die Medizin, insbesondere
die Chirurgie und die Orthopädie. Hier sind Tiefen- und
Lateralauflösungen im Submillimeterbereich bei einer maximalen Aufnahmeentfernung
von etwa 2 m erforderlich. Mit der erfindungsgemäßen
Aufnahmevorrichtung und mit dem erfindungsgemäßen
Aufnahmeverfahren sind solche Auflösungen leicht erzielbar.
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Es
versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten
Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren,
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Aufnahmevorrichtung;
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2 eine
Darstellung zur Erläuterung der Auflösungssteigerung;
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3 eine
weitere Darstellung zur Erläuterung der Auflösungssteigerung;
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4 eine
andere Darstellung zur Erläuterung der Auflösesteigerung;
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5 eine
zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Aufnahmevorrichtung;
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6 eine
dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Aufnahmevorrichtung;
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7 eine
vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Aufnahmevorrichtung, und
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8 eine
fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Aufnahmevorrichtung.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt
die erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung 1 einen
Sender 2, der zeitlich modulierte Beleuchtungsstrahlung
auf ein aufzunehmendes Objekt 3 sendet. Bei dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Objekt 3 um
eine Pflanze.
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Die
Pflanze 3 reflektiert die Beleuchtungsstrahlung als Meßstrahlung.
Die Meßstrahlung wird genutzt, um mittels einer Abbildungsoptik 4 ein
Bild der Pflanze 3 in einer Bildebene 5 zu erzeugen,
wie in 1 schematisch angedeutet ist. In der Bildebene 5 ist
ein Fotomischdetektor 6 angeordnet, der mehrere in Zeilen
und Spalten angeordnete Pixel aufweist. Der Fotomischdetektor 6 kann
mittels eines Piezo-Aktuators 7 in der Bildebene 5 verschoben
werden, um die Auflösung der Aufnahme zu erhöhen, wie
nachfolgend noch detailliert beschrieben wird.
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Der
Sender 2, der Fotomischdetektor 6 und der Aktuator 7 sind
mit einem Steuer- und Auswertemodul 8 verbunden, das beispielsweise,
wie in 1 angedeutet ist, ein herkömmlicher Computer
sein kann. Um den kurzen Signallaufzeiten im ns-Bereich gerecht
zu werden, kann der Sender 2 auch direkt mit dem Fotomischdetektor 6 verbunden
sein.
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Mit
dem Fotomischdetektor 6 kann in bekannter Weise die Phase
der Meßstrahlung relativ zur (modulierten) Beleuchtungsstrahlung
für alle Pixel des Fotomischdetektors 6 gleichzeitig
erfaßt, ausgewertet und an das Steuer- und Auswertemodul 8 ausgegeben
werden. Damit ist es möglich, das Objekt 3 dreidimensional
mit hoher Tiefenauflösung aufzunehmen. Nachdem bei dem
Fotomischdetektor 6 aufgrund der auf dem Chip vorgesehenen
Auswerteelektronik für jedes Pixel die absolute Pixelanzahl
relativ gering ist (typischer Weise 160×120 Pixel), werden
mit der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung 1 mehrere
Aufnahmen zeitlich nacheinander durchgeführt, wobei zwischen
den Aufnahmen der Piezo-Aktuator 7 den Fotomischdetektor 6 in
der Bildebene 5 um eine Entfernung verschiebt, die geringer
ist als die Ausdehnung der Pixel in dieser Verschieberichtung. Durch
eine solche Sub-Pixel-Verschiebung kann die Auflösung dadurch
erhöht werden, daß das Steuer- und Auswertemodul 8 aus
allen Aufnahmen mit dem jeweils verschobenen Fotomischdetektor 6 die
gewünschte Gesamtaufnahme mit höherer Auflösung
berechnet.
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Um
beispielsweise die Auflösung in einer lateralen Richtung
(also innerhalb der Bildebene 5) zu verdoppeln, sind zwei
Aufnahmen notwendig, eine erste Aufnahme A1 (2) sowie
eine um ein halbes Pixel gegenüber der ersten Aufnahme
A1 lateral verschobene zweite Aufnahme A2. Zur vereinfachenden Darstellung
sind in 2 lediglich drei Entfernungswerte
in einer Zeile für jede Aufnahme dargestellt, die mittels
dem Fotomischdetektor 6 ermittelt werden. So wird der Entfernungswert
des ersten Pixels in der Zeile in der ersten Aufnahme mit E1 bezeichnet,
in der zweiten Aufnahme hingegen mit E1*. Wie ferner in 2 angedeutet
ist, kann das Steuer- und Auswertemodul 8 mittels einer
Mittelwertbildung dann die lateral höher aufgelösten
Entfernungswerte E1b, E2a, E2b, ... berechnen. Bei dieser Berechnung
wird das Randpixel (also das Pixel neben dem Entfernungswert E1b)
nicht berechnet, was jedoch bei einer zwei- bis dreistelligen Pixelanzahl
pro Zeile vernachlässigbar ist.
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Natürlich
kann die Mittelwertbildung zur Ermittlung der Entfernungswerte der
gewünschten Aufnahme B noch weiter entfernte Pixel mit
bevorzugt einer geringeren Gewichtung berücksichtigen.
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Wenn
man in der lateralen Richtung nicht nur eine Verdopplung, sondern
eine Verdreifachung der Auflösung wünscht, müssen
drei lateral verschobene Aufnahmen durchgeführt werden.
In 3 ist daher neben den Aufnahmen A1 und A2 eine
dritte Aufnahme A3 dargestellt, wobei dann aus allen drei Aufnahmen
das gewünschte Bild B mittels einer Mittelung berechnet
wird.
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Um
die Entfernungsauflösung in zwei orthogonalen Richtungen
in der Bildebene 5 zu verdoppeln, sind mindestens drei
lateral verschobene Aufnahmen notwendig.
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In 4 sind
für die Aufnahmen lediglich der Entfernungswert (E1, E1*,
E1**, E1***) für ein Bildpixel angezeigt, wobei jeweils
gestrichelt die relative Lage des physikalisch vorhandenen Pixels
zum anschließend zu berechnenden kleineren Pixel E1a (wegen
der höheren Auflösung) dargestellt ist.
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Die
zweite Aufnahme A2 ist in x-Richtung um eine halbe Pixelgröße
des physikalischen Pixels gegenüber der ersten Aufnahme
A1 verschoben. Entsprechend ist die dritte Aufnahme A3 um eine halbe Pixelgröße
in y-Richtung verschoben. Aus den drei Aufnahmen A1–A3
kann dann der Entfernungswert E1a als Mittelwert aus den Entfernungswerten
E1, E1* und E1** berechnet werden.
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Optional
ist es möglich, eine vierte Aufnahme A4 aufzunehmen, die
gegenüber der ersten Aufnahme A1 sowohl in x- als auch
in y-Richtung jeweils um eine halbe Pixelgröße
verschoben ist. In diesem Fall kann der Entfernungswert E1a als
Mittelwert aus den Entfernungswerten E1 und E1*, E1** und E1***
berechnet werden, wie in 4 angedeutet ist.
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In 5 ist
eine Abwandlung der Aufnahmevorrichtung 1 von 1 gezeigt,
wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und
zu deren Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen
wird. Bei der Ausführungsform von 5 ist eine
Planplatte 9 zwischen der Abbildungsoptik 4 und
dem Fotomischdetektor 6 angeordnet. Die Planplatte 9 kann
mit dem Piezo-Aktuator 7 um zwei zueinander orthogonalen
Achsen verkippt werden, so daß das Bild des Objektes 3 in
der Bildebene 5 in zwei lateralen Richtungen verschoben
werden kann. Damit ist in einfacher Art und Weise die notwendige
Verschiebung des Bildes in der Bildebene 5 relativ zum
Fotomischdetektor 6 möglich.
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In 6 ist
eine weitere Abwandlung der Aufnahmevorrichtung 1 von 1 dargestellt,
wobei wiederum gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet
sind und zu deren Beschreibung auf die obigen Ausführungen
verwiesen wird. Als Objekt ist nun beispielshalber ein Organ dargestellt,
um zu verdeutlichen, daß die erfindungsgemäße
Aufnahmevorrichtung auch in der Medizin einsetzbar ist. Zwischen
der Abbildungsoptik 4 und dem Fotomischdetektor 6 ist
ein refraktives und/oder diffraktives Element 9 angeordnet,
das mittels des Piezo-Aktuators 7 in zwei orthogonalen
Richtungen verschoben werden kann, um eine gewünschte Verschiebung
des Bildes in zwei lateralen Richtungen der Bildebene 5 relativ
zum Fotomischdetektor 6 zu erzeugen.
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Der
Sender 2 ist bevorzugt als modulierbare Halbleiterstrahlungsquelle
ausgebildet, die beispielsweise eine oder mehrere LEDs oder Laser
enthält. Die Schwerpunktwellenlänge der Beleuchtungsstrahlung
wird bevorzugt der spektralen Reflektivität des Objektes 3 angepaßt.
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Bei
Grünpflanzen kann die Schwerpunktwellenlänge beispielsweise
im Bereich von 500 bis 580 nm liegen. Bei organischem Gewebe ist
hingegen eher mit rötlichem Licht zu bestrahlen, so daß die Schwerpunktwellenlänge
im Bereich vom 600 bis 800 nm liegt. Die Modulationsfrequenz des
Senders kann im Bereich von 1 bis 500 MHz liegen, je nach gewünschter
Tiefenauflösung. Mit steigender Modulationsfrequenz steigt
die Tiefenauflösung.
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In 7 ist
eine Abwandlung der Aufnahmevorrichtung 1 gezeigt, mit
der eine Fluoreszenz-Lebensdauermessung in der Weitfeldmikroskopie (FLIM
= Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) möglich ist.
Der Sender 2 umfaßt hier eine multispektrale LED-
oder Laser-Weitfeldbeleuchtung 10, die mittels einer zeitlich
modulierten Stromquelle 11 angesteuert wird, um die modulierte
Beleuchtungsstrahlung zu erzeugen. Die so erzeugte Beleuchtungsstrahlung
wird über eine Beleuchtungstubusoptik 12, einem
Strahlteiler 13 und einem Objektiv 14 auf das
auf einem Probenträger 15 angeordnete fluoreszierende
Objekt 3 gerichtet. Die durch die Beleuchtungsstrahlung
angeregte Fluoreszenzstrahlung wird mittels des Objektives 14,
dem Strahlteiler 13 und einer Detektionstubusoptik 16 auf
den Fotomischdetektor 6 abgebildet, der wiederum mittels
des Piezo-Aktuators 7 in der Bildebene verschiebbar ist. An
dem Strahlteiler sind noch in bekannter Weise ein Fluoreszenzanregungsfilter 17 und
ein Fluoreszenzemissionsfilter 18 angebracht.
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Typische
Anregungswellenlängen für FLIM überdecken
den Bereich 350–900 nm.
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Mit
der Aufnahmevorrichtung 1 von 7 kann die
Phasenverschiebung zwischen der Beleuchtungsstrahlung und der (in
der Regel um einige ns verzögerte) Meßstrahlung
(Fluoreszenzlicht) gemessen werden. Statt Entfernungswerten wird
hier die Fluoreszenzlebensdauer aus der Phasenverschiebung bestimmt.
Die Auflösungserhöhung in lateraler Richtung (also
innerhalb der Bildebene) kann in gleicher Weise wie bei den oben
beschriebenen Ausführungsformen bezüglich der
Entfernungswertbestimmung durchgeführt werden.
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In 8 ist
die Ausbildung der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung
für FLIM-Messungen als Funduskamera schematisch dargestellt.
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Der
Sender 2 ist als zeitlich modulierbare, multispektrale
LED- oder Laser-Lichtquelle mit notwendiger Stromquelle ausgebildet,
dem eine Kollimationsoptik 20 nachgeordnet ist. Ferner
ist ein Strahlteiler 21 vorgesehen, der die Beleuchtungsstrahlung über
ein Objektiv 22 auf die Netzhaut 23 des Auges 24 lenkt.
Die Beleuchtungsstrahlung BS ist hierbei schematisch als Punktlinie
dargestellt. Die erzeugte Fluoreszenzstrahlung (Meßstrahlung
MS) ist gestrichelt dargestellt und wird über das Objektiv 22,
den Strahlteiler 21 und eine Abbildungsoptik 25 auf den
Fotomischdetektor 6 gerichtet, der über den Piezo-Aktuator 7 in
der Bildebene 5 lateral verschiebbar ist. Zwischen der
Kollimationsoptik 20 und dem Strahlteiler 21 ist
ein erster Filterwechsler 26 für Fluoreszenz-Anregungsfilter
vorgesehen. Zwischen dem Strahlteiler 21 und der Abbildungsoptik 25 ist
ein zweiter Filterwechsler 27 für Fluoreszenz-Emissionsfilter
angeordnet.
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Natürlich
ist bei den Ausführungsformen von 7 und 8 wiederum
ein Steuer- und Auswertemodul 8 vorgesehen, das hier zur
Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Elektronik
9/2001, S. 60–64 „Objekterfassung mit Intelligenz" [0002]
- - Elektronik 12/1999, S. 80–90 „Fotomischdetektor
erfaßt 3D-Bilder" [0002]