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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abbildungssystem zur multispektralen Bildgebung. In einem von einem abzubildenden Objekt kommenden Strahlengang befindet sich eine Filteranordnung zur Selektion bestimmter Spektralbereiche, und es ist mindestens eine Detektionseinrichtung für den Empfang der selektierten Spektralbereiche vorgesehen.
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Die Erfindung ist den Sachgebieten bildgebender Anordnungen zuzuordnen, die beispielsweise entweder unter Verwendung einer Digitalkamera mit ortsauflösendem Bildsensor eine bestimmte spektrale Auflösung erlauben oder auch scannend ein Objekt abtasten, um dieses mit vorgegebener spektraler Auflösungen auf einen Einzeldetektor abzubilden. Allgemein kann die Erfindung auch als bildgebende Multispektral-Messanordnung oder Multispektral-Kamera bezeichnet werden.
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Zur Selektion bzw. Filterung bestimmter Spektralbereiche werden traditionell Filterräder in den Strahlengang eingeordnet, auf denen typischerweise etwa 3 bis 10 separate Einzelspektralfilter angeordnet sind.
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Nachteiligerweise liegt bei derartigen Filterrädern die Umschaltdauer zwischen zwei Filtern unterschiedlicher Spektraleigenschaften im Bereich von 50 ms bis 500 ms und ist damit für eine schnelle spektrale Bildaufnahme zu hoch. Grund dafür ist, dass die verhältnismäßig große Masse aus Filtern, Fassungen und Filterrad mit vertretbarem Aufwand nicht beliebig beschleunigt werden kann. Außerdem ist die Anzahl der Spektralkanäle aufgrund des für Filterräder erforderlichen Bauraumes stark limitiert.
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Bekannt sind allerdings auch Filterrad-Anordnungen, bei denen das Filterrad mit konstanter Drehgeschwindigkeit bewegt wird. Derartige Anordnungen sind jedoch nur für feste Bildfrequenzen und gleiche Belichtungszeiten für alle Farbkanäle geeignet, wie zum Beispiel für Beamer.
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Bekannt ist weiterhin eine ANORDNUNG ZUR ERZEUGUNG SPEKTRAL AUFGELÖSTER BILDFOLGEN, bei der eine streifenförmige Filtermaske vor einem 2D-Kamerachip vorbeigeführt wird, wie in
DE 10 2006 018 315 A1 näher beschrieben. Während der Aufnahme eines Objektes wird die Filtermaske mittels Linearmotor relativ zum Kamerachip so bewegt, dass jeder Farbstreifen der Maske einmal vor einem ebenfalls streifenförmigen Bereich des Kamerachips positioniert ist. Dabei entstehen bunt gestreifte Einzelaufnahmen, aus denen ein Satz von spektralen Vollbildaufnahmen berechnet wird.
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Die Nachteile dieser Anordnung bestehen vor allem darin, dass die unmittelbar vor dem Kamerachip positionierte Filtermaske zum Übersprechen nebeneinander liegender Farben führt und die erforderliche Linearführung einschließlich Motorantrieb relativ groß und massereich ist, so dass bei hohen Beschleunigungen Erschütterungen entstehen. Außerdem werden alle Farbkanäle zwangsläufig gleichlang belichtet.
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In
US 020080123097 A1 ist ein SYSTEM ZUR MEHR- UND HYPERSPEKTRALEN BILDGEBUNG beschrieben, bei dem eine mosaikartige Anordnung von breitbandigen, sich überlappenden Farbfiltern verwendet wird. Hierbei wird ein spektral aufgelöstes Bild aus mehreren Einzelaufnahmen rekonstruiert, die sich spektral überlappen, so dass unterschiedliche Farbfilter, in der Regel Bandpässe, teilweise die gleichen Wellenlängen transmittieren oder reflektieren.
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Darüber hinaus sind multispektral bildgebende Vorrichtungen bekannt, deren Funktion darauf beruht, ein dispersives Element, zum Beispiel Gitter oder Prisma, zu bewegen oder einen durchstimmbaren Flüssigkristallfilter (LCTF = Liquid Crystal Tunable Filter) bzw. einen durchstimmbaren akustooptischen Filter (AOTF = Acousto Optic Tunable Filter) zu verwenden. Diese Verfahrensweise hat in der Regel den Nachteil einer geringen Lichteffizienz.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Abbildungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine Vielzahl spektraler Kanäle in deutlich kürzerer Zeit im Abbildungsstrahlengang bereitgestellt werden können, als es im Stand der Technik möglich ist, und das außerdem kostengünstig herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß umfasst ein solches Abbildungssystem
- – optische Baugruppen zur Erzeugung eines Abbildungsstrahlengangs aus dem von dem abzubildenden Objekt kommenden polychromatischen Licht,
- – eine Filteranordnung zur sequentiellen oder simultanen Selektion bestimmter, zur Abbildung des Objektes vorgesehener Spektralbereiche aus dem Abbildungsstrahlengang,
- – mindestens eine Detektionseinrichtung für das Licht der selektierten Spektralbereiche, und
- – eine mit der Detektionseinrichtung verbundene Bildwiedergabe- und/oder Bildauswerteeinrichtung, wobei
- – die Filteranordnung mehrere, lateral zur Ausbreitungsrichtung des Abbildungsstrahlengangs nebeneinander angeordnete Einzelfilterareale aufweist, die zur Selektion unterschiedlicher Spektralbereiche ausgebildet sind, und
- – eine Ablenkeinrichtung vorhanden ist, durch welche der Abbildungsstrahlengang auf Einzelfilterareale gerichtet ist, deren Eigenschaften den zu selektierenden Spektralbereichen entsprechen.
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Die Filteranordnung ist bevorzugt als Filtermaske mit matrixförmig, wabenförmig, oder streifenförmig ausgebildeten, spektral getrennten oder spektral ineinander verlaufenden Einzelfilterarealen ausgebildet, die unterschiedliche spektrale Transmissions- und/oder Reflexionseigenschaften haben.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Umlenkeinrichtung ein elektrostatisch oder galvanisch angetriebener Scan-Spiegel, bevorzugt ein MEMS-Scanner, vorgesehen und mit einer Ansteuerschaltung zur Vorgabe von Umlenkwinkeln gekoppelt, bei denen der Abbildungsstrahlengang jeweils auf die zur Selektion von Spektralbereichen vorbestimmten Einzelfilterareale gerichtet ist. Die Ablenkung kann dabei unstetig oder kontinuierlich vorgesehen sein.
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Im Rahmen des Erfindungsgedankens liegt es weiterhin, mehrere im Abbildungsstrahlengang gegeneinander austauschbare Filtermasken vorzusehen, die bezüglich ihrer Einzelfilterareale abweichende optische Eigenschaften haben. Damit kann die Anzahl der verfügbaren Spektralkanäle vervielfacht werden. Die Filtermasken können in einem Filterrad oder einer translatorischen Vorrichtung untergebracht sein.
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Die Einzelfilterareale können sowohl transmittierend als auch reflektierend ausgebildet sein. In diesem Fall sind für die transmittierten und reflektierten Strahlungsanteile jeweils gesonderte Detektionseinrichtungen vorgesehen. Die Spektralbereiche der Einzelfilterareale können zueinander komplementär sein oder auch überlappen.
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Die Ausgestaltung der bevorzugten Detektionseinrichtung hängt davon ab, ob die Erfindung Teil eines Weitfeld-Messsystems oder eines scannenden Messsystems ist. Bei einem Weitfeldmesssystem muss von der Detektionseinrichtung ein vollständiger abbildender Strahlengang simultan erfasst werden, daher ist in diesem Fall ein kameraartiger, ortsauflösender Detektor zu verwenden, beispielsweise eine CCD- oder eine CMOS-Kamera. Je nach Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann dabei die gesamte Chip-Fläche der Kamera simultan verwendet werden, oder es wird für jeden Farbkanal ein eigenes Sub-Areal der Kamera verwendet.
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Bei einem scannenden Messsystem kann statt der Kamera bzw. statt eines Sub-Areals der Kamera auch ein Einzeldetektor, beispielsweise ein Photomultiplier oder eine Photodiode, verwendet werden, da die Bildgebung in diesem Fall nicht simultan sondern sequenziell erfolgt. Wenn es sich um einen Linienscanner handelt, ist allerdings eine Detektionseinrichtung zu verwenden, die zumindest in einer Raumrichtung ortsauflösende ist, also beispielsweise eine Zeilenkamera.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung können der Filteranordnung bzw. der Filtermaske ein Facettenspiegel, ein DOE (Diffraktives optisches Element) oder eine zweite Ablenkeinrichtung nachgeordnet sein, um damit eine Kompensation der von der ersten Umlenkeinrichtung verursachten Richtungsänderung des Abbildungsstrahlengangs zu erreichen, so dass alle selektierten Spektralbereiche unabhängig von dieser Richtungsänderung auf einen Einzelsensoren gerichtet sind.
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Zusammenfassend besteht der Erfindungsgedanke unter anderem darin, den gesamten Abbildungsstrahlengang mit Hilfe eines aktuatorisch angetriebenen Spiegels derart umzulenken oder zu verschieben, dass er wahlweise auf unterschiedliche Einzelfilterareale der spektral selektiv wirkenden Filtermaske gerichtet werden kann, wobei die Einzelfilterareale unterschiedliche Bandpassfilter- oder Kantenfilter-Eigenschaften aufweisen. Auch Multibandfilter bzw. Kombinationen aus Multiband- und Kantenfiltern sind denkbar.
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Grundsätzlich wird ein kleiner Scan-Spiegel, vorzugsweise ein MEMS-Spiegel verwendet, der aufgrund seiner geringen Masse erheblich schneller bewegt werden kann als eine Ansammlung von Spektralfiltern, die sich beispielsweise in einem Filterrad befinden. Dadurch ist die Umschaltung von einem aktiven Spektralkanal zu einem anderen in weniger als 10 ms möglich, sie ist damit deutlich schneller möglich als bei Verwendung eines Filterrades.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der spektralen Auflösung von mehr als drei Spektralkanälen, wie sie bisher bei Farbkameras üblich sind. Die Anzahl der Spektralkanäle kann bei dem erfindungsgemäßen Abbildungssystem im Bereich von 4 bis 200 liegen; für die häufigsten Anwendungen kann jedoch eine auch im Hinblick auf den technischen Aufwand geringere bzw. optimale Anzahl von 4 bis 36 Spektralkanälen bereitgestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei Bedarf aus der Filtermaske eine Gruppe von Spektralkanälen auswählbar ist, wobei die Belichtungszeiten für die gewählten Spektralkanäle unterschiedlich sein und um einen Faktor > 10 abweichen können. Dies ist beispielsweise bei der Fluoreszenzmikroskopie von Bedeutung, wo die notwendige Belichtungszeit für verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe sehr unterschiedlich sein kann. Mit Hilfe des Scanners kann der Abbildungsstrahlengang für eine jeweils optimierte Dauer auf die unterschiedlichen Areale der Filtermaske gelenkt werden. So kann zum Beispiel ein erstes Areal ein Bandpassfilter darstellen, das die Fluoreszenzstrahlung des Farbstoffs Cy3 optimal transmittiert, während ein anderes Areal ein Bandbassfilter darstellt, das die Fluoreszenzstrahlung des Farbstoffs Cy5 optimal transmittiert.
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Die spektral selektiv wirkenden Baugruppen des erfindungsgemäßen Abbildungssystems, im Wesentlichen also der Scanner und die Filtermaske, weisen vorteilhaft eine hohe Transmissionseffizienz von > 70% auf, wodurch auch eine Eignung für bildgebende Messungen von Reflexionen, Streulicht, Absorption und Lumineszenz, darunter vor allem Fluoreszenz, vorliegt.
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Das erfindungsgemäße Abbildungssystem ist besonders vorteilhaft in der Mikroskopie nutzbar, jedoch ist die Verwendung auch in Form einer allgemeinen Multispektralkamera möglich. Die körperliche Umsetzung kann in einer Bauweise erfolgen, die den Einsatz im Austausch an die Stelle einer Standardkamera ermöglicht. Prinzipiell ist die Verwendung sowohl für Weitfeld-Bildgebung, für scannende Bildgebung mittels Punkt- und Linienscanner als auch für das Spinning-Disk-Verfahren möglich, das die Vorteile hoch auflösender Konfokalmikroskopie mit denen der Weitfeld-Mikroskopie in einem Komplettsystem vereint.
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Somit ergeben sich Applikationen im Zusammenhang mit der Separation mehrerer spektral überlappender Fluoreszenzspektren, zum Beispiel bei Q-dots oder organischen Farbstoffen, Multicolor FISH, FRET-Bildgebung, Autofluoreszenz-Unterdrückung, Analyse von spektralen Änderungen, zum Beispiel von pH- oder Ionen-sensitiven Farbstoffen, Spektraler Karyotyp-Analyse in Bezug auf Chromosomeneigenschaften, Hellfeld-Histopathologie, Charakterisierung von Nanopartikeln, Komponentenanalyse in der Materialmikroskopie, Dermatologie, insbesondere Hautkrebs-Vorhersage, Recyclingindustrie zur Kunststofftrennung, Prozesskontrolle in Pharma-, Textil- und sonstiger Industrie, Lebensmittelanalyse, Gerichtsmedizin, Landwirtschaft zur Satellitenüberwachung von Nutzflächen, Landschafts-Kartierung und Geologie, zum Beispiel zu Bohrkernuntersuchungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur wie angegeben, sondern auch in anderen Konfigurationen einsetzbar sind, ohne den Rahmen des Erfindungsgedankens zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 die prinzipielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystems,
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2 eine erste Ausgestaltungsvariante, bei der sich zwischen der Filtermaske und dem Ort des finalen Bildes eine abbildende Optik und ein feststehender Umlenkspiegel befindet,
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3 eine zweite Ausgestaltungsvariante, bei welcher der Abbildungsstrahlengang nach Passieren der Filtermaske auf ein DOE gerichtet ist,
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4 eine dritte Ausgestaltungsvariante, bei welcher der Abbildungsstrahlengang nach Passieren der Filtermaske auf einen Facettenspiegel gerichtet ist,
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5 eine vierte Ausgestaltungsvariante, bei welcher der Abbildungsstrahlengang nach Passieren der Filtermaske auf einen zweiten Scan-Spiegel gerichtet ist,
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6 eine fünfte Ausgestaltungsvariante, bei welcher die Nutzung sowohl der an der Filtermaske transmittierten als auch der reflektierten Strahlung vorgesehen ist,
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7 eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Erfindung, bei welcher in einer optischen Pupille des Abbildungsstrahlengangs ein spektraler Verlaufsfilter positioniert ist.
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1 zeigt beispielhaft den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Abbildungssystems, dazu ausgebildet, von einem Objekt 1 spektral aufgelöste Bilder zu generieren. Das Abbildungssystem weist ein Objektiv 2 und eine Tubuslinse 3 auf, die vorzugsweise Baugruppen eines Mikroskops sind, jedoch auch Teile ein anderes bildgebendes Gerätes sein können, wie z. B. eines Operationsmikroskops, einer Funduskamera oder einer Messkamera.
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Das Objektiv 2 kann prinzipiell Bestandteil einer beliebigen bildgebenden, optischen Mikroskopanordnung sein. Insbesondere kann es sich auch auch um eine SPIM-Anordnung (SPIM = Selective Plane Illumination Microscopy), ein LSM (Laser Scanning Microscope) oder ein Spinning-Disk-Mikroskop handeln. Das Einsatzgebiet erstreckt sich sowohl auf biologische und medizinische Anwendungen als auch auf Material-Untersuchungen und die Halbleiter-Inspektion.
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Zur Beleuchtung des Objektes 1 ist eine Lichtquelle 4 vorgesehen. Das von der Lichtquelle 4 ausgehende Licht ist auf die reflektierende Fläche eines dichroitisch ausgelegten Strahlteilers 5 und von dort durch das Objektiv 2 hindurch auf das Objekt 1 gerichtet. Das vom Objekt 1 reflektierte oder gestreute Licht tritt wieder durch das Objektiv 2 hindurch, passiert den Strahlteiler 5 und tritt in die Tubuslinse 3 ein.
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In der Darstellung nach 1 ist die Objektbeleuchtung mit polychromatischem Licht im sichtbaren Spektralbereich vorgesehen. Denkbar ist aber auch eine Fluoreszenzanregung; in diesem Fall sollte die von der Lichtquelle 4 ausgehende Anregungsstrahlung durch scharfkantige Spektralfilter oder durch Laserstrahlung spektral scharfkantig eingeschränkt sein (zeichnerisch nicht dargestellt). Der Strahlteiler ist dann so ausgelegt, dass er die Anregungsstrahlung reflektiert und die Fluoreszenzemission transmittiert.
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In einer bildgebenden Einrichtung nach Stand der Technik wäre im Zwischenbild 6 eine Kamera zur Aufnahme digitale Bilder positioniert. Sofern Farbbilder aufgenommen werden sollten, wäre in der Regel eine Farbkamera mit Bayer-Farbmaske vorgesehen.
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Erfindungsgemäß wird stattdessen der Abbildungsstrahlengang 7 nach dem Zwischenbild 6 fortgesetzt, und über eine Optik 8 wird der Abbildungsstrahlengang 7 gebündelt auf einen Scan-Spiegel 9 gelenkt.
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Der Strahldurchmesser am Ort des Scan-Spiegels 9 wird möglichst klein gehalten, so dass ein Scan-Spiegel 9 mit geringer Ausdehnung und geringem Gewicht genutzt werden kann, der mittels elektrostatischer oder galvanischer Antriebe verstellbar ist, vorzugsweise ein MEMS-Spiegel (MEMS = Micro-Electro-Mechanical Systems). Für größere Spiegel, etwa ab 10 mm Durchmesser der Spiegelfläche, kann auch ein konventioneller galvanisch verstellbarer Spiegel vorgesehen sein.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es, am Ort des Scan-Spiegels 9 ein weiteres Zwischenbild oder eine Pupille des Abbildungsstrahlengangs 7 zu erzeugen. Sofern hier ein Zwischenbild vorliegt, wird der Scan-Spiegel 9 vorzugsweise mit Staubschutzgläsern abgedeckt, die sich wenigstens 1 mm von der Spiegelfläche entfernt befinden. Dadurch wird vermieden, dass Staubpartikel im finalen Bild 13 scharf abgebildet erscheinen.
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Der erste Scan-Spiegel 9 ist um eine Achse, bevorzugt jedoch um zwei orthogonale Achsen verkippbar, so dass im letzteren Fall der Abbildungsstrahlengang 7 um beide Achsen umlenkbar ist. In jedem Fall sollte die Vorgabe des Umlenkwinkels, der durch den Scan-Spiegel 9 erreicht werden soll, durch elektronische Ansteuerung möglich sein.
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Statt oder in Ergänzung zu einer Dreh- bzw. Kippbewegung kann der Scan-Spiegel 9 auch translatorisch bewegbar angeordnet sein, um den Abbildungsstrahlengang 7 auf der nachfolgend beschriebenen Filtermaske 11 bzw. im finalen Bild 13 verschieben zu können. Die translatorische Bewegung kann z. B. über Linearmotoren realisiert werden. Aus Gründen der Übersicht sind in 1 keine motorischen Antriebe für den Scan-Spiegel 9 dargestellt, die translatorischen Bewegungsrichtungen sind lediglich durch Pfeile angedeutet. Weiterhin sind die Dreh- bzw. Kipprichtungen des Scan-Spiegels 9 nicht eingeschränkt, d. h. sie sind mit und gegen den Uhrzeigersinn möglich, und die Kippachsen können je nach Bedarf beliebig im Raum angeordnet sein. Das gilt analog auch für seine translatorische Bewegung.
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Mittels einer weiteren Optik 10 ist der Abbildungsstrahlengang 7 auf eine zweidimensionale Filtermaske 11 gerichtet. Zwar ist jeder Spektralfilter an sich schon zweidimensional, jedoch ist mit der Bezeichnung „zweidimensional” im Sinne der Erfindung ausdrücklich gemeint, dass die Filtermaske 11 über ihre laterale Ausdehnung hinweg spektrale Variationen aufweist.
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Diese spektralen Variationen sollen vorzugsweise unstetig sein. Ist das erfindungsgemäße Abbildungssystem so ausgeführt, dass sich der Scan-Spiegel 9 in oder in der Nähe eines Zwischenbildes befindet, ist die Filtermaske 11 in oder in der Nähe einer Pupillenebene positioniert. Befindet sich der Spiegel 9 hingegen in oder in der Nähe einer Pupillenebene, ist die Filtermaske 11 in oder in der Nähe eines Zwischenbildes positioniert. Dadurch ist gewährleistet, dass Änderungen des Umlenkwinkels für den Abbildungsstrahlengang 7 durch den Scan-Spiegel 9 zu einer lateralen Verschiebung des Abbildungsstrahlengangs 7 an der Filtermaske 11 führen.
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Der Scan-Spiegel 9 hat also die Aufgabe, den kompletten Abbildungsstrahlengang 7 auf ein Einzelfilterareal der Filtermaske 11 zu lenken, um dort eine spektrale Filterung hervorzurufen. Die Einzelfilterareale bestehen aus einzelnen, lateral homogenen Transmissionsfiltern. Dabei kann es sich sowohl um spektrale Bandpassfilter als auch um spektrale Kantenfilter handeln. Weiterhin ist auch die Verwendung spektraler Multibandfilter bzw. einer Kombination aus Multiband- und Kantenfiltern denkbar. Die verschiedenen Einzelfilterareale können spektral komplementär sein oder einander überlappen. Der abgedeckte Spektralbereich für die Transmissionsfilter kann sich von 200 nm bis 2000 nm erstrecken. Die Hauptnutzung jedoch kann im Bereich 300 nm bis 1000 nm liegen.
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Die Einzelfilterareale können in verschiedenster Weise lateral angeordnet sein, wie z. B. in 1 angedeutet matrixförmig, wabenförmig, oder streifenförmig, dabei spektral getrennt mit unterschiedlichen spektralen Transmissionseigenschaften, die zeichnerisch durch unterschiedliche Schraffuren symbolisiert sind.
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Matrixartige Anordnungen sind technologisch einfach herzustellen. Eine wabenartige Anordnung minimiert die Filterfläche, da ein sechseckiges Einzelfilterareal dem in der Regel runden Strahlquerschnitt besser angepasst ist als ein quadratisches. Streifenförmige Einzelfilterareale wiederum minimieren den Scan-Winkel beim Wechsel von einem auf ein anderes Einzelfilterareal, wenn nur eine Scan-Richtung genutzt wird. Allerdings sind bei letzterem anamorphotische Optikelemente zu verwenden, da der Strahlquerschnitt für die streifenförmigen Einzelfilterareale stark asymmetrisch geformt werden muss. Diese asymmetrische Formung am finalen Bild 13 muss durch weitere anamorphotische Optikelemente wieder rückgängig gemacht werden.
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Nachdem der Abbildungsstrahlengang 7 die Filtermaske 11 passiert hat, wird nach Reflexion an einem feststehenden Umlenkspiegel 16, welcher zwecks Verringerung des Bauvolumens in den Abbildungsstrahlengang 7 eingefügt ist, mit einer weiteren Optik 15 das finale Bild 13 erzeugt, das nun eine spektrale Filterung aufweist. Das Bild 13 wird von einem ortsauflösenden Detektor 14 aufgenommen, der hier beispielhaft eine lateral ausgedehnte Empfangsfläche aufweist. Der Detektor 14 ist beispielsweise Teil einer Digitalkamera, kann aber auch als separate Baugruppe mit einer Bildwiedergabe- und/oder Bildauswerteeinrichtung gekoppelt sein. Seine Empfangsfläche ist symbolisch in Seitenansicht links neben dem Ort dargestellt, an dem das Bild 13 entsteht.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Abbildungssystems beschrieben. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in den zur Erläuterung dienenden 2 bis 7 für gleiche Baugruppen dieselben Bezugszeichen verwendet wie schon in 1.
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2 zeigt eine erste Ausgestaltungsvariante, bei der sich zwischen der Filtermaske 11 und dem finalen Bild 13 lediglich eine abbildende Optik 12 und wiederum zwecks Verringerung des Bauvolumens ein feststehender Umlenkspiegel 16 befinden. Die abbildende Optik 12 ist hierbei so ausgelegt, dass die Einzelfilterareale der Filtermaske 11 entsprechenden Sub-Arealen auf der in diesem Fall monochromen Empfangsfläche des Detektors 14 zugeordnet sind, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein Sub-Areal dieser Empfangsfläche beleuchtet wird. Da auf jedem Sub-Areal der Empfangsfläche das Objekt vollständig abgebildet wird, ist es vorteilhaft, als Detektor 14 einen großflächigen Kamerachip mit mindestens 5 Megapixeln zu verwenden, um eine akzeptable Pixelauflösung zu gewährleisten.
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Weiterhin sind in 2 die beiden von dem Scan-Spiegel 9 veranlassten Umlenkwinkel α und β zwischen den primären optischen Achsen vor und nach der jeweiligen Strahlumlenkung symbolisch dargestellt. Die Umlenkwinkel α und β betragen hier beispielsweise jeweils 90°, es können jedoch auch beliebige andere Winkel vorgegeben werden, solange sich die optischen Komponenten nicht gegenseitig räumlich behindern oder den Abbildungsstrahlengang 7 beschneiden.
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Um eine kompakte Bauweise zu erzielen, ist es beispielsweise vorteilhaft, für den Umlenkwinkel α einen Wert im Bereich 20° < α < 70° und für den Umlenkwinkel β einen Wert im Bereich 290° < β < 340° vorzusehen. Die Ausrichtungen des Umlenkspiegels 16 sind dann entsprechend anzupassen. Es ist auch eine Ausgestaltung möglich, bei der die Umlenkwinkel α und β nicht beide in derselben Ebene liegen, sondern beispielsweise zueinander orthogonale Ebenen einschließen.
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3 zeigt eine zweite Ausgestaltungsvariante, bei welcher der Abbildungsstrahlengang 7 nach Passieren der Filtermaske 11 auf ein DOE 17 trifft. Das DOE 17 hat dabei die Funktion, die von dem Scan-Spiegel 9 veranlassten Umlenkwinkel α und β in Abhängigkeit von der mittleren Wellenlänge des jeweils ausgewählten und verwendeten Einzelfilterareals der Filtermaske 11 so anzupassen, dass das finale Bild 13, unabhängig von der mittleren Wellenlänge, stets an derselben Stelle entsteht. Dadurch wird erreicht, dass ein kleinerer Kamerachip als in der ersten Ausgestaltungsvariante verwendet werden kann. Um diese zweite Ausgestaltungsvariante optimal zu realisieren, können auch noch weitere zu diesem Zweck ausgebildete Optiken in Form von Linsen oder Linsensystemen in den Abbildungsstrahlengang 7 eingefügt werden.
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4 zeigt eine dritte Ausgestaltungsvariante, bei der eine wellenlängenunabhängige Umlenkung des Abbildungsstrahlengangs 7 auf dieselbe Stelle des finalen Bildes 13 mit einem Facettenspiegel 18 realisiert wird. Dabei wird ausgenutzt, dass der Abbildungsstrahlengang 7 nach Passieren der Filtermaske 11 unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen hat, so dass er je nach verwendetem Einzelfilterareal auf unterschiedliche Facetten des Facettenspiegels 18 trifft. Da jede Facette einen anderen Umlenkwinkel bewirkt, entsteht das finale Bild 13 auch hierbei stets an der derselben Stelle, so dass wiederum ein kleinerer Kamerachip als in der ersten Ausgestaltungsvariante verwendet werden kann.
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In 4 ist lediglich ein Schnitt durch den Facettenspiegel 18 gezeigt. Da die Filtermaske 11 zweidimensional ausgelegt ist, ist der Facettenspiegel 18 so ausgebildet, dass er auch senkrecht zur Zeichenebene variierende Umlenkwinkel bewirkt. Um diese dritte Ausgestaltungsvariante optimal zu realisieren, können auch hier weitere, zu diesem Zweck ausgebildete Optiken in Form von Linsen oder Linsensystemen in den Abbildungsstrahlengang 7 eingefügt werden.
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5 zeigt eine vierte Ausgestaltungsvariante, bei der die wellenlängenunabhängige Umlenkung des Abbildungsstrahlengangs 7 auf dieselbe Stelle des finalen Bildes 13 mit einem zweiten Scan-Spiegel 19 vorgenommen wird. Der zweite Scan-Spiegel 19 kompensiert also die Ablenkung des ersten Scan-Spiegels 9. Während bei den Ausgestaltungsvarianten nach 3 und 4 der Vorteil darin besteht, dass das finale Bild 13 stets an derselben Stelle entsteht, ohne zusätzlich zum ersten Scan-Spiegel 9 bewegte Elemente zu nutzen, hat die Ausgestaltungsvariante nach 5 trotz der Verwendung eines weiteren bewegten Elementes in Form des zweiten Scan-Spiegels 19 den Vorteil, dass die Richtung des Abbildungsstrahlengangs 7 nach dem zweiten Scan-Spiegel 19 bei jeder Wellenlänge gleich ist, so dass das Licht immer unter dem gleichen Winkel auf den Detektor 14 fällt. Dies ist bei Verwendung von Kamerachips mit Mikrolinsenarrays von Vorteil, da diese einen begrenzten Akzeptanzwinkel aufweisen. Darüber hinaus kann nachfolgend eine Optik 20 mit einem vergleichsweise kleinen Durchmesser genutzt werden, was die Kosten und den Bauraum verringert.
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Der zweite Scan-Spiegel 19 ist ebenso wie der erste Scan-Spiegel 9 in der Regel um zwei Achsen kippbar, es sei denn, die Filtermaske 11 weist spektrale Variationen nur in einer Richtung auf. Auch beim zweiten Scan-Spiegel 19 handelt es sich bevorzugt um einen MEMS-Spiegel.
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Bei großen erforderlichen Spiegeldurchmessern kann jedoch auch hier ein konventioneller galvanischer Spiegel verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich zur Drehbewegung kann der zweite Scan-Spiegel 19 auch translatorisch bewegt werden, um eine optimale Funktion zu erzielen.
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6 zeigt eine fünfte Ausgestaltungsvariante, bei der zusätzlich von der Filtermaske 11 reflektierte Strahlung genutzt wird. Dazu wird die Filtermaske 11 so verkippt, dass sie nicht mehr senkrecht zur optischen Achse steht. In 5 ist dies durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Diese Flächennormale der Filtermaske 11 schließt nun einen Winkel ε mit der optischen Achse des Abbildungsstrahlengangs 7 ein. Der Winkel ε kann im Bereich von 10° bis 80° liegen.
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Zum Empfang der transmittierten und der reflektierten Strahlung ist hier beispielsweise je ein Detektor vorgesehen.
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Der wesentliche Vorteil der fünften Ausgestaltungsvariante besteht darin, dass alle Spektralanteile der vom Objektiv 2 aufgenommen Strahlung simultan genutzt werden können. Bei Verwendung von dichroitischen Filtern ist die von der Filtermaske 11 reflektierte Strahlung spektral komplementär zu der transmittierten Strahlung. Durch Verwendung von beispielsweise zwei bildgebenden Detektionseinrichtungen können simultan zwei Spektralkanäle mit voller Ortsauflösung betrieben werden.
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Die Detektion kann auch kaskadenartig aus immer wieder nachgelagerten Detektionseinrichtungen erfolgen, wodurch eine feinere spektrale Auflösung und/oder eine Erhöhung der simultanen Spektralkanäle möglich ist. Bei einem kaskadenartigen Aufbau sind in den Abbildungsstrahlengang 7 vorteilhaft Zwischenabbildungen mittels Relais-Optiken einzufügen.
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7 zeigt eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Erfindung, mit der eine prinzipiell beliebig hohe spektrale Auflösung erzielt werden kann.
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Dazu wird eine Filteranordnung in Form eines spektralen Verlaufsfilters 21 in einer optischen Pupille bzw. einer Fourierebene des Abbildungsstrahlengangs 7 positioniert. Der Verlaufsfilter 21 zeichnet sich dadurch aus, dass sich die spektralen Transmissionseigenschaften in mindestens einer lateralen Richtung kontinuierlich oder in sehr kleinen Schritten verändern.
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Beim Betreiben dieser Ausgestaltungsvariante wird mit Hilfe des ersten Scan-Spiegels 9 der Abbildungsstrahlengang 7 in Schritten oder kontinuierlich über den Verlaufsfilter 21 geführt. Die descannende Umlenkung nach einer der vorangehend beschriebenen Verfahrensweisen sorgt dafür, dass das finale Bild 13, unabhängig von der Position des Abbildungsstrahlengangs 7 auf dem Verlaufsfilter 21, stets an der gleichen Stelle entsteht.
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Aufgrund der Positionierung des Verlaufsfilters 21 in der Pupille bzw. Fourierebene erhält man im finalen Bild 13 keinen Farbverlauf, sondern eine über das gesamte Bildfeld gleichmäßige Farbverteilung, wobei der aktuelle Spektralbereich zur aktuellen Position des Abbildungsstrahlengangs 7 auf dem Verlaufsfilter 21 korrespondiert. Der Verlaufsfilter 21 kann den sichtbaren und/oder den UV- bzw. Infrarotspektralbereich abdecken. Zur Variation der spektralen Auflösung wird entweder die Scan-Schrittweite für den Abbildungsstrahlengang 7 über den Verlaufsfilter 21 variiert oder der Strahldurchmesser am Verlaufsfilter 21 mit einer Zoom-Optik verändert.
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Scannt man beispielsweise den Abbildungsstrahlengang 7 in 500 Schritten über den Verlaufsfilter 21 und nimmt man bei jedem Schritt in der Ebene des finalen Bildes 13 ein digitales Bild mit einer Auflösung von z. B. 1 Megapixel auf, so erhält man 500 spektral stark überlappende, aber dennoch spektral unterschiedliche Digitalaufnahmen mit voller lateraler Bildauflösung. Durch spektrales Entmischen mit Hilfe einer Recheneinheit können so annähernd 500 Spektralkanäle mit voller Bildauflösung generiert werden.
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Nimmt man an, dass jeder Schritt 2 ms in Anspruch nimmt, was eine Kamera mit einer Bildrate von 500 Bildern/s erfordert, so erhält man jede Sekunde einen Bildstapel, der sowohl lateral als auch spektral hoch aufgelöste Bildinformationen enthält. Reduziert man die laterale Bildauflösung auf beispielsweise 10.000 Pixel, so kann man 100 Bilder/s bei gleich hoher Spektralauflösung und entsprechend geringerer Bildauflösung generieren.
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Auf diese Weise lässt sich die Erfindung auch für Schichtdickenmessungen bei Bedampfungsanlagen, beispielsweise zur Glasbeschichtung, Wafer-Beschichtung oder OLED-Herstellung, verwenden.
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Im Unterschied zum Stand der Technik sind damit erstmals mit ein- und derselben Einrichtung räumlich und spektral hoch aufgelöste Messungen von Schichtdicken möglich, was bisher nur mit getrennten Messvorrichtungen vorgenommen werden konnte.
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Darüber hinaus sind mit der Ausgestaltungsvariante nach 7 auch ortsaufgelöste Spektralmessungen im Zusammenhang mit der Chemometrie möglich, wobei dann der Verlaufsfilter 21 vorzugsweise im infraroten Spektralbereich wirksam ist.
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Zusammenfassend ist anzumerken, dass das erfindungsgemäße Abbildungssystem insbesondere zur Verwendung mit bildgebenden Geräten mit Weitfeld-Bilderfassung geeignet ist, also z. B. Weitfeldmikroskope, Operationsmikroskope, Funduskameras oder Objektive für Messkameras aller Art. Die Beleuchtung kann dabei strukturiert oder unstrukturiert sowohl im Auflicht als auch im Durchlicht erfolgen.
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Bevorzugt soll die Erfindung so aufgebaut sein, dass eine separate Kamera, welche sich normalerweise im Zwischenbild 6 befindet, an den Ort des finalen Bildes 13 zu stellen ist. Diese Anordnung kann dann in einem Gehäuse mit zwei optischen Zugängen, z. B. nach dem C-Mount-Standard, untergebracht werden: auf der Eingangsseite für ein bildgebendes Gerät, und auf der Ausgangsseite für die separate Kamera.
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In einer anderen Bauform befindet sich die gesamte erfindungsgemäße Anordnung inklusive einer fest eingebauten Kamera in einem Gehäuse. In diesem Fall liegt lediglich auf der Eingangsseite ein optischer Zugang zum bildgebenden Gerät vor.
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In einer weiteren Bauform ist die erfindungsgemäße Anordnung Bestandteil des bildgebenden Gerätes, befindet sich also im selben Gehäuse wie dieses.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann jedoch auch für bildgebende Geräte mit scannender Bilderfassung, wie z. B. Laser-Scanning-Mikroskope oder Spinning-Disk-Mikroskope, verwendet werden. Laser-Scanning-Mikroskope verfügen häufig über einen sogenannten Descan-Betrieb, bei dem die von der Probe zurückkommende Strahlung wieder über den Laser-Scan-Spiegel geführt wird. Dadurch erhält man in der zur Objektebene konfokalen Detektionsebene, die dem Zwischenbild 6 entspricht, einen stehenden Laserpunkt bzw. eine stehende Laserlinie. Sofern die erfindungsgemäße Anordnung Teil eines Laser-Scanning-Mikroskops oder allgemein einer Laser-Scanning-Detektionsvorrichtung ist, muss der Detektor 14 nicht unbedingt eine zweidimensional ortsauflösende Kamera sein, sondern kann auch als Zeilendetektor oder einfacher Intensitätsdetektor (PMT oder Photodiode) ausgeführt sein.
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Dies hat den Vorteil, dass lediglich ein kleinerer Lichtleitwert übertragen werden muss, so dass die Komponenten der erfindungsgemäßen Anordnung, insbesondere die Scan-Spiegel 9 und 19, die Einzelfilterareale der Filtermaske 11 und die Optiken 8, 10, 12, 15 bzw. 20 kleiner ausgelegt werden können.
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Bei Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzbildgebung werden die Einzelfilterareale der Filtermaske 11 auf die Anregungsstrahlung abgestimmt, d. h. die Anregungsstrahlung der Lichtquelle 4 wird möglichst vollständig geblockt, wogegen die Emissionsstrahlung möglichst weitgehend von den Einzelfilterarealen der Filtermaske 11 transmittiert wird. Hierbei ist auch eine Multiband-Detektion möglich, wobei mehrere separate Anregungsbänder sowie mehrere separate Emissionsbänder simultan vorliegen.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einer flexiblen multi-spektralen LED-Fluoreszenzanregungsquelle anwendbar, wie sie in
WO 2007054301 A1 beschrieben ist.
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Weiterhin eignet sich die Erfindung auch besonders dazu, mittels der Methoden des spektralen Entmischens (spectral unmixing) die spektrale Auflösung zu erhöhen und/oder die Quantifizierung der Intensitäten in den einzelnen Spektralkanälen zu verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- 2
- Objektiv
- 3
- Tubuslinse
- 4
- Lichtquelle
- 5
- Strahlteiler
- 6
- Zwischenbild
- 7
- Abbildungsstrahlengang
- 8
- Optik
- 9
- Scan-Spiegel
- 10
- Optik
- 11
- Filtermaske
- 12
- Optik
- 13
- Bild
- 14
- Detektor
- 15
- Optik
- 16
- Umlenkspiegel
- 17
- DOE
- 18
- Facettenspiegel
- 19
- Scan-Spiegel
- 20
- Optik
- 21
- Verlaufsfilter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018315 A1 [0006]
- US 020080123097 A1 [0008]
- WO 2007054301 A1 [0081]
