DE102012020241A1 - Image pickup device and method for taking a picture sequence - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Bildaufnahmevorrichtungen wie Mikroskope mit Steuereinheit, modulierbarer Lichtquelle und optoelektronischem Wandler mit globalem elektronischen Verschluss („global shutter” oder „frame shutter”). Diese sind wegen ihrer niedrigen Auslesegeschwindigkeit begrenzend für die Aufnahme von Bilderpaaren mit kurzem zeitlichen Abstand. Die neue Bildaufnahmevorrichtung soll unmittelbar aufeinanderfolgende Bilder mit geringerem zeitlichen Abstand zwischen den Bildern aufnehmen können. Auch soll die Probenbelastung verringert werden. Zu diesem Zweck wird ein Wandler mit einem Eingang für ein Signal (17) zum Auslösen einer simultanen elektrischen Integration in allen Detektionselementen verwendet und die Steuereinheit dazu eingerichtet, in dem Wandler eine erste Integration auszulösen und wieder zu beenden und danach, bevor in dem Wandler ein Auslesen eines während der ersten Integration integrierten Inhalts aus allen Detektionselementen beendet ist, eine zweite Integration auszulösen und erst wieder zu beenden, nachdem in dem Wandler das Auslesen des während der ersten Integration integrierten Inhalts aus allen Detektionselementen beendet ist, wobei sie während beider Integrationen jeweils für dieselbe Belichtungsdauer die Lichtquelle zur gepulsten oder kontinuierlichen Emission steuert und zwischen den Integrationen die Emission unterbricht.The invention relates to image recording devices such as microscopes with control unit, modulatable light source and optoelectronic transducer with global electronic shutter ("global shutter" or "frame shutter"). These are limiting because of their low readout speed for the recording of pairs of images with a short time interval. The new image pickup device is to be able to record immediately successive images with a shorter time interval between the images. Also, the sample load should be reduced. For this purpose, a transducer is used with an input for a signal (17) for triggering a simultaneous electrical integration in all detection elements and the control unit is configured to initiate and terminate in the transducer a first integration and thereafter, before entering the transducer Reading out a content integrated in all of the detection elements during the first integration, triggering a second integration and ending it only after the reading of the content integrated during the first integration from all the detection elements has ended in the converter, during each integration the same exposure time controls the light source for pulsed or continuous emission and intercepts the emission between the integrations.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung, insbesondere ein Mikroskop, mit mindestens einem Beleuchtungsstrahlengang (zur Beleuchtung einer Probe), der eine modulierbare Lichtquelle umfasst, einem Detektionsstrahlengang (zur Aufnahme eines Bildes der Probe), der einen optoelektronischen Wandler mit einer mindestens zweidimensionalen Matrix von Detektionselementen („Pixel”) umfasst, und einer Steuereinheit, die mit der Lichtquelle und dem Wandler verbunden ist, sowie ein Verfahren zum Aufnehmen einer Bildersequenz von einer Probe mittels mindestens eines Beleuchtungsstrahlengangs (zur Beleuchtung der Probe), der eine modulierbare Lichtquelle umfasst, und eines Detektionsstrahlengangs (zur Aufnahme eines Bildes der Probe), der einen optoelektronischen Wandler mit einer mindestens zweidimensionalen Matrix von Detektionselementen umfasst.The invention relates to an image recording apparatus, in particular a microscope, having at least one illumination beam path (for illuminating a sample) comprising a modulatable light source, a detection beam path (for recording an image of the sample) comprising an optoelectronic transducer having at least a two-dimensional matrix of detection elements ( "Pixel"), and a control unit connected to the light source and the transducer, and a method for capturing an image sequence from a sample by means of at least one illumination beam path (for illuminating the sample) comprising a modulatable light source and a detection beam path (for capturing an image of the sample) comprising an opto-electronic transducer having at least a two-dimensional matrix of detection elements.

Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Licht jede mit optischen Mitteln manipulierbare elektromagnetische Strahlung, also insbesondere ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung. Probenlicht ist im Sinne der Erfindung Licht, das durch Fluoreszenz von der Probe emittiert wird, angeregt durch die beleuchtenden Lichtpulse. Es kann auch Anteile enthalten, die durch Reflexion und/oder Streuung von Beleuchtungslicht an der Probe entstehen. Eine modulierbare Lichtquelle kann direkt modulierbar sein – wie eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode – oder sie kann indirekt modulierbar sein, indem sie einen zusätzlichen Modulator umfasst, beispielsweise ein einstellbares akustooptisches Filter (engl. „tunable acousto-optical filter”; AOTF). Ein optoelektronischer Wandler integriert nach Auslösung einer Bildaufnahme in jedem seiner Detektionselemente eine elektrische Größe wie Ladung oder Spannung.For the purposes of the invention, the term light comprises any electromagnetic radiation which can be manipulated by optical means, that is to say in particular ultraviolet, visible and infrared radiation. For the purposes of the invention, sample light is light which is emitted by fluorescence from the sample, excited by the illuminating light pulses. It may also contain components that result from reflection and / or scattering of illumination light at the sample. A modulatable light source may be directly modulatable - such as a light emitting diode (LED) or a laser diode - or it may be indirectly modulatable by including an additional modulator, such as an adjustable acousto-optic filter (AOTF). , An optoelectronic transducer integrated after triggering an image recording in each of its detection elements an electrical variable such as charge or voltage.

Im Stand der Technik ist als Bildaufnahmevorrichtung beispielsweise ein Lichtscheiben-Mikroskop (engl. „light sheet microscope”) zur Einzelebenenbeleuchtung (engl. „single-plane illumination”; SPI) aus US 2006/033987 A1 bekannt. Darin wird als Wandler eine zweidimensional ortsauflösende Kamera mit CCD-Sensor (CCD für „charge-coupled device”) eingesetzt. Die Beleuchtung mit einer Lichtscheibe (auch als Lichtblatt bezeichnet) hat den Vorteil, dass die Probe nur zu einem kleinen Teil beleuchtet und damit nur geringfügig belastet wird. Die SPI-Mikroskopie (SPIM) wird daher vorzugsweise für lebende Proben verwendet.In the state of the art, for example, a light-disk microscope for single-plane illumination (SPI) is provided as an image recording device US 2006/033987 A1 known. Therein, a two-dimensionally spatially resolving camera with CCD sensor (CCD for "charge-coupled device") is used as a converter. The illumination with a lens (also referred to as a light sheet) has the advantage that the sample is illuminated only to a small extent and thus only slightly burdened. SPI microscopy (SPIM) is therefore preferably used for living samples.

Zweidimensionale optoelektronische Wandler sind im Stand der Technik beispielsweise mit einem elektronischen globalen Verschluss (engl. „global shutter” oder ”frame shutter”) aus US 2009/095986 A1 , wiederum in Form eines CCD-Sensors, oder aus US 2001/035542 A1 in Form eines CMOS-Sensors (CMOS für „complementary metal-oxide semiconductor”) bekannt. Daneben sind Wandler mit einem sogenannten elektronischen rollenden Verschluss (engl. „rolling shutter”) bekannt, beispielweise aus US 2006/157758 A1 . CCD-Sensoren mit globalem Verschluss sind für die Aufnahme von Bilderpaaren mit kurzem zeitlichen Abstand problematisch, weil sie die durch Photoabsorption integrierten elektrischen Ladungen nur langsam auslesen können. Auch bei CMOS-Sensoren mit globalem Verschluss dauert das Auslesen aller Detektionselemente („Pixel”) je nach ihrer Anzahl („Auflösung”) relativ lange.Two-dimensional optoelectronic transducers are known in the art, for example with an electronic global shutter ("global shutter" or "frame shutter") US 2009/095986 A1 , again in the form of a CCD sensor, or off US 2001/035542 A1 in the form of a CMOS sensor (CMOS for complementary metal-oxide semiconductor). In addition, converters with a so-called electronic rolling shutter (English "rolling shutter") are known, for example US 2006/157758 A1 , Global-shutter CCD sensors are problematic for capturing short-spaced pairs of images because they are slow to read the electrical charges built into photoabsorption. Even with CMOS sensors with global shutter, reading out all the detection elements ("pixels") takes a relatively long time, depending on their number ("resolution").

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildaufnahmevorrichtung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Aufnahme einer Bildersequenz zu verbessern, so dass unmittelbar aufeinanderfolgende Bilder mit geringerem zeitlichen Abstand zwischen den Bildern aufgenommen werden können. Insbesondere soll dabei die Probenbelastung gegenüber einer kontinuierlichen Beleuchtung verringert werden.The invention has for its object to improve an image pickup device of the type mentioned and a method for recording a sequence of images, so that immediately consecutive images can be recorded with a shorter time interval between the images. In particular, the sample load should be reduced compared to a continuous illumination.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bildaufnahmevorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 14 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by an image recording apparatus having the features specified in claim 1, and by a method having the features specified in claim 14.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist zum einen vorgesehen, dass ein an sich bekannter (zeitfensterbasierter) Wandler, wie beispielsweise in US 2009/095986 A1 oder US 2001/035542 A1 beschrieben, eingesetzt wird, der (zur Bereitstellung eines globalen elektronischen Verschlusses) einen Eingang für ein Signal zum Auslösen (und ein Signal zum Beenden) einer simultanen elektrischen Integration in allen Detektionselementen umfasst und der nach dem Ende einer ersten Integration das Auslösen einer zweiten Integration noch während des Auslesens erlaubt. Derartige Wandler sind auf bekannte Weise dazu ausgebildet, als Reaktion auf das auslösende Signal, beispielsweise in Form einer steigenden Flanke eines TTL-Pulses, selbständig und unabhängig (insbesondere von einem wandlerexternen Takt) folgende Schritte auszuführen:

  • – Zurücksetzen der Detektionselemente vor Beginn der Integration,
  • – Aufrechterhaltung der Integration über eine Dauer des Auslösesignals,
  • – Verschieben des integrierten Inhalts der der betreffenden Detektionselemente in einen jeweiligen (lichtgeschützten) Zwischenspeicher der betreffenden Detektionselemente,
  • – Auslesen eines jeweiligen elektrischen Signals aus den Zwischenspeichern der betreffenden Detektionselemente,
  • – Digitalisieren der ausgelesenen elektrischen Signale und
  • – Bereitstellen der digitalen Bilddaten an einer Schnittstelle.
According to the invention, it is provided on the one hand that a known (time window based) converter, such as in US 2009/095986 A1 or US 2001/035542 A1 is described, which includes (for providing a global electronic shutter) an input for a signal for triggering (and a signal to terminate) a simultaneous electrical integration in all detection elements and the triggering of a second integration after the end of a first integration allowed during readout. Such converters are designed in a known manner to carry out the following steps autonomously and independently (in particular from a converter-external clock) in response to the triggering signal, for example in the form of a rising edge of a TTL pulse:
  • - reset the detection elements before starting the integration,
  • Maintaining integration over a duration of the triggering signal,
  • Shifting the integrated content of the respective detection elements into a respective (light-protected) buffer of the respective detection elements,
  • Reading out a respective electrical signal from the latches of the respective detection elements,
  • - Digitizing the read electrical signals and
  • - Providing the digital image data at an interface.

Die Auslösung der zweiten Integration noch während des Auslesens wird als Überlappungsmodus (engl. „overlapping mode”) bezeichnet, da sich der Auslesevorgang im Wandler und die zweite Integration zeitlich (insbesondere vollständig) überlappen. Wird die zweite Integration noch vor dem Ende des Auslesens beendet, werden die bis dahin durch Photoabsorption in den Detektionselementen integrierten Inhalte verworfen, so dass nur die Bilddaten aus der ersten Integration bereitgestellt werden. Um das zu vermeiden, geben die beschriebenen Wandler den Status des Auslesevorgangs (dauert an/beendet) über eine Schnittstelle aus.The triggering of the second integration still during readout is referred to as overlapping mode ("overlapping mode"), since the read-out operation in the converter and the second integration overlap in time (in particular completely). If the second integration is completed before the end of the read-out, the contents integrated into the detection elements by photoabsorption until then are discarded, so that only the image data from the first integration is provided. To avoid this, the described converters output the status of the read-out process (lasts / ends) via an interface.

Es ist zum anderen vorgesehen, dass die Steuereinheit mit dem (integrationsauslösenden) Eingang des Wandlers verbunden und dazu eingerichtet ist, in dem Wandler eine erste Integration auszulösen und wieder zu beenden und danach, bevor in dem Wandler ein Auslesen eines während der ersten Integration integrierten Inhalts aus allen Detektionselementen beendet ist, eine zweite Integration auszulösen und erst wieder zu beenden, nachdem in dem Wandler das Auslesen des während der ersten Integration integrierten Inhalts aus allen Detektionselementen beendet ist, wobei sie während beider Integrationen jeweils für dieselbe (gesamte oder effektive) Belichtungsdauer die Lichtquelle zur (periodisch) gepulsten oder kontinuierlichen Emission mindestens einer Wellenlänge steuert und zwischen den Integrationen (also nach dem Beenden der ersten und vor dem Auslösen der zweiten) die Emission unterbricht (insbesondere für die gesamte Dauer zwischen dem Beenden der ersten Integration und dem Auslösen der zweiten Integration).On the other hand, it is provided that the control unit is connected to the (integrating triggering) input of the converter and is adapted to trigger and terminate in the converter a first integration and thereafter, before reading out in the converter a content integrated during the first integration is terminated from all the detection elements to trigger a second integration and only to terminate after in the converter, the readout of the integrated content during the first integration of all detection elements is completed, during each of the integrations for the same (total or effective) exposure time Controlling light source for (periodically) pulsed or continuous emission of at least one wavelength and between the integrations (ie after the termination of the first and before the triggering of the second) the emission is interrupted (in particular for the entire duration between the completion of the first integration and the off solve the second integration).

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Überlappungsmodus mit aufeinanderfolgenden, gleichartigen Beleuchtungspulsen zu synchronisieren, um einen kürzeren zeitlichen Abstand zwischen einem Paar unmittelbar aufeinanderfolgend aufgenommener Bilder zu ermöglichen und dabei die Probe minimal zu belasten.The basic idea of the invention is to synchronize the overlapping mode with successive, similar illumination pulses in order to allow a shorter time interval between a pair of immediately successively recorded images and thereby to minimize the burden on the sample.

Die Emission während der Belichtungsdauer kann gepulst oder kontinuierlich erfolgen. Entsprechend umfasst der Begriff der Belichtungsdauer im Sinne der Erfindung verschiedene spezielle Bedeutungen: Die gesamte Belichtungsdauer ist die Dauer desjenigen Zeitraums, in welchem die Einhüllende der aus der Modulation resultierenden Lichtintensität von Null verschieden ist. Die effektive Belichtungsdauer ist die summierte Dauer derjenigen Zeiträume innerhalb der gesamten Belichtungsdauer, in welchen die aus der Modulation resultierenden Lichtintensität von Null verschieden ist. Im Falle einer über die gesamte Belichtungsdauer kontinuierlichen Emission ist die effektive Belichtungsdauer gleich der gesamten Belichtungsdauer.The emission during the exposure time can be pulsed or continuous. Accordingly, the term of the exposure duration in the sense of the invention encompasses various special meanings: The total exposure duration is the duration of that period in which the envelope of the light intensity resulting from the modulation is different from zero. The effective exposure time is the summed duration of those periods within the total exposure time in which the light intensity resulting from the modulation is different from zero. In the case of continuous emission over the entire exposure time, the effective exposure time is equal to the total exposure time.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, in denen die zweite Integrationsdauer länger als die erste Integrationsdauer ist, insbesondere mit Ausbildung der Steuereinheit zum Auslösen der zweiten Integration derart, dass ein mit dem Auslesen zeitlich überlappender Anteil der zweiten Integration länger ist als die erste Integration, wobei vorzugsweise die zweite Integration vollständig mit dem Auslesen überlappt (mit anderen Worten: mit dem Ende oder sogar aufgrund des Endes des Auslesevorgangs des Wandlers beendet wird). Dies stellt eine vorteilhafte Erweiterung des Überlappungsmodus dar. Die Verlängerung der zweiten Integration über die Belichtungsdauer hinaus durch einen entsprechend früheren Beginn noch während des Auslesens der vorhergehenden Integrationsergebnisse durch den Wandler ermöglicht es, den zeitlichen Abstand zwischen dem in der ersten Integration aufgenommenen Bild und dem in der zweiten Integration aufgenommenen Bild weiter zu verringern. Durch die identische Belichtung während beider Integrationen wird trotz unterschiedlicher Integrationsdauern die gleiche Lichtmenge in beiden aufgenommenen Bildern erzielt.Particularly preferred embodiments of the invention in which the second integration period is longer than the first integration period, in particular with formation of the control unit for triggering the second integration such that a time-overlapping with the reading portion of the second integration is longer than the first integration, wherein preferably, the second integration is completely overlapped with the read-out (in other words, terminated with the end or even due to the end of the read-out operation of the converter). This represents an advantageous extension of the overlapping mode. The extension of the second integration beyond the exposure time by a corresponding earlier start while the previous integration results are being read out by the converter makes it possible to determine the time interval between the image recorded in the first integration and the one in FIG further reduce the picture taken during the second integration. Due to the identical exposure during both integrations, the same amount of light is achieved in both recorded images despite different integration periods.

Vorteilhaft kann es ein, wenn die Bildaufnahmevorrichtung ein Bedienelement zur Einstellung der zweiten Integrationsdauer, eines Quotienten zwischen der zweiten und der ersten Integrationsdauer oder einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Integrationsdauer bereitstellt. Insbesondere in Ausführungsformen, in denen die zweite Integrationsdauer vollständig mit dem Auslesen überlappt (mit dem oder durch das Ende des Auslesevorgangs des Wandlers beendet wird), wird so die variable Einstellung eines zeitlichen Abstands zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern auf kleinere Werte als die Auslesedauer des Wandlers für alle Detektionselement ermöglicht. Der zulässige Bereich wird dabei durch die vom Benutzer vorgegebene Belichtungsdauer und durch die Auslesedauer des Wandlers für alle Detektionselemente eingegrenzt.It can be advantageous if the image recording device provides an operating element for setting the second integration duration, a quotient between the second and the first integration duration or a difference between the first and the second integration duration. In particular, in embodiments in which the second integration period completely overlaps with the read-out (ending with or by the end of the read-out operation of the converter), the variable adjustment of a time interval between two successive images becomes smaller than the readout duration of the converter allows all detection element. The permissible range is limited by the user-specified exposure time and by the readout duration of the transducer for all detection elements.

In einer speziellen Ausführungsform sind die erste Integrationsdauer und die zweite Integrationsdauer gleich lang. Hier entspricht die Bildaufnahme dem einfachen Überlappungsmodus. In a specific embodiment, the first integration duration and the second integration duration are the same length. Here, the image acquisition corresponds to the simple overlap mode.

Vorzugsweise ist die erste Integration gleich lang wie die (gesamte) Belichtungsdauer. Durch Vermeidung einer Abweichung wird eine minimale Probenbelastung erreicht.Preferably, the first integration is the same length as the (total) exposure time. By avoiding a deviation, a minimum sample load is achieved.

Vorteilhaft sind Ausgestaltungen, in denen die Bildaufnahmevorrichtung ein Bedienelement zur Auswahl eines von mehreren von der Steuereinheit bereitgestellten Betriebsmodi bereitstellt, wobei in dem ersten Betriebsmodus die zweite Integrationsdauer länger als die erste Integrationsdauer ist (und vorzugsweise vollständig mit dem Auslesen überlappt), insbesondere bei konstanter erster und konstanter zweiter Integrationsdauer, und in dem zweiten Betriebsmodus die erste Integrationsdauer und die zweite Integrationsdauer gleich lang sind. Das ermöglicht dem Benutzer eine einfache Umschaltung zwischen einfachem und erweitertem Überlappungsmodus.Embodiments in which the image acquisition device provides an operating element for selecting one of a plurality of operating modes provided by the control unit are advantageous, wherein in the first operating mode the second integration duration is longer than the first integration duration (and preferably completely overlaps with the readout), in particular at a constant first and constant second integration duration, and in the second mode of operation, the first integration duration and the second integration duration are the same length. This allows the user to easily switch between simple and extended overlap mode.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die zweite Integration (genau) am Ende oder aufgrund des Endes des Auslesens des Wandlers zu beenden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die zweite Integration zeitlich vollständig mit dem Auslesevorgang der Signale der ersten Integration aus dem Zwischenspeicher überlappt, so dass ein minimaler zeitlicher Abstand der Bilder ermöglicht wird. Zudem kann so ein Verwerfen der Daten der zweiten Integration durch den Wandler aufgrund eines verfrühten Beendens der zweiten Integration (nämlich vor dem Ende des Auslesevorgangs) vermieden werden. Die Beendigung der zweiten Integration aufgrund des Endes des Auslesevorgangs gelingt beispielsweise, indem der Wandler ein Signal ausgibt, welches den Status (insbesondere das Ende) des Auslesevorgangs zu der vorhergehenden (ersten) Integration anzeigt, und die Steuereinheit die zweite Integration beendet, wenn und sobald sie das Endsignal identifiziert. Beispielsweise beendet sie die zweite Integration ausschließlich dann, wenn und sobald sie das Endsignal identifiziert.Particularly preferred are embodiments in which the control unit is adapted to terminate the second integration (exactly) at the end or due to the end of the readout of the converter. In this way, it can be ensured that the second integration overlaps in time completely with the read-out operation of the signals of the first integration from the buffer, so that a minimum time interval of the images is made possible. In addition, discarding the data of the second integration by the converter due to a premature termination of the second integration (namely, before the end of the read-out operation) can be avoided. For example, the completion of the second integration due to the end of the read operation is accomplished by the transducer outputting a signal indicating the status (in particular the end) of the read to the previous (first) integration and the controller terminating the second integration if and when she identifies the final signal. For example, it terminates the second integration only when and as soon as it identifies the end signal.

Die Kopplung der Beendigung der zweiten Integration mit dem Ende des Auslesevorgangs gelingt alternativ beispielsweise durch eine Zeitmessung und den Vergleich mit der (vorgegebenen) Auslesedauer des Wandlers für alle Detektionselemente. Zweckmäßigerweise kann die Steuereinheit zu diesem Zweck dazu eingerichtet sein, die zweite Integration erst um eine Pausendauer nach dem Beenden der ersten Integration auszulösen. Die Pausendauer definiert den zeitlichen Abstand zwischen dem in der ersten Integration aufgenommenen Bild und dem in der zweiten Integration aufgenommenen Bild. Die Steuereinheit kann die Pausendauer vorzugsweise anhand einer (vom Benutzer oder einer übergeordneten Steuereinheit) vorgegebenen Periodendauer eines periodischen Vorgangs so ermitteln, dass die Pausendauer zuzüglich der ersten Integrationsdauer einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer entspricht. Wenn der periodische Vorgang die Modulation der Lichtquelle und/oder einer Positionierung des Lichtfokus in der Probe entspricht, kann so eine gleiche Helligkeit in beiden Bildern erreicht werden. Neben der Periodendauer eines externen Vorgangs wird die Steuereinheit die Pausendauer in der Regel anhand der vom Benutzer vorgegebenen Belichtungsdauer ermitteln.The coupling of the termination of the second integration with the end of the read-out process succeeds, for example, by a time measurement and the comparison with the (predetermined) readout duration of the transducer for all detection elements. For this purpose, the control unit can expediently be set up to initiate the second integration for a pause duration after the termination of the first integration. The pause duration defines the time interval between the picture taken in the first integration and the picture taken in the second integration. The control unit may preferably determine the pause duration on the basis of a period duration of a periodic process (specified by the user or a higher-level control unit) such that the pause duration plus the first integration duration corresponds to an integral multiple of the period duration. If the periodic process corresponds to the modulation of the light source and / or a positioning of the light focus in the sample, then a same brightness can be achieved in both images. In addition to the period of an external process, the control unit will usually determine the pause duration based on the user defined exposure time.

Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Pausendauer derart zu ermitteln, dass sie länger als oder gleich lang ist wie die Auslesedauer abzüglich der zweiten Integrationsdauer oder die zweite Integrationsdauer derart zu ermitteln, dass sie länger als oder gleich lang ist wie die Auslesedauer abzüglich der Pausendauer. Damit wird vermieden, dass die zweite Integration vor dem Auslesevorgang des Wandlers beendet und die zugehörigen Bilddaten verworfen werden.Preferably, the control unit is configured to determine the pause duration such that it is longer than or equal to the readout duration minus the second integration duration or the second integration duration such that it is longer than or equal to the readout duration minus the pause duration , This avoids that the second integration ends before the read operation of the converter and the associated image data are discarded.

Insbesondere kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, folgende Schritte durchzuführen:

  • – Ermitteln einer (vorgegebenen, insbesondere vom Benutzer) Belichtungsdauer, einer Auslesedauer für alle Detektionselemente, einer ersten Integrationsdauer, einer Pausendauer (zwischen Ende der ersten Integration und Auslösen der zweiten), wobei die Pausendauer kleiner ist als die Auslesedauer, und einer zweiten Integrationsdauer (wobei die Pausendauer in Abhängigkeit der zweiten Integrationsdauer ermittelt wird oder umgekehrt)
  • – Steuern der Lichtquelle zur (periodisch) gepulsten oder kontinuierlichen ersten Emission von Licht mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge für mindestens die Belichtungsdauer,
  • – Setzen des (integrationsauslösenden) Eingangs des Wandlers synchron zu einem Beginn der ersten Emission (insbesondere durch konstanten Zeitversatz zum Steuern der Lichtquelle),
  • – nach Ablauf (insbesondere am Ende) der ersten Integrationsdauer: Beenden der Emission und Zurücksetzen des Eingangs,
  • – Abwarten der Pausendauer,
  • – am Ende der Pause: Steuern der Lichtquelle zu einer mit der ersten Emission übereinstimmenden zweiten Emission für dieselbe Belichtungsdauer und
  • – Setzen des (integrationsauslösenden) Eingangs des Wandlers synchron zu einem Beginn der zweiten Emission (insbesondere durch konstanten Zeitversatz zum Steuern der Lichtquelle)
  • – nach Ablauf (insbesondere am Ende) der zweiten Integrationsdauer: Beenden der Emission und Zurücksetzen des Eingangs.
In particular, the control unit may be configured to perform the following steps:
  • Determining a (predetermined, in particular by the user) exposure duration, a readout duration for all detection elements, a first integration duration, a pause duration (between the end of the first integration and the triggering of the second), wherein the pause duration is less than the readout duration, and a second integration duration ( wherein the pause duration is determined as a function of the second integration period or vice versa)
  • Controlling the light source for (periodically) pulsed or continuous first emission of light of at least one predetermined wavelength for at least the exposure time,
  • Setting the (integration-triggering) input of the converter in synchronism with a start of the first emission (in particular by a constant time offset for controlling the light source),
  • - after expiration (especially at the end) of the first integration period: stop the emission and reset the input,
  • - waiting for the pause,
  • At the end of the pause: controlling the light source to a second emission corresponding to the first emission for the same exposure time and
  • Setting the (integration-triggering) input of the converter synchronously with a start of the second emission (in particular by a constant time offset for controlling the light source)
  • - after expiration (especially at the end) of the second integration period: stop the emission and reset the input.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Bildaufnahmevorrichtung ein SPI-Mikroskop, wobei der Beleuchtungsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang einander (zumindest näherungsweise) in einer Fokusebene des Detektionsstrahlengangs kreuzen und der Beleuchtungsstrahlengang einen Strahlformer zur Erzeugung zumindest eines Segments eines Lichtblatts (oder eines vollständigen Lichtblatts) aufweist, insbesondere durch Fokussierung auf eine Brennlinie, wobei die Brennlinie (zumindest näherungsweise) in der Fokusebene des Detektionsstrahlengangs liegt.In a particularly preferred embodiment, the image recording device is an SPI microscope, wherein the illumination beam path and the detection beam path intersect (at least approximately) in a focal plane of the detection beam path and the illumination beam path has a beam former for generating at least one segment of a light sheet (or a complete light sheet), in particular by focusing on a focal line, wherein the focal line lies (at least approximately) in the focal plane of the detection beam path.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung in einem Mikroskop, in dem die Probe sequentiell von zwei Seiten („links” und „rechts”) beleuchtet und ein jeweiliges Teilbild von ihr aufgenommen werden kann. Die Teilbilder werden zu einem Gesamtbild verrechnet, das eine höhere Bildqualität aufweist als die Teilbilder. Bei zeitlich veränderlichen Proben und/oder einer Bewegung der Probe, beispielsweise zur Aufnahme eines Bildstapels, wird die Bildqualität des Gesamtbildes um so höher, je geringer der zeitliche Abstand zwischen den Teilbildern ist. Durch die erfindungsgemäß ermöglichte Verringerung des zeitlichen Abstands kann die Bildqualität des Gesamtbildes vergrößert werden.The invention is particularly advantageous in a microscope in which the sample can be illuminated sequentially from two sides ("left" and "right") and a respective partial image can be recorded by it. The partial images are calculated into a total image that has a higher image quality than the partial images. With time-varying samples and / or a movement of the sample, for example, to capture a stack of images, the lower the time interval between the sub-images, the higher the image quality of the overall image. The reduction in the time interval made possible according to the invention makes it possible to increase the image quality of the overall image.

Vorteilhaft ist die Erfindung auch in Mikroskopen, in denen der Beleuchtungsstrahlengang eine variabel einstellbare Ablenkeinheit zur Verschiebung des Lichtblatts, insbesondere innerhalb der Fokusebene des Detektionsstrahlengangs, aufweist. Zweckmäßigerweise kann die Steuereinheit hier dazu eingerichtet sein, die Ablenkeinheit zur periodischen Verschiebung des Lichtblatts mit einer vorgegebenen Periodendauer zu steuern (und die Pausendauer anhand der Periodendauer zu ermitteln), wobei die (gesamte) Belichtungsdauer, insbesondere auch die Dauer der ersten Integration, einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer entspricht. Dadurch wird eine gleiche Helligkeit in beiden aufeinanderfolgenden Bildern erreicht. Insbesondere kann die Steuereinheit zum Modulieren einer Intensität der Emission der Lichtquelle während der jeweiligen Belichtungsdauer eingerichtet sein. Dann ist die jeweilige effektive Belichtungsdauer kürzer als die jeweilige gesamte Belichtungsdauer.The invention is also advantageous in microscopes in which the illumination beam path has a variably adjustable deflection unit for displacing the light sheet, in particular within the focal plane of the detection beam path. Expediently, the control unit here can be set up to control the deflection unit for periodically shifting the light sheet with a predetermined period duration (and determine the pause duration on the basis of the period duration), the (total) exposure duration, in particular also the duration of the first integration, being an integer Multiples of the period corresponds. This achieves equal brightness in both successive images. In particular, the control unit may be configured to modulate an intensity of the emission of the light source during the respective exposure period. Then the respective effective exposure time is shorter than the respective total exposure time.

Vorteilhaft sind zudem Ausführungsformen des Mikroskops mit einem Probenhalter, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Probenhalter während der Emission der Lichtquelle längs einer optischen Achse des Detektionsstrahlengangs zu verschieben.Also advantageous are embodiments of the microscope with a sample holder, wherein the control unit is adapted to move the sample holder during the emission of the light source along an optical axis of the detection beam path.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise:

  • – eine Pausendauer (unter anderem) anhand einer (vom Benutzer) vorgegebenen Belichtungszeit und einer (vom Wandler/vom Benutzer für den Wandler) vorgegebenen Auslesedauer für alle Detektionselemente ermittelt,
  • – die Lichtquelle für eine Dauer einer (vom Benutzer) vorgegebenen Belichtungszeit zur periodisch gepulsten oder kontinuierlichen ersten Emission von Licht mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge (und danach zum Beenden der Emission) gesteuert und synchron zu einem Beginn der ersten Emission für eine erste Integrationsdauer der (integrationsauslösenden) Eingang des Wandlers gesetzt (und nach Ablauf der ersten Integrationsdauer zurückgesetzt),
  • – die Pausendauer abgewartet und
  • – die Lichtquelle für die Dauer der Belichtungszeit zu einer mit der ersten Emission (spektral und in ihrem zeitlichen Intensitätsverlauf) übereinstimmenden zweiten Emission (und danach zum Beenden der Emission) gesteuert und synchron zu einem Beginn der zweiten Emission für eine zweite Integrationsdauer der (integrationsauslösenden) Eingang des Wandlers gesetzt (und nach Ablauf der zweiten Integrationsdauer zurückgesetzt).
In the method according to the invention is preferably:
  • A pause duration (inter alia) determined on the basis of a (user-defined) exposure time and a (by the converter / user for the converter) predetermined readout duration for all detection elements,
  • The light source is controlled for a duration of a (user-specified) exposure time for periodically pulsed or continuous first emission of light of at least one predetermined wavelength (and thereafter to terminate the emission) and synchronous to a beginning of the first emission for a first integration period of the (integration-triggering ) Input of the converter set (and reset after expiration of the first integration period),
  • - Waited the pause time and
  • The light source is controlled for the duration of the exposure time to a second emission coinciding with the first emission (spectral and in its temporal intensity course) and then ending the emission synchronous to a beginning of the second emission for a second integration period of the (integration triggering) Input of the converter set (and reset after expiration of the second integration period).

Wiederum sind solche Ausführungsformen besonders bevorzugt, in denen die zweite Integrationsdauer länger als die erste Integrationsdauer ist, wobei die Pausendauer kürzer ist als eine Auslesedauer für alle Detektionselemente abzüglich der zweiten Integrationsdauer, so dass die zweite Integration beendet wird, nachdem oder zumindest sobald der Wandler das Auslesen der Detektionselemente beendet hat.Again, those embodiments are particularly preferred in which the second integration duration is longer than the first integration duration, wherein the pause duration is shorter than a readout duration for all detection elements minus the second integration duration, so that the second integration is terminated after or at least as soon as the converter completes the Reading the detection elements has finished.

In einer speziellen Ausführungsform können die erste Integrationsdauer und die zweite Integrationsdauer gleich lang und die Pausendauer kürzer als eine Dauer einer Auslesedauer für alle Detektionselemente und mindestens, insbesondere genau, gleich der Auslesedauer für alle Detektionselemente abzüglich der Belichtungsdauer sein.In a specific embodiment, the first integration duration and the second integration duration may be the same length and the pause duration may be shorter than a duration of a readout duration for all Detection elements and at least, in particular exactly, equal to the readout duration for all detection elements minus the exposure time.

Die Erfindung umfasst auch ein Computerprogramm und eine Steuereinheit, die jeweils zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche eingerichtet sind.The invention also includes a computer program and a control unit, which are each set up to carry out a method according to one of the method claims.

Die Steuereinheit kann beispielsweise zur Durchführung der beschriebenen Schritte eingerichtet sein, indem sie programmtechnisch entsprechend konfiguriert ist. Insbesondere kann zu jedem Schritt ein entsprechendes Softwaremodul eingerichtet sein.The control unit can be set up, for example, to carry out the described steps by being configured according to the program. In particular, a corresponding software module can be set up for each step.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 ein SPI-Mikroskop, 1 an SPI microscope,

2 ein erstes Signaldiagramm und 2 a first signal diagram and

3 ein zweites Signaldiagramm. 3 a second signal diagram.

In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.In all drawings, like parts bear like reference numerals.

1 zeigt ein Lichtscheibenmikroskop als Bildaufnahmevorrichtung 1 mit einer Lichtquelle 2, welche einen breitbandigen Laser 2.1 und ein akusto-optisches einstellbares Filter 2.2 zur externen Wellenlängenselektion und Intensitätsmodulation aufweist. Beispielsweise kann der Laser 2.1 in einem Wellenlängenbereich von 450 nm bis 700 nm Lichtpulse mit einer Länge von 20 ps erzeugen. Die Wiederholrate der Pulse liegt beispielsweise bei 40 MHz. Bei der Ausgangsstrahlung des Lasers 2.1 kann es sich um ein Weißlichtkontinuum handeln, aus dem dann die in der Beleuchtungsstrahlung verwendeten Wellenlängen extern herausgefiltert werden, beispielsweise durch das akusto-optische einstellbare Filter 2.2, oder der Laser 2.1 kann selbst ein geeignetes Mittel zur Wellenlängenselektion und Intensitätsmodulation beinhalten, wie beispielsweise ein internes akusto-optisches einstellbares Filter oder eine Frequenzkonversionseinheit. Bei dem Laser 2.1 kann es sich um einen faserbasierten Superkontinuum-Laser handeln. In dem Fall, dass der Laser 2.1 selbst Mittel zur Wellenlängenselektion und Intensitätsmodulation beinhaltet, kann auf das akusto-optische einstellbare Filter 2.2 verzichtet werden. Ein geeigneter Laser ist beispielsweise über die Firma Fianium Ltd. kommerziell verfügbar. 1 shows a lens microscope as an image pickup device 1 with a light source 2 , which is a broadband laser 2.1 and an acousto-optic tunable filter 2.2 for external wavelength selection and intensity modulation. For example, the laser 2.1 generate light pulses with a length of 20 ps in a wavelength range from 450 nm to 700 nm. The repetition rate of the pulses is for example 40 MHz. At the output radiation of the laser 2.1 it may be a white light continuum, from which then the wavelengths used in the illumination radiation are externally filtered out, for example by the acousto-optic adjustable filter 2.2 , or the laser 2.1 may itself include a suitable means for wavelength selection and intensity modulation, such as an internal acousto-optic tunable filter or a frequency conversion unit. At the laser 2.1 it can be a fiber-based supercontinuum laser. In the case that the laser 2.1 itself includes means for wavelength selection and intensity modulation can be applied to the acousto-optic tunable filter 2.2 be waived. A suitable laser is for example the company Fianium Ltd. commercially available.

Die Bildaufnahmevorrichtung 1 umfasst weiterhin einen Beleuchtungsstrahlengang B, in welchem die von der Lichtquelle 2 erzeugte Beleuchtungsstrahlung über eine optische Weiche 3, beispielsweise ein Mikrospiegelfeld, schaltbar entweder in einen linken Zweig BL oder in einen rechten Zweig BR gelangt. In den Beleuchtungsstrahlengangzweigen BR/L ist jeweils ein Strahlformer 4 angeordnet, der eine Zylinderoptik 5 sowie Abbildungsoptiken 6 umfasst, welche eine Formung der Beleuchtungsstrahlung zu einem Lichtblatt 7 bewirken. In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann stattdessen die Zylinderoptik 5 und/oder die Abbildungsoptik 6 vor der optischen Weiche 3 im konstanten Beleuchtungsstrahlengangabschnitt B angeordnet sein oder ganz wegfallen, wobei das Lichtblatt 7 dann mittels der Ablenkeinheit 11 erzeugt wird. Insbesondere kann die Zylinderoptik in den Strahlengang ein- und ausschwenkbar sein. Das Lichtblatt 7 ist auf die Probe 8, beispielsweise eine biologische Probe, welche in ein transparentes Gel eingebettet ist, gerichtet und schneidet diese in einer Fokusebene des Beleuchtungsstrahlengangs B. Je nach Stellung der optischen Weiche 3 wird die Probe entweder von der einen Seite (links) oder von der anderen Seite (rechts) beleuchtet.The image pickup device 1 further comprises an illumination beam path B, in which the of the light source 2 generated illumination radiation via an optical switch 3 , For example, a micromirror field, switchably passes either in a left branch B L or in a right branch B R. In the illumination beam paths B R / L is in each case a beam shaper 4 arranged, which has a cylindrical appearance 5 as well as imaging optics 6 which comprises shaping the illumination radiation into a light sheet 7 cause. In alternative embodiments (not shown), instead, the cylinder optics 5 and / or the imaging optics 6 in front of the optical switch 3 be arranged in the constant illumination beam path section B or completely omitted, wherein the light sheet 7 then by means of the deflection unit 11 is produced. In particular, the cylinder optics can be pivoted into and out of the beam path. The light sheet 7 is to the test 8th , For example, a biological sample, which is embedded in a transparent gel, directed and intersects them in a focal plane of the illumination beam path B. Depending on the position of the optical switch 3 the sample is illuminated either from one side (left) or from the other side (right).

Die Bildaufnahmevorrichtung 1 umfasst weiterhin einen Detektionsstrahlengang A, in welchem ein Detektionsobjektiv 9 angeordnet ist, über welches von der Probe 8 emittiertes oder gestreutes Probenlicht aufgenommen wird. Die Achse des Detektionsstrahlengangs A steht im wesentlichen senkrecht auf der Achse des Beleuchtungsstrahlengangs B und insbesondere im wesentlichen senkrecht auf der Schnittebene des Lichtblatts 7 mit der Probe 8. Die Probe 8 wird folglich näherungsweise nur in einer Ebene beleuchtet. Das Detektionsobjektiv 9 dient der Fokussierung in einer Fokusebene des Detektionsstrahlengangs A. Der Beleuchtungsstrahlengang B und der Detektionsstrahlengang A sind vollständig voneinander getrennt und kreuzen sich lediglich in der jeweiligen Fokusebene. Es sind auch Anordnungen mit einem abweichenden Winkel zwischen Detektionsstrahlengang und Beleuchtungsstrahlengang möglich, der beispielsweise zwischen 0° und 90° liegt. Entscheidend für SPIM ist, dass der Beleuchtungsstrahlengang B und der Detektionsstrahlengang A nicht parallel ausgerichtet sind. The image pickup device 1 further comprises a detection beam path A, in which a detection objective 9 is arranged, over which of the sample 8th emitted or scattered sample light is recorded. The axis of the detection beam path A is substantially perpendicular to the axis of the illumination beam path B and in particular substantially perpendicular to the sectional plane of the light sheet 7 with the sample 8th , The sample 8th is thus illuminated approximately only in one plane. The detection lens 9 serves the focusing in a focal plane of the detection beam A. The illumination beam path B and the detection beam A are completely separated from each other and intersect only in the respective focal plane. Arrangements are also possible with a different angle between detection beam path and illumination beam path, which is for example between 0 ° and 90 °. It is crucial for SPIM that the illumination beam path B and the detection beam path A are not aligned in parallel.

Die Bildaufnahmevorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Vorrichtung 10 zur Positionierung der Probe 8 relativ zu dem Lichtblatt 7 durch Verschiebung des Probenhalters, so dass durch eine Relativbewegung der Probe 8 entlang der Achse des Detektionsstrahlengangs A und/oder relativ zu dem Beleuchtungsstrahlengang B verschiedene optische Schnitte der Probe 8 aufgenommen werden können, welche als Grundlage für dreidimensionale Bilddatensätze dienen können. Die Relativbewegung kann auch eine Rotation der Probe 8 umfassen. Daneben weist der Beleuchtungsstrahlengang B eine Ablenkeinheit 11 zum Verschieben des Lichtblatts innerhalb der Probe 8 auf, die ebenfalls von der Steuereinheit 15 gesteuert wird.The image pickup device 1 further comprises a device 10 for positioning the sample 8th relative to the light sheet 7 by displacement of the sample holder, so that by a relative movement of the sample 8th along the axis of the detection beam A and / or relative to the illumination beam B different optical sections of the sample 8th can be included, which can serve as a basis for three-dimensional image data sets. The relative movement can also be a rotation of the sample 8th include. In addition, the illumination beam path B has a deflection unit 11 to move the sheet of light within the sample 8th on, also from the control unit 15 is controlled.

Der Detektionsstrahlengang A umfasst weiterhin eine Tubuslinse 12, über welche die von dem Detektionsobjektiv 9 erfasste Emissionsstrahlung einem optoelektronischen Wandler 14, beispielsweise ein CCD-Sensor mit einem globalen elektronischen Verschluss, zugeführt wird. Weiterhin kann in dem Detektionsstrahlengang A ein Emissionsfilter 13 vorgesehen sein, welches über die Probe 8 in den Detektionsstrahlengang A reflektierte oder gestreute Beleuchtungslichtanteile im Probenlicht blockiert. Das Emissionsfilter 13 ist jedoch nicht für alle Betriebsweisen des Mikroskops erforderlich und ist daher bevorzugt herausnehmbar. Bei einigen Betriebsweisen kann die Erfassung von reflektierter oder gestreuter Beleuchtungsstrahlung über den Wandler 14 sogar wünschenswert sein.The detection beam path A further comprises a tube lens 12 over which the from the detection lens 9 detected emission radiation to an optoelectronic transducer 14 For example, a CCD sensor with a global electronic shutter is supplied. Furthermore, in the detection beam A, an emission filter 13 be provided, which is about the sample 8th blocked in the detection beam A reflected or scattered illumination light components in the sample light. The emission filter 13 However, it is not required for all modes of operation of the microscope and is therefore preferably removable. In some operations, detection of reflected or scattered illumination radiation may be via the transducer 14 even be desirable.

Die Bildaufnahmevorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Steuereinheit 15, die über Signalleitungen 16/17/18/19 mit der Lichtquelle 2, mit dem Wandler 14 und mit der Ablenkeinheit 11 verbunden ist. Die Steuereinheit 15 erzeugt Modulationssignale, welche über die Signalleitung 16 an die Lichtquelle 2, dort insbesondere den AOTF 2.2, übermittelt werden, und Zeitfenstersteuerungssignale zum Auslösen und Beenden der Lichtintegration, welche über die Signalleitung 17 an einen Signaleingang des Wandler 14 übermittelt werden, und Ablenksignale, welche über die Signalleitung 19 an die Ablenkeinheit 11 übermittelt werden. Der Wandler 14 übermittelt wiederum über die Signalleitungen 18 ein Statussignal über den Auslesevorgang der Daten aus dem jeweils vorhergehenden Integration und – nach dem Ende des Auslesevorgangs – die digitalisierten Bilddaten an die Steuereinheit 15.The image pickup device 1 further comprises a control unit 15 that have signal lines 16 / 17 / 18 / 19 with the light source 2 , with the converter 14 and with the deflection unit 11 connected is. The control unit 15 generates modulation signals which are transmitted via the signal line 16 to the light source 2 , there in particular the AOTF 2.2 , and time window control signals for triggering and terminating the light integration, which are transmitted via the signal line 17 to a signal input of the converter 14 be transmitted, and deflection signals, which via the signal line 19 to the deflection unit 11 be transmitted. The converter 14 in turn transmitted over the signal lines 18 a status signal on the read-out of the data from the respective previous integration and - after the end of the read-out process - the digitized image data to the control unit 15 ,

In 2 und 3 sind Signaldiagramme einer Ausführungsform der Bildaufnahme im einfachen Überlappungsmodus (2) beziehungsweise im erweiterten Überlappungsmodus (3) dargestellt, in dem der zeitliche Verlauf der über die Signalleitungen 16/17/18/19/20 übermittelten Signale erkennbar ist. Die einzelnen Spuren enthalten von oben nach unten folgende Angaben: Spur 1 Hauptauslöser, welcher den Startpunkt für alle Zeitberechnungen angibt Spur 2 Ablenkungs-Synchronisation: Jeder Strich bedeutet den Beginn einer Schwingungsperiode der Ablenkeinheit 11 Spur 3 Signal zum Auslösen/Beenden der Integration im Wandler 14 Spur 4 Steuersignal für den Treiber des AOTF 2.2 oder eine direkt gesteuerte Lichtquelle Spur 5 Auslesestatus des Wandlers 14 Spur 6 Integrationsstatus der Detektionselemente des Wandlers 14 Spur 7 Umschaltungszeitpunkt zwischen Beleuchtungsseite oder zwischen Laserlinien bei einer sequentiellen Mehrkanalaufnahme In 2 and 3 are signal diagrams of an embodiment of image acquisition in the simple overlap mode ( 2 ) or in the extended overlap mode ( 3 ), in which the timing of the over the signal lines 16 / 17 / 18 / 19 / 20 transmitted signals is recognizable. The individual tracks contain the following information from top to bottom: Lane 1 Main trigger, which indicates the starting point for all time calculations Lane 2 Distortion Synchronization: Each stroke indicates the beginning of a period of oscillation of the deflection unit 11 Track 3 Signal for triggering / terminating the integration in the converter 14 Lane 4 Control signal for the driver of the AOTF 2.2 or a directly controlled light source Lane 5 Readout status of the converter 14 Lane 6 Integration status of the detection elements of the converter 14 Lane 7 Switching time between lighting side or between laser lines in a sequential multi-channel recording

Die Belichtung (schräg schraffiert) und die Integration (horizontal schraffiert), die wie abgebildet vorzugsweise synchron erfolgen, sind zudem durch die Pause der Dauer D2Wandler zwischen den beiden Integrationsvorgängen mit der periodischen Bewegung der Ablenkeinheit 11 synchronisiert. Da der AOTF 2.2 eine gewisse Trägheit aufweist, kann sein Steuersignal 18 gegenüber dem im Wandler 14 integrationsauslösenden und integrationsbeendenden Signal 17 um einen konstanten Zeitversatz vorgezogen werden, so dass die Pausendauern D1AOTF-start und D2AOTF-start um die Anlaufdauer des AOTF kürzer ist als die Pausendauern D1 Wandler beziehungsweise D2 Wandler. Deutlich erkennbar sind die identischen Belichtungsdauern für alle Integrationen. In anderen Ausführungsformen (nicht abgebildet) können die Signale 17 und 18 auch simultan ausgegeben werden.The exposure (obliquely hatched) and the integration (horizontally hatched), which preferably occur synchronously as shown, are also due to the pause of the duration D2 converter between the two integration processes with the periodic movement of the deflection unit 11 synchronized. Since the AOTF 2.2 has a certain inertia, may be its control signal 18 opposite to that in the converter 14 integration-triggering and integration-terminating signal 17 to be preferred by a constant time offset, so that the pause durations D1 AOTF-start and D2 AOTF-start by the startup duration of the AOTF is shorter than the pause durations D1 converter or D2 converter. Clearly recognizable are the identical exposure durations for all integrations. In other embodiments (not shown), the signals 17 and 18 can also be output simultaneously.

Mit dem ersten Zurücksetzen des Auslösesignals 17 kopiert der Wandler selbständig die Inhalte aller Detektionselemente in den verdeckten Zwischenspeicher und beginnt das Auslesen und Digitalisieren aus dem Zwischenspeicher, was er durch Setzen des Auslesestatus 18 anzeigt.With the first reset of the trigger signal 17 The converter automatically copies the contents of all detection elements into the hidden buffer and starts reading and digitizing from the buffer, which it does by setting the read-out status 18 displays.

Im einfachen Überlappungsmodus (2) wird zu einem Zeitpunkt, der um eine Belichtungsdauer vor dem Ende des ersten Auslesevorgangs das Auslösesignal 17 für die zweite Integration gesetzt, so dass die zweite Integration von dem Wandler 14 zeitlich überlappend mit dem ersten Auslesevorgang durchgeführt wird. Das Ende des ersten Auslesevorgangs kann die Steuereinheit 15 aus dem Zeitpunkt des ersten Zurücksetzens des Auslösesignals 17 und der für den Wandler 14 feststehenden Auslesedauer ermitteln. Sobald der Wandler 14 den ersten Auslesevorgang beendet hat und den Auslesestatus 18 zurücksetzt, wird das Auslösesignal 17 zum zweiten Mal zurückgesetzt und so der zweite Auslesevorgang im Wandler 14 angestoßen. Die zweite Integration dauert auf diese Weise genau so lang wie die erste Integration. In simple overlap mode ( 2 ) is at a time, the shutter signal by one exposure time before the end of the first read 17 set for the second integration, so that the second integration of the converter 14 overlapping in time with the first read-out process is performed. The end of the first read can be the control unit 15 from the time of the first reset of the trigger signal 17 and for the converter 14 determine the fixed readout duration. Once the converter 14 completed the first read and the readout status 18 reset, the trigger signal 17 reset the second time and so the second read-out in the converter 14 initiated. The second integration takes exactly as long as the first integration.

Durch den einfachen Überlappungsmodus kann der zeitliche Abstand zwischen beliebig vielen aufeinanderfolgenden Bildern verringert werden, so dass die mittlere Bildfrequenz (engl. „frame rate”) gegenüber regulären Integrations-Auslese-Abfolgen durch (nahezu) nahtlose Auslese-Auslese-Abfolgen bei maximaler Probenschonung erhöht werden kann.The simple overlap mode allows the time interval between any number of consecutive images to be reduced so that the average frame rate increases over regular integration readout sequences by (nearly) seamless readout readout sequences with maximum sample conservation can be.

Im erweiterten Überlappungsmodus (3) wird das Auslösesignal 17 für die zweite Integration noch früher gesetzt, um den zeitlichen Abstand zur ersten Integration weiter zu verringern. Wieder bleibt das Auslösesignal 17 bis zum Ende des ersten Auslesevorgangs gesetzt. Sobald der Wandler 14 den ersten Auslesevorgang beendet hat und den Auslesestatus 18 zurücksetzt, wird das Auslösesignal 17 zum zweiten Mal zurückgesetzt und so der zweite Auslesevorgang im Wandler 14 angestoßen. Die zweite Integrationsdauer ist dadurch deutlich länger als die erste Integrationsdauer. Aufgrund der identischen Belichtungsdauern sind die Intensitäts- und Helligkeitsverhältnisse jedoch vergleichbar mit jenen während der ersten Integration.In extended overlap mode ( 3 ) becomes the trigger signal 17 set even earlier for the second integration in order to further reduce the time interval to the first integration. Again the trigger signal remains 17 set to the end of the first readout. Once the converter 14 completed the first read and the readout status 18 reset, the trigger signal 17 reset the second time and so the second read-out in the converter 14 initiated. The second integration period is thus significantly longer than the first integration period. However, due to the identical exposure times, the intensity and brightness ratios are comparable to those during the first integration.

Durch den erweiterten Überlappungsmodus kann gegenüber dem einfachen Überlappungsmodus lediglich der zeitliche Abstand innerhalb jeweils eines Paares aufeinanderfolgender Bilder weiter verringert werden (entspricht einer lokalen Erhöhung der Bildfrequenz), während die mittlere Bildfrequenz nicht weiter erhöht werden kann. Die lokale Erhöhung der Bildfrequenz ist für veränderliche Proben, insbesondere für abwechselnd beidseitige Teilbildaufnahmen, aber besonders vorteilhaft. Bei Systemen mit mehr als einem Wandler und geeigneter Aufteilung des Probenlichts, beispielsweise durch Strahlteiler, können noch mehr Bilder (2 × Anzahl der Wandler) kurz hintereinander aufgenommen werden, wenn man die Signale des erweiterten Überlappungsmodus für die einzelnen Kameras entsprechend verzögert.The extended overlap mode, as opposed to the simple overlap mode, further reduces only the temporal distance within each pair of consecutive frames (corresponding to a local increase in frame rate), while the average frame rate can not be further increased. The local increase of the frame rate is particularly advantageous for variable samples, in particular for alternating bilateral field recordings. In systems with more than one transducer and appropriate division of the sample light, for example by beam splitters, even more images (2 × number of transducers) can be recorded in quick succession, if the signals of the extended overlapping mode for the individual cameras are delayed accordingly.

Dem Benutzer wird von der Steuereinheit 15 ein Bedienelement 21 zur Vorgabe der gewünschten Belichtungsdauer, der gewünschten mittleren Bildfrequenz und der gewünschten lokalen Bildfrequenz bereitgestellt. Ist dort die Bildfrequenz höher eingestellt als eine Bildfrequenz, die mit der Auslesedauer (Signal 18 gesetzt) korrespondiert, so verwendet die Steuereinheit 15 den erweiterten Überlappungsmodus, wenn die lokale Bildfrequenz kleiner als die mittlere Bildfrequenz eingestellt ist, und ansonsten den einfachen Überlappungsmodus. Die Pausendauer D2Wandler (und die abgeleitete Pausendauer D2AOTF-start) ermittelt die Steuereinheit beispielsweise anhand der vom Benutzer vorgegebenen Belichtungsdauer, der vom Benutzer vorgegebenen Bildfrequenz und der (konstanten, wandlereigenen) Auslesedauer.The user is informed by the control unit 15 a control 21 to provide the desired exposure time, the desired center frame rate, and the desired local frame rate. If the frame rate is set higher than a frame rate, which corresponds to the readout duration (signal 18 set), so the control unit uses 15 the extended overlap mode when the local frame rate is set lower than the center frame rate, and otherwise the simple overlap mode. The pause duration D2 converter (and the derived pause duration D2 AOTF-start ) determines the control unit, for example, based on the user defined exposure time, the user preset frame rate and the (constant, transducer own) readout duration.

Die Erfindung ist nicht nur in SPI-Mikroskopen einsetzbar, sondern in beliebigen Bildaufnahmevorrichtungen, auch in solchen, in denen der Beleuchtungsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang parallel oder gar abschnittsweise koaxial verlaufen. Sie ist auch ohne Ablenkeinheit 11 und/oder ohne beidseitige Beleuchtung einsetzbar, wobei die Signale 19 und 20 entfallen.The invention can be used not only in SPI microscopes, but in any image recording devices, even in those in which the illumination beam path and the detection beam path are parallel or even partially coaxial. It is also without distraction unit 11 and / or can be used without double-sided illumination, the signals 19 and 20 omitted.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
BildaufnahmevorrichtungImaging device
22
Lichtquellelight source
2.12.1
Laserlaser
2.22.2
AOTFAOTF
33
Optische WeicheOptical switch
44
Strahlformerbeamformer
55
Zylinderoptikcylindrical optics
66
Abbildungsoptikenimaging optics
77
Lichtblattlight sheet
88th
Probesample
99
Detektionsobjektivdetection objective
1010
Positioniervorrichtungpositioning
1111
AblenkeinheitDeflector
12 12
Tubuslinsetube lens
1313
Emissionsfilteremission filter
1414
Wandlerconverter
1515
Steuereinheitcontrol unit
1616
Signal(leitung)Signal (line)
1717
Signal(leitung)Signal (line)
1818
Signal(leitung)Signal (line)
1919
Signal(leitung)Signal (line)
2020
Signal(leitung)Signal (line)
2121
Bedienelementoperating element
AA
DetektionsstrahlengangDetection beam path
BB
BeleuchtungsstrahlengangIllumination beam path
Dscanner D scanner
Verzögerung ab Start der AblenkeinheitDelay from the start of the deflection unit
aa
Totzeitdead
D1Wandler D1 converter
Verzögerung bis Auslösen der ersten IntegrationDelay until triggering the first integration
D1AOTF-start D1 AOTF start
Verzögerung bis Einschalten des AOTF für erste EmissionDelay until turning on the AOTF for first emission
DAOTF-ende D AOTF-end
Verzögerung bis Ausschalten des AOTFDelay until turning off the AOTF
D2Wandler D2 converter
Verzögerung bis Auslösen der zweiten IntegrationDelay until triggering the second integration
D2AOTF-start D2 AOTF start
Verzögerung bis Einschalten des AOTF für zweite EmissionDelay until turning on the AOTF for second emission
L2Wandler L2 converter
Dunkelintegrationdark integration
TWandler T converter
Identische erste und zweite IntegrationsdauerIdentical first and second integration duration
T1Wandler T1 converter
Erste IntegrationsdauerFirst integration period
T2Wandler T2 converter
Zweite IntegrationsdauerSecond integration period
TAOTF T AOTF
Belichtungsdauerexposure time
D3Wandler D3 converter
Verzögerung bis dritte IntegrationDelay until third integration
D3AOTF-start D3 AOTF start
Verzögerung bis Einschalten des AOTF für dritte EmissionDelay until turning on the AOTF for third emission

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (17)

Bildaufnahmevorrichtung (1), insbesondere Mikroskop, mit mindestens einem Beleuchtungsstrahlengang (B), der eine modulierbare Lichtquelle (2) umfasst, einem Detektionsstrahlengang (A), der einen optoelektronischen Wandler (14) mit einer mindestens zweidimensionalen Matrix von Detektionselementen umfasst, und einer Steuereinheit (15), die mit der Lichtquelle (2) und dem Wandler (14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (14) einen Eingang für ein Signal (17) zum Auslösen einer simultanen elektrischen Integration in allen Detektionselementen umfasst und dass die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, in dem Wandler (14) eine erste Integration auszulösen und wieder zu beenden und danach, bevor in dem Wandler (14) ein Auslesen eines während der ersten Integration integrierten Inhalts aus allen Detektionselementen beendet ist, eine zweite Integration auszulösen und erst wieder zu beenden, nachdem in dem Wandler (14) das Auslesen des während der ersten Integration integrierten Inhalts aus allen Detektionselementen beendet ist, wobei sie während beider Integrationen jeweils für dieselbe Belichtungsdauer die Lichtquelle (2) zur gepulsten oder kontinuierlichen Emission mindestens einer Wellenlänge steuert und zwischen den Integrationen die Emission unterbricht.Image pickup device ( 1 ), in particular a microscope, with at least one illumination beam path (B), which is a modulatable light source ( 2 ), a detection beam path (A) having an optoelectronic transducer ( 14 ) comprising an at least two-dimensional matrix of detection elements, and a control unit ( 15 ) with the light source ( 2 ) and the converter ( 14 ), characterized in that the transducer ( 14 ) an input for a signal ( 17 ) for triggering a simultaneous electrical integration in all detection elements and that the control unit ( 15 ) is arranged in the converter ( 14 ) initiate and terminate a first integration and thereafter, before in the converter ( 14 ) a readout of a content integrated during the first integration from all the detection elements is terminated, triggering a second integration and only ending it again after the converter ( 14 ) the readout of the content integrated in the first integration from all the detection elements is completed, whereby during both integrations, in each case for the same exposure time, the light source ( 2 ) for pulsed or continuous emission of at least one wavelength and interrupts the emission between the integrations. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die zweite Integrationsdauer länger als die erste Integrationsdauer ist, insbesondere mit Ausbildung der Steuereinheit (15) zum Auslösen der zweiten Integration derart, dass ein mit dem Auslesen zeitlich überlappender Anteil der zweiten Integration länger ist als die erste Integration.Image pickup device ( 1 ) according to claim 1, wherein the second integration period is longer than the first integration period, in particular with the formation of the control unit ( 15 ) for triggering the second integration such that a temporally overlapping portion of the second integration with the read-out is longer than the first integration. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, die ein Bedienelement (21) zur Einstellung der zweiten Integrationsdauer, eines Quotienten zwischen der zweiten und der ersten Integrationsdauer oder einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Integrationsdauer bereitstellt.Image pickup device ( 1 ) according to the preceding claim, which is a control element ( 21 ) for setting the second integration period, a quotient between the second and the first integration period or a difference between the first and the second integration period. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Integrationsdauer und die zweite Integrationsdauer gleich lang sind.Image pickup device ( 1 ) according to claim 1, wherein the first integration period and the second integration period are the same length. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Integration gleich lang wie die Belichtungsdauer ist.Image pickup device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the first integration is the same length as the exposure time. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein Bedienelement (21) zur Auswahl eines von mehreren von der Steuereinheit (15) bereitgestellten Betriebsmodi bereitstellt, wobei in dem ersten Betriebsmodus die zweite Integrationsdauer länger als die erste Integrationsdauer ist, insbesondere bei konstanter erster und konstanter zweiter Integrationsdauer, und in dem zweiten Betriebsmodus die erste Integrationsdauer und die zweite Integrationsdauer gleich lang sind.Image pickup device ( 1 ) according to one of the preceding claims, which is a control element ( 21 ) for selecting one of several of the control unit ( 15 ), wherein in the first operating mode the second integration duration is longer than the first integration duration, in particular at constant first and constant second integration duration, and in the second operating mode the first integration duration and the second integration duration are equal. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, die zweite Integration am Ende oder aufgrund des Endes des Auslesens des Wandlers zu beenden.Image pickup device ( 1 ) according to the preceding claim, wherein the control unit ( 15 ) is arranged to terminate the second integration at the end or at the end of the readout of the converter. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, die zweite Integration erst um eine Pausendauer nach dem Beenden der ersten Integration auszulösen.Image pickup device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the control unit ( 15 ) is set up to trigger the second integration for a pause duration after the completion of the first integration. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (15) die Pausendauer anhand einer vorgegebenen Periodendauer eines periodischen Vorgangs so ermittelt, dass die Pausendauer zuzüglich der ersten Integrationsdauer einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer entspricht.Image pickup device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the control unit ( 15 ) determines the pause duration based on a predetermined period of a periodic process so that the pause duration plus the first integration period corresponds to an integer multiple of the period. Bildaufnahmevorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, die Pausendauer derart zu ermitteln, dass sie länger als oder gleich lang ist wie die Auslesedauer abzüglich der zweiten Integrationsdauer oder die zweite Integrationsdauer derart zu ermitteln, dass sie länger als oder gleich lang ist wie die Auslesedauer abzüglich der Pausendauer.Image pickup device ( 1 ) according to claim 8 or 9, wherein the control unit ( 15 ) is arranged to determine the pause duration such that it is longer than or equal to the readout duration less the second integration duration or the second integration duration such that it is longer than or equal to the readout duration less the pause duration. Mikroskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beleuchtungsstrahlengang (B) und der Detektionsstrahlengang (A) einander in einer Fokusebene des Detektionsstrahlengangs (A) kreuzen und der Beleuchtungsstrahlengang (B) einen Strahlformer (4) zur Erzeugung zumindest eines Segments eines Lichtblatts, insbesondere durch Fokussierung auf eine Brennlinie, wobei die Brennlinie in der Fokusebene des Detektionsstrahlengangs (A) liegt, aufweist.Microscope ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the illumination beam path (B) and the detection beam path (A) intersect each other in a focal plane of the detection beam path (A) and the illumination beam path (B) a beam shaper ( 4 ) for generating at least one segment of a light sheet, in particular by focusing on a focal line, wherein the focal line lies in the focal plane of the detection beam path (A) has. Mikroskop (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Beleuchtungsstrahlengang (B) eine variabel einstellbare Ablenkeinheit (11) zur Verschiebung des Lichtblatts, insbesondere innerhalb der Fokusebene des Detektionsstrahlengangs (A). Microscope ( 1 ) according to the preceding claim, wherein the illumination beam path (B) comprises a variably adjustable deflection unit ( 11 ) for the displacement of the light sheet, in particular within the focal plane of the detection beam path (A). Mikroskop (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, die Ablenkeinheit (11) zur periodischen Verschiebung des Lichtblatts mit einer vorgegebenen Periodendauer zu steuern, wobei die Belichtungsdauer, insbesondere auch die Dauer der ersten Integration, einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer entspricht, insbesondere mit Ausbildung der Steuereinheit (15) zum Modulieren einer Intensität der Emission der Lichtquelle während der jeweiligen Belichtungsdauer.Microscope ( 1 ) according to the preceding claim, wherein the control unit ( 15 ) is adapted to the deflection unit ( 11 ) to control the periodic displacement of the sheet of light with a predetermined period, wherein the exposure time, in particular the duration of the first integration corresponds to an integer multiple of the period, in particular with formation of the control unit ( 15 ) for modulating an intensity of the emission of the light source during the respective exposure period. Verfahren zum Aufnehmen einer Bildersequenz von einer Probe (8) mittels mindestens eines Beleuchtungsstrahlengangs (B), der eine modulierbare Lichtquelle (2) umfasst, und eines Detektionsstrahlengangs (A), der einen optoelektronischen Wandler (14) mit einer mindestens zweidimensionalen Matrix von Detektionselementen umfasst, wobei: – eine Pausendauer anhand einer vorgegebenen Belichtungsdauer und einer vorgegebenen Auslesedauer für alle Detektionselemente ermittelt wird, – die Lichtquelle (2) für die Belichtungsdauer zur periodisch gepulsten oder kontinuierlichen ersten Emission von Licht mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge gesteuert und synchron zu einem Beginn der ersten Emission für eine erste Integrationsdauer der Eingang (17) des Wandlers (14) gesetzt wird, – die Pausendauer abgewartet wird und – am Ende der Pausendauer die Lichtquelle (2) für die Belichtungsdauer zu einer mit der ersten Emission übereinstimmenden zweiten Emission gesteuert und synchron zu einem Beginn der zweiten Emission für eine zweite Integrationsdauer der Eingang (17) des Wandlers (14) gesetzt wird.Method for capturing an image sequence from a sample ( 8th ) by means of at least one illumination beam path (B) having a modulatable light source ( 2 ), and a detection beam path (A) comprising an opto-electronic converter ( 14 ) comprising an at least two-dimensional matrix of detection elements, wherein: a pause duration is determined on the basis of a predefined exposure duration and a predefined readout duration for all detection elements, the light source is 2 ) is controlled for the exposure period for the periodically pulsed or continuous first emission of light of at least one predetermined wavelength and synchronous to a beginning of the first emission for a first integration period of the input ( 17 ) of the converter ( 14 ) - the pause duration is waited for and - at the end of the pause duration the light source ( 2 ) is controlled for the exposure time to a second emission corresponding to the first emission and synchronously to a start of the second emission for a second integration period of the input ( 17 ) of the converter ( 14 ) is set. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Integrationsdauer länger als die erste Integrationsdauer ist, wobei die Pausendauer kürzer ist als eine Auslesedauer für alle Detektionselemente abzüglich der zweiten Integrationsdauer.Method according to the preceding claim, wherein the second integration duration is longer than the first integration duration, wherein the pause duration is shorter than a readout duration for all detection elements minus the second integration duration. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei die erste Integrationsdauer und die zweite Integrationsdauer gleich lang sind und die Pausendauer kürzer als eine Auslesedauer für alle Detektionselemente und mindestens, insbesondere genau, gleich der Auslesedauer für alle Detektionselemente abzüglich der Dauer der Belichtungsdauer ist.Method according to one of the preceding method claims, wherein the first integration duration and the second integration duration are the same length and the pause duration is shorter than a readout duration for all detection elements and at least, in particular exactly, equal to the readout duration for all detection elements minus the duration of the exposure duration. Computerprogramm oder Steuereinheit (15), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche.Computer program or control unit ( 15 ) arranged for carrying out a method according to one of the method claims.
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