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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System zur optischen Bestimmung von Partikeleigenschaften, einschließlich Größe und Reflektivität. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Lichtquellenanordnung mit wenigstens einer Lichtquelle, eine Polarisatoranordnung, wenigstens eine von der wenigstens einen Lichtquellenanordnung beleuchtbare Probenhalterung zur Aufnahme zu untersuchender Partikelpräparate, wenigstens eine Analysatoranordnung und wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung mit wenigstens einem farbauflösenden Matrix-Bildsensor.
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WO 94/14049 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Analyse von Partikeln in einem fließenden Medium, das eine Messpassage mit zwei Fenstern durchfließt. Dort wird eine Aufnahme der Partikel im Fluid gemacht, die anschließend digital ausgewertet wird. Es werden automatisch Indexwerte bezüglich verschiedener Eigenschaften des Fluids und der Partikel erstellt. Ein Expertensystem klassifiziert die Informationen.
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Die Erfindung gemäß
DE 10 2009 014 080 A1 betrifft die Bestimmung von Partikelgrößen eines Partikelstroms und eine Vorrichtung dazu. Ein optisches Durchlicht-Messsystem ist eingerichtet, Projektionsflächen von Partikeln innerhalb des durchleuchteten Messvolumens zu bestimmen. Ein zweites optisches Messsystem ist zur Messung des Beugungsmusters der Partikel eingerichtet. Anhand der Projektionsflächen und der Beugungsmuster wird eine Größenverteilung der Partikel im Messvolumen bestimmet.
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DE 20 2007 014 466 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Klassifizierung transparenter Bestandteile in einem Materialstrom. Diese umfasst eine optische Detektoreinrichtung, deren optische Achse auf den Materialstrom gerichtet ist, wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Materialstroms aus einem über dem Materialstrom aufgespannten Halbraum, in dem auch die optische Detektoreinrichtung enthalten ist, und einen Klassifikator, der auf der Grundlage von Informationen aus der optischen Detektoreinrichtung sowie einem Entscheidungskriterium das Bestandteil klassifiziert. Zumindest längs der optischen Achse der Detektoreinrichtung in Detektorblickrichtung dem Materialstrom nachgeordnet ist ein Retroreflektor vorgesehen. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst Lichtquellen für Licht einer ersten und einer zweiten Art, wobei Licht einer ersten Art längs zur optischen Achse auf den Materialstrom trifft und die optische Detektoreinrichtung das Licht beider Lichtquellen selektiv detektiert.
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In
DE 100 52 384 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung von Partikeleigenschaften und/oder Partikelkonzentrationen in einem fluiden Medium offenbart. Die Partikel in dem Messvolumen werden in Durchlicht beleuchtet und mittels einer CCD-Kamera in einer Betrachtungsrichtung aufgenommen. Im Strahlengang der Lichtquelle und/oder der CCD-Kamera ist wenigstens ein optischer Filter angeordnet, der Licht bestimmter Wellenlängen selektiv passieren lässt oder ausblendet oder eine bestimmte Polarisierungsrichtung durchlässt.
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Die automatische Vermessung von Partikeln mit Computersystemen, die mit einer Vergrößerungsvorrichtung verbunden sind, ist bekannt. Dabei werden Partikeleigenschaften wie Form, Durchmesser und andere geometrische Maße erfasst, indem ein Bild der Partikel aufgenommen wird und es mit einem Schwellendetektionsverfahren verarbeitet wird. Dies erfolgt üblicherweise mit sogenanntem gekreuztem polarisiertem Licht. Dies bedeutet, dass Licht zunächst durch einen Polarisator in einer Polarisationsrichtung linear polarisiert wird und nach der Reflektion von den zu untersuchenden Partikeln durch einen Analysator geführt wird, der einen linearen Polarisationsfilter aufweist, dessen Polarisationsrichtung bzw. Polarisationsebene unter einem 90°-Winkel zu der Polarisationsebene bzw. Polarisationsrichtung des Polarisators steht. Hiermit ergibt sich die beste Separation von Partikeln gegenüber einem hellen Hintergrund.
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Andere Partikeleigenschaften, wie die Reflektivität bzw. Reflexionsintensität, und somit die Art der Partikel (metallisch oder nicht metallisch), werden erfasst, indem ein zweites Bild aufgenommen wird mit parallel polarisiertem Licht, also unter Aufnahmebedingungen, bei denen Polarisator und Analysator bezüglich Ihrer Polarisationsebenen parallel gestellt sind. Alternativ wird bei Beibehaltung des Effekts das zweite Bild auch ohne Polarisator mit unpolarisiertem Licht und/oder ohne Analysator aufgenommen.
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Die komplette Klassifikation der Partikel nach Größe und Art erfordert somit zwei verschiedene Bilder, die unter zwei verschiedenen Beleuchtungsbedingungen aufgenommen werden.
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In dem bekannten Verfahren wird das erste Bild typischerweise aufgenommen, während die Polarisationsrichtungen des Polarisators und des Analysators senkrecht zueinander sind, wohingegen das zweite Bild aufgenommen wird, während beide parallel gestellt sind. Die chronologische Reihenfolge der beiden Bilder ist nicht wichtig. Die Form und somit die geometrischen Maße der Partikel wird aus dem Bild erhalten, das mit gekreuztem Polarisator und Analysator aufgenommen worden war und die Analyse des zweiten Bildes mit parallelem Polarisator und Analysator ergibt, ob Partikel reflektierend sind oder nicht, durch die Helligkeit, die sich am Ort der Partikel in dieser Konfiguration ergibt.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Charakterisierung von Partikeln zu beschleunigen und zu vereinfachen.
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Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Partikeleigenschaften, einschließlich Größe und Reflektivität, umfassend wenigstens eine Lichtquellenanordnung mit wenigstens einer Lichtquelle, eine Polarisatoranordnung, wenigstens eine von der wenigstens einen Lichtquellenanordnung beleuchtbare Probenhalterung zur Aufnahme zu untersuchender Partikelpräparate, wenigstens eine Analysatoranordnung und wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung mit wenigstens einem farbauflösenden Matrix-Bildsensor, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, von einem Partikelpräparat reflektiertes Licht mit einer farbkodierten Polarisation auf den wenigstens einen Matrix-Bildsensor zu leiten, die dadurch weitergebildet ist, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, zur Farbkodierung der Polarisation einerseits linear polarisiertes Licht wenigstens eines ersten Wellenlängenbereichs in einer ersten Polarisationsrichtung und andererseits unpolarisiertes Licht oder polarisiertes Licht mit wenigstens einer Polarisationskomponente in einer von der ersten Polarisationsrichtung unterschiedlichen, insbesondere auf die erste Polarisationsrichtung senkrechten, zweiten Polarisationsrichtung in wenigstens einem zweiten Wellenlängenbereich zu erzeugen, wobei der oder die ersten Wellenlängenbereiche mit dem oder den zweiten Wellenlängenbereichen nicht oder nur teilweise überlappen.
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Unter der „Größe“ von Partikeln werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung geometrische Maße der Partikel wie Länge, Durchmesser, Fläche, aber auch Form, usw. verstanden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise ein Mikroskop, ein Makroskop, ein Stereomikroskop oder eine Makroaufnahmestation bei Auflicht-Beobachtung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht es möglich, lediglich anhand eines einzigen RGB-Farbbildes mit einer optischen Anordnung, die reflektiertes Licht von Partikeln mit bestimmter Farbe kodiert auf einen Bildsensor leitet und hierfür Licht mit farbkodierter Polarisation zur Beleuchtung der Partikelpräparate erzeugt, alle notwendigen Informationen über die Partikel der Partikelpräparate zur Verfügung zu stellen.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass eine zweite Aufnahme eingespart werden kann, wenn die erste und einzige Aufnahme der Partikel aufgrund des erfindungsgemäß erzeugten das Partikelpräparat beleuchtenden Lichts bereits alle Informationen enthält, um sowohl Partikelgröße als auch Art der Partikel identifizieren zu können. Dafür muss das Licht auf unterscheidbare Weise Anteile von verschiedenen Polarisationen umfassen. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine Farbkodierung, indem ein Teil des farblichen Spektrums des Beleuchtungslichtes linear polarisiert wird und ein anderer Teil des Spektrums in einer unterschiedlichen Richtung linear polarisiert wird oder gegebenenfalls nicht oder nur teilweise polarisiert ist.
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Da aufgrund der Farbkodierung bekannt ist, welche spektralen Komponenten, also welche Farben, welchen Polarisationszustand haben, lässt sich durch die Farbinformation des farb- und ortsaufgelösten Bildes gleichzeitig rückschließen auf die Partikelgrößen und die Reflektivität der Partikel.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme entfällt außerdem das Problem von Verschiebungen des Präparats relativ zu den optischen Komponenten der Vorrichtung, die bei dem Vergleich der nach dem herkömmlichen Verfahren aufgenommenen zwei Bilder zu Problemen bei der Identifikation der Partikel führen können.
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Das Licht mit farbkodierter Polarisation darf Wellenlängenbereiche aufweisen, in denen die verschiedenen Polarisationszustände gemeinsam vorhanden sind. Es ist jedoch notwendig, dass es auch Wellenlängenbereiche gibt, in denen nur der eine oder der andere Polarisationszustand vorherrscht, um eine Trennung in einer nachfolgenden Bildanalyse zu ermöglichen. Wenn solche getrennten Wellenlängenbereiche nicht vorhanden wären, hätte das Licht auch keine farbkodierte Polarisation.
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Der lineare Polarisationsfilter des Analysators ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise senkrecht zu der Polarisationsrichtung eines linear polarisierten Teils des Lichts mit farbkodierter Polarisation gestellt. Dieser Teil dient zur Feststellung der geometrischen Eigenschaften der Partikel.
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Vorzugsweise ist eine Kodieranordnung umfasst, mittels der die farbkodierte Polarisation erzeugt wird, wobei die Kodieranordnung Teil der Lichtquellenanordnung, der Polarisationsanordnung oder der Analysatoranordnung ist. Die Kodieranordnung umfasst mehrere optische Elemente im Strahlengang der Optik vor oder beim Polarisator oder auch in Verbindung mit dem Analysator, mit denen die Farbkodierung der Polarisation vorgenommen wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Kodieranordnung einen dichroitischen Strahlteiler auf, der einfallendes Licht in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufteilt, wobei im Strahlengang des ersten Teilstrahls ein linearer Polarisator und im Strahlengang des zweiten Teilstrahls ein Farbfilter angeordnet ist, wobei die Teilstrahlen nach Durchgang durch den Polarisator bzw. den Farbfilter in einem Strahlvereiniger zu einem ausgehenden Lichtstrahl zusammengeführt werden. Diese Kodieranordnung ist besonders vorteilhaft in der Polarisatoranordnung einsetzbar.
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Bei der Verwendung von dichroitischen Strahlteilern kann das Wellenlängenspektrum in mehrere aufeinander folgende Wellenlängenbereiche aufgeteilt sein, die abwechselnd in den ersten und den zweiten Teilstahl aufgeteilt werden. Im zweiten Teilstrahl ist ein Farbfilter angeordnet, der einen begrenzten Wellenlängenbereich oder im Extremfall nur eine Wellenlänge durchlässt. Der Farbfilter ist so gewählt, dass er einen im zweiten Teilstrahl vorhandenen Wellenlängenbereich passieren lässt. Es ist nicht notwendig, einen Polarisator in den zweiten Teilstrahl einzusetzen, jedoch kann dies unterstützend erfolgen, wobei dann der Polarisator vorzugsweise senkrecht zu dem Polarisator im ersten Teilstrahl ausgerichtet ist.
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Der Strahlvereiniger ist vorzugsweise als dichroitischer Strahlteiler ausgebildet, der insbesondere gegebenenfalls bezüglich des Strahlengangs invertiert zum ersten dichroitischen Strahlteiler angeordnet ist. Der Strahlvereiniger kann auch ein halbdurchlässiger Spiegel sein. Dies bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass der Spiegel Licht, das unter einem Winkel von einer Seite kommt, durchlässt und Licht, das von einer anderen Seite kommt, spiegelt.
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In einer ebenfalls vorteilhaften, ebenfalls besonders vorteilhaft für die Polarisatoranordnung anwendbaren, Ausführungsform weist die Kodieranordnung in Richtung eines einfallenden Lichts eine Anordnung aus einer ersten Linse, einem ersten Prisma, einem zweiten Prisma und einer zweiten Linse auf, wobei das einfallende Licht nach Durchlaufen des ersten Prismas in ein Spektralband aufgefächert ist, wobei am Ort des Spektralbandes ein Kombinationsfilter mit einem Polarisator und einem Farbfilter angeordnet ist, mittels dessen ein Teil des Spektralbands durch den Polarisator geleitet wird und ein anderer Teil des Spektralbands durch den Farbfilter.
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In diesem Fall wird das Spektralband des einfallenden Lichtes im Wesentlichen, bis auf eine begrenzte Verschmierung des Spektrums, überlappungsfrei in zwei unterschiedliche Bereiche aufgeteilt, wobei ein Bereich linear polarisiert wird und der andere Bereich durch den Farbfilter gelangt. Dieser zweite Bereich wird somit auf den Bereich eingeengt, der den Farbfilter passieren kann.
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Der Farbfilter kann durch einen anderen durchlässigen Filter oder einen Schlitz ersetzt werden, so lange das unpolarisierte Licht keinen wesentlichen Spektralanteil enthält, der nicht der für unpolarisiertes Licht vorgesehenen Farbe entspricht. Da an dieser Stelle das Licht spektral aufgefächert ist, entspricht diese Anordnung einem Farbfilter.
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Das zweite Prisma und die zweite Linse sind vorzugsweise bezüglich des Kombinationsfilters invertierend zum ersten Prisma und zur ersten Linse angeordnet. Auf diese Weise wird das Spektralband nach Durchlaufen des Kombinationsfilters wieder zu einem gemeinsamen, insbesondere parallelen, Lichtstrahl vereinigt, dessen Licht eine farbkodierte Polarisation aufweist. In diesem Fall ist ein Teil des einfallenden Lichtes durch den Farbfilter ausgefiltert worden und ist im Farbspektrum des resultierenden Lichtstrahls unterdrückt oder nicht mehr enthalten.
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Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kodieranordnung einen Kombinationsfilter mit einem Muster mit einer Vielzahl von benachbarten Zonen in einer linearen Streifenanordnung, einer konzentrischen Anordnung oder einer Anordnung mit radialen Streifen aufweist, wobei sich in benachbarten Zonen jeweils Polarisatoren und Farbfilter abwechseln. Ein entsprechender Kombinationsfilter mit einem Muster mit einer Vielzahl von benachbarten Zonen wird dazu verwendet, in seinen verschiedenen Zonen die verschiedenen Komponenten des Lichtes mit farbkodierter Polarisation zu erzeugen. Die Zonen sollten so fein sein, dass die Oberfläche der Partikelpräparate zum Zweck der Bildaufnahme homogen durch beide Typen von Licht beleuchtet wird. Diese Ausführungsform der Kodieranordnung mit Kombinationsfilter ist vorteilhaft sowohl in der Polarisatoranordnung als auch alternativ in der Analysatoranordnung einsetzbar. Bei einem Einsatz des Kombinationsfilters in der Polarisatoranordnung ist die Polarisationsrichtung der Polarisationskomponente senkrecht zur Polarisationsrichtung des Analysators zu wählen, bei Einsatz in der Analysatoranordnung senkrecht zum Polarisator.
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Der Farbteil kann dadurch realisiert werden, dass eine Kombination einer Verzögerungsplatte, beispielsweise einem λ/2-Plättchen, auch in Kombination mit anderen Verzögerungsplatten, und einem Farbfilter hinter dem Polarisator verwendet wird.
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Das optimale Resultat wird durch ein bestimmtes Flächenverhältnis beider Teile im Kombinationsfilter erreicht sowie durch eine entsprechende Einstellung der Bildanalysesoftware. Die Oberflächen der Polarisatorkomponente und der Farbfilterkomponente haben vorzugsweise ein Verhältnis von 1:1 bis 10.000:1, insbesondere zwischen 3:1 bis 100:1.
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Der Kombinationsfilter weist vorzugsweise eine zentrale Öffnung für eine Abbe-Optik eines Stereo-Mikroskops auf. Der Kombinationsfilter hat dann eine ringförmige Oberfläche, so dass eine ideale homogene Ausleuchtung mit beiden Komponenten des farbkodiert polarisierten Lichts mit konzentrischen Zonen bzw. radial angeordneten Zonen verwirklicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Kodieranordnung ein oder mehrere λ-Plättchen aufweist, das oder die ausgebildet sind, bei linear polarisiertem Licht von einer bestimmten Wellenlänge die Polarisation zu erhalten und bei anderen Wellenlängen die Polarisation wenigstens teilweise zu zerstören. Die Verwendung von λ-Plättchen einer vollen Wellenlänge oder auch einer mehrfachen Wellenlänge nutzt den Umstand aus, dass die optisch aktiven Materialien die Polarisationsebene von polarisiertem Licht drehen. Dieser Effekt ist allerdings dispersiv, so dass für verschiedene Wellenlängen die Polarisationsebenen um verschiedene Beträge gedreht werden. Für eine bestimmte Wellenlänge, also eine bestimmte Farbe, ergibt sich somit eine genaue Drehung des linear polarisierten Lichts um 360°, während für andere Wellenlängen eine unterschiedliche Drehung stattfindet. Durch Kombinationen mehrerer λ-Plättchen kann für diese anderen Wellenlängen die Polarisation wenigstens teilweise zerstört werden. In anderen Wellenlängen ist somit eine unpolarisierte Komponente des Lichts am Ausgang vorhanden, während für die ausgewählte Wellenlänge weiterhin linear polarisiertes Licht zur Verfügung steht. Diese Kodieranordnung kann in der Polarisatoranordnung umfasst sein oder in der Analysatoranordnung. In letzterem Fall kann die Kodieranordnung die Aufgabe des Analysators übernehmen, so dass die gleiche Wirkung erzielt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind wenigstens zwei verschiedene Lichtquellen umfasst, wobei die Lichtquellen Licht mit wenigstens teilweise unterschiedlichen Farben oder Farbspektren erzeugen, wobei insbesondere eine Lichtquelle weißes Licht und eine andere Lichtquelle farbiges Licht erzeugt. In diesem Fall kann das Licht der ersten Quelle im Polarisator polarisiert werden, während das farbige Licht der zweiten Lichtquelle beispielsweise unpolarisiert bleiben kann. Mit zwei verschiedenen Lichtquellen, von denen nur eine den Polarisator bestrahlt, wird auf sehr einfache Weise eine Farbkodierung der Polarisation des Lichts erzielt. Das farbige Licht kann auch durch einen Laser erzeugt werden. Wenigstens eine farbige Lichtquelle ist ferner vorzugsweise als externe Lichtquelle umfasst. Dies ist die Lichtquelle des Lichts, das nicht im Polarisator polarisiert wird.
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In jedem der beschriebenen Fälle berücksichtigt die Bildauswertung die Wellenlängenbereiche, in denen die verschiedenen Polarisationen bekannt sind, also die bekannte Farbkodierung der Polarisation des Lichts.
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Die Bildaufnahmeeinrichtung weist vorzugsweise einen Bildsensor mit einem vorgeschalteten Bayer-Filter, drei Sensoren mit einem Strahlteilerprisma und/oder vorgeschalteten Farbfiltern oder einen X3-Farbsensor auf. Bildsensoren mit Bayer-Filter werden in vielen Anwendungen, unter anderem der Fotografie, verwendet. Der Bayer-Filter weist für jeden Bildpunkt bzw. jede Matrixzelle des Sensors einen einfarbigen Filter auf, der entweder Rot, Grün oder Blau ist.
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Üblicherweise werden an einem Pixel eines Farbbildes zwei Farbkomponenten, die aufgrund des Farbfilters vor dem Pixel nicht direkt vermessen werden können, aus den Pixelwerten der Nachbarpixel interpoliert, vor denen der Farbfilter der entsprechenden Farbe sitzt. X3-Sensoren verwenden pro Bildpunkt drei in mehreren Schichten übereinander liegende Sensorelemente, um mit jedem Pixel alle drei Grundfarben aufzuzeichnen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur optischen Bestimmung von Partikeleigenschaften, einschließlich Größe und Reflektivität, bei dem ein Partikelpräparat in einer Probenhalterung einer Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Partikeleigenschaften, insbesondere einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung, platziert wird und eine farb- und ortsaufgelöste Aufnahme des Partikelpräparats oder eines Teils des Partikelpräparats gemacht wird, gelöst, wobei das Partikelpräparat oder ein Teil des Partikelpräparats im Auflichtverfahren beleuchtet wird, wobei von einem Partikelpräparat reflektiertes Licht mit einer farbkodierten Polarisation auf den wenigstens einen Matrix-Bildsensor geleitet wird, wobei erfindungsgemäß das Licht mit farbkodierter Polarisation einerseits linear polarisiertes Licht wenigstens eines ersten Wellenlängenbereichs in einer ersten Polarisationsrichtung und andererseits unpolarisiertes Licht oder polarisiertes Licht mit wenigstens einer Polarisationskomponente in einer von der ersten Polarisationsrichtung unterschiedlichen zweiten Polarisationsrichtung in wenigstens einem zweiten Wellenlängenbereich enthält, wobei der oder die ersten Wellenlängenbereiche mit dem oder den zweiten Wellenlängenbereichen nicht oder nur teilweise überlappen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die gleichen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile auf, wie die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Vorzugsweise wird das von dem Partikelpräparat reflektierte Licht durch einen Analysator mit einem linearen Polarisationsfilter geleitet, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zu einer ersten Polarisationsrichtung des Lichts mit farbkodierter Polarisation ausgerichtet ist. Alternativ kann die Farbkodierung der Polarisation auch erst nach der Reflexion erfolgen, indem beispielsweise zunächst linear in einer Richtung polarisiertes, beispielsweise weißes, Licht auf die Probe geleuchtet wird und anschließend in der Analysatoranordnung eine Aufteilung nach Polarisation und Farbe erfolgt, insbesondere wie oben beschrieben.
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Aus den farb- und ortsaufgelösten Bildinformationen einer einzelnen Aufnahme werden aus wenigstens einem Wellenlängenbereich mit einer ersten Polarisationsrichtung Größeninformationen und aus wenigstens einem zweiten Wellenlängenbereich mit unpolarisiertem Licht oder mit wenigstens einer Polarisationskomponente in einer von der ersten Polarisationsrichtung unterschiedlichen zweiten Polarisationsrichtung Informationen zur Reflektivität von Partikeln des Partikelpräparats bestimmt.
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Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Wellenlängenbereich auch eine einzelne Wellenlänge verstanden, wenn durch einen entsprechenden Farbfilter oder eine entsprechende Lichtquelle Licht nur einer Wellenlänge oder ein schmales Band mit geringer Bandbreite erzeugt wird. Es ist auch im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass aus zwei verschiedenen Lichtquellen Licht mit wenigstens teilweise unterschiedlichen Wellenlängen und verschiedenen Polarisationszuständen erzeugt und anschließend miteinander gemischt werden, um Partikelpräparate zu beleuchten.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein System zur optischen Bestimmung von Partikeleigenschaften, insbesondere Größe und Reflektivität, mit einer erfindungsgemäßen zuvor beschriebenen Vorrichtung und einer Auswertungseinrichtung gelöst, die zum Empfang, zur Speicherung und zur Verarbeitung von farb- und ortsaufgelösten Aufnahmen eine mit der Vorrichtung verbundene Schnittstelle, einen Datenspeicher und einen Prozessor aufweist, das dadurch weitergebildet ist, dass die Auswertungseinrichtung mittels eines Computerprogramms ausgebildet und eingerichtet ist, aus den farb- und ortsaufgelösten Bildinformationen einer einzelnen Aufnahme aus wenigstens einem ersten Wellenlängenbereich mit einer ersten Polarisationsrichtung Größeninformationen und aus wenigstens einem zweiten Wellenlängenbereich mit unpolarisiertem Licht oder mit wenigstens einer Polarisationskomponente in einer von der ersten Polarisationsrichtung unterschiedlichen zweiten Polarisationsrichtung Informationen zur Reflektivität von Partikeln des Partikelpräparats zu bestimmen.
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Auch das erfindungsgemäße System weist die gleichen Vorteile, Merkmale und Eigenschaften wie die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auf.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung zur Erfassung von Partikeleigenschaften,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kodieranordnung,
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Kodieranordnung,
- 5 eine schematische Darstellung von erfindungsgemäßen Kombinationsfiltern,
- 6 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 7 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Auflichtmikroskops beschrieben. Die Ausführungen sind jedoch auch ohne Weiteres auf andere Vorrichtungen, etwa im Auflichtverfahren betriebene Mikroskope, Makroskope, Stereomikroskope oder Makroaufnahmestationen übertragbar und anwendbar.
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In 1a) und b) ist ein bekanntes Auflichtmikroskop 1 ausschnittsweise schematisch dargestellt, das zur Bestimmung von Partikeleigenschaften verwendbar ist. Auflichtmikroskopie bedeutet, dass das Präparat von der gleichen Seite beleuchtet wird, von der es mit Objektiven betrachtet wird, im Gegensatz zur Durchlichtmikroskopie, bei der das Präparat durchstrahlt wird.
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Das Auflichtmikroskop 1 weist ein sogenanntes Lichthaus 2 auf, das eine Beleuchtungseinrichtung, beispielsweise eine Lampe, zur Beleuchtung eines Präparats auf einem Präparatträger 6 aufweist. Der Strahlengang ist in 1 nicht dargestellt. Das Beleuchtungslicht wird durch einen Polarisator 3 geführt, in dem es linear polarisiert wird. In 1 ist dies eine horizontale Richtung. Die Polarisationsrichtung ist in 1a) und 1b) gleich. Nach Durchgang durch den Polarisator 3 wird das Beleuchtungslicht umgelenkt und auf ein Präparat auf dem Präparatträger 6 gelenkt. Dies kann durch ein Objektiv 4 geschehen, aber auch von außen. Das von den Präparaten auf dem Präparatträger 6 reflektierte Licht wird durch ein Objektiv 4 zu einem Analysator 5 geleitet und anschließend zu einem Okular 8, gleichzeitig zu einer Bildaufnahmeeinrichtung 9.
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Die 1a) unterscheidet sich von der 1b) in der Polarisationsrichtung des Analysators 5. In 1a) ist der Analysator 5 mit seiner Polarisationsrichtung vertikal, also senkrecht zur Polarisationsrichtung des Polarisators 3 gestellt, in 1b) sind Polarisator 3 und Analysator 5 parallel eingestellt.
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In den rechten Teilen der 1a) und 1b) sind die optischen Erscheinungsformen von reflektierenden Partikeln 11 und nicht reflektierenden Partikeln 13 dargestellt. Im beispielhaft dargestellten Fall ist das reflektierende Partikel 11 rund und das nicht reflektierende Partikel 13 quadratisch. In der in 1a) dargestellten Konfiguration mit gekreuztem Polarisator 3 und Analysator 5 erscheinen beide Partikel 11, 13 schwarz, so dass die geometrischen Eigenschaften dieser Partikel ideal erfasst werden können. In 1b) stehen Polarisator 3 und Analysator 5 parallel zueinander. Das reflektierende Partikel 11 erscheint heller, da reflektiertes Licht durch den Analysator 5 hindurchgelassen wird und somit für ein helleres Bild sorgt. Auf diese Weise sind in den beiden Bildern, die gemäß der Konfiguration in 1a) und in 1b) gemacht werden, sowohl Partikelgrößen als auch Partikelarten unterscheidbar.
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In 2 ist ebenfalls ein Auflichtmikroskop 1 dargestellt, das sich von dem Auflichtmikroskop 1 aus 1 in der Art der Lichtquellenanordnung im Lichthaus 2 unterscheidet. Anstelle lediglich eines linear polarisierten Polarisators 3 ist gemäß 2 eine modifizierter Polarisatoranordnung 3' mit einer Kombination aus einem Polarisator 3 und einem Farbfilter 7 für das Licht aus der internen Lichtquelle vorgesehen, alternativ auch kombinierte unterschiedliche Lichtquellen. Der Polarisationsfilter des Analysators 5 ist in seiner Polarisationsrichtung senkrecht zum Polarisator 3 der Polarisatoranordnung 3' eingestellt. Mittels des Polarisators 3 und des Farbfilters 7 wird in der Lichtquellenanordnung in dem Auflichtmikroskop 1 erfindungsgemäß Licht mit farbkodierter Polarisation erzeugt, die zur Beleuchtung der Präparate auf dem Präparatträger 6 dienen.
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Der Teil des Wellenlängenspektrums, der durch den Polarisator 3 polarisiert wird, ergibt zusammen mit dem senkrecht dazu ausgerichteten Analysator 5 die Konfiguration aus 1a), so dass damit die geometrischen Eigenschaften der Partikel messbar sind, während derjenige Teil des Wellenlängenspektrums, der durch den Farbfilter 7 tritt, nicht entsprechend linear polarisiert ist und somit der Konfiguration aus 1b) insoweit entspricht, als zumindest eine Komponente der Polarisation dieses Lichts parallel zum Analysator 5 polarisiert ist. Diese Komponente wird zur Erfassung des Partikeltyps, also ob das jeweilige Partikel reflektierend ist oder nicht, verwendet.
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Alternativ kann auch eine modifizierte Analysatoranordnung 5' mit einer Kombination aus einem Polarisationsfilter des Analysators 5 und einem Farbfilter 7 verwendet werden. In diesem Fall enthält die Polarisationsanordnung nur einen konventionellen Polarisator, aber keinen Farbfilter. Auch in diesem Fall stehen die Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilterkomponenten in Polarisator 3 und Analysator 5 senkrecht aufeinander.
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In 3 ist eine erste erfindungsgemäße Kodieranordnung 20 für ein Auflichtmikroskop 1 schematisch dargestellt, bei der einfallendes Licht 21 von links eintritt und auf einen dichroitischen Strahlteiler 22 trifft. Dieser teilt das einfallende Licht 21 in zwei oder mehr Wellenlängenbereiche auf, die zum einen in einen transmittierten ersten Teilstrahl 27 und zum anderen in einen reflektierten zweiten Teilstrahl 28 aufgeteilt werden. Die von dem dichroitischen Strahlteiler 22 reflektierten Anteile werden durch einen Spiegel 23 nochmals reflektiert.
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Der erste Teilstrahl 27 wird durch einen Polarisator 3 geführt, während der zweite Teilstrahl 28 durch einen Farbfilter 7 geführt wird. Der zweite Teilstrahl 28 wird nach Durchtritt durch den Farbfilter 7 über einen Spiegel 24 zu einem Strahlvereiniger 25 gelenkt, wo er auf dem ersten Teilstrahl 27 trifft und mit ihm zu einem ausgehenden Lichtstrahl 26 vereinigt wird.
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Der Strahlvereiniger 25 kann ein invertiert angeordneter dichroitischer Strahlteiler sein oder aber ein halbdurchlässiger Spiegel, der auf der Seite des einkommenden ersten Teilstrahls 27 durchlässig und auf der Seite des einkommenden zweiten Teilstrahls reflektierend ausgebildet ist.
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Da dichroitische Strahlteiler das Wellenlängenspektrum in mehrere Bereiche aufteilen, die jeweils entweder reflektiert oder durchgelassen werden, ergibt sich bei der Kodieranordnung 20 ein Spektrum mit mehreren Bereichen, die linear polarisiert sind und mit wenigstens einem farbgefilterten Wellenlängenbereich.
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In 4 ist ein Alternativbeispiel einer erfindungsgemäßen Kodieranordnung 30 gezeigt. Einfallendes paralleles Licht 31 trifft zunächst auf eine Linse 32, die beispielsweise sphärisch oder zylindrisch ausgebildet sein kann. Die erste Linse 32 bündelt das einfallende Licht in einem Punkt oder in einer Linie. Es folgt ein Prisma 33, das den Punkt oder die Linie spektral aufteilt, so dass sich ein Spektralband 34 ergibt. Am Ort des Spektralbands 34 ist ein Kombinationsfilter 35 angeordnet, das einen großen Teil des Spektralbandes 34 mit einem Polarisator 3 linear polarisiert, und ein Farbfilter 7, der einen kleineren Teil des Spektralbandes 34 farblich filtert.
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Es schließen sich ein zweites Prisma 36 und eine zweite Linse 37 an, die die optischen Konversionen des einfallenden Lichts 31 in der ersten Linse 32 und dem ersten Prisma 33 rückgängig machen, so dass ein paralleler Lichtstrahl mit farbcodierter Polarisation austritt.
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5 zeigt vier Beispiele von erfindungsgemäßen Kombinationsfiltern 40, 41, 42, 43, die schmale Zonen mit Polarisator 3 und Farbfilter 7 aufweisen, die einander jeweils von Zone zu Zone abwechseln, dargestellt durch hellere und dunklere Bereiche.
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Der Kombinationsfilter 40 weist hierfür gerade streifenförmige Bereiche auf, der Kombinationsfilter 41 konzentrische Zonen. Die Kombinationsfilter 42 und 43 weisen jeweils eine zentrale Öffnung 44 für eine ringförmige Beleuchtung eines Makroskops, Stereomikroskops oder einer Makroaufnahmestation auf. Hierbei weist der Kombinationsfilter 42 wiederum eine konzentrische Anordnung von ringförmigen Zonen auf, während der Kombinationsfilter 43 eine Folge von abwechselnden radial ausgerichteten Zonen aufweist.
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In 6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung ausschnittsweise gezeigt, bei der auf einem Präparatträger 6 ein Präparat 10 angeordnet ist. Dieses wird mit Licht aus zwei verschiedenen Lichtquellen beleuchtet, nämlich einem intern erzeugten einfallenden Lichtstrahl 52, der durch einen Polarisator 3 polarisiert wird, und einen intern oder extern erzeugten farbigen Lichtstrahl 52, der nicht durch den Polarisator 3 polarisiert wird. Es kann sich bei dem Licht 52 um monochromatisches oder schmalbandiges farbiges Licht handeln. Das Licht wird von dem Präparat reflektiert und gelangt als ausgehendes Licht 56 zum Analysator.
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In 7 ist diese Anordnung für den Fall eines Stereo-Mikroskops mit Abbe-Optik gezeigt, wobei ein innerer Analysator 5 von einem konzentrischen Polarisator 3 in Ringform umgeben ist. Weiter außen sind eine oder mehrere externe farbige Lichtquellen 50 angeordnet. Damit entspricht diese Anordnung funktionell derjenigen aus 6 für den Fall eines Stereo-Mikroskops.
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In den in 6 und 7 gezeigten Fällen wird das erfindungsgemäße Ergebnis durch Einsatz zweier unterschiedlicher Lichtquellen erzeugt, ohne Notwendigkeit von Farbfiltern, die allerdings Teil der internen oder externen Lichtquellen sein können.
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In der folgenden Tabelle werden mögliche Farbkombinationen von senkrecht und parallelen bzw. nicht polarisierten Komponenten des Wellenlängenspektrums aufgelistet, die für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft in Frage kommen.
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In dieser Tabelle werden zusammengesetzte RGB-Farben verwendet. Dabei bedeuten: Weiß = Rot + Grün + Blau, Cyan = Grün + Blau, Magenta = Rot + Blau, Gelb = Rot + Grün.
| | Komponenten des Beleuchtungslichtes | RGB-Anteile in der Bildanalyse verwendbar für |
| polarisiertes Licht | farbgefiltertes Licht | Formerfassung | Reflektionserkennung |
| 1 | Weiß | Rot | Grün + Blau | Rot |
| 2 | Weiß | Grün | Rot + Blau | Grün |
| 3 | Weiß | Blau | Rot + Grün | Blau |
| 4 | Weiß | Cyan | Rot | Grün + Blau |
| 5 | Weiß | Magenta | Grün | Rot + Blau |
| 6 | Weiß | Gelb | Blau | Rot + Grün |
| 7 | Cyan | Rot | Grün + Blau | Rot |
| 8 | Cyan | Gelb | Blau | Rot + Grün |
| 9 | Cyan | Magenta | Grün | Rot + Blau |
| 10 | Magenta | Grün | Rot + Blau | Grün |
| 11 | Magenta | Gelb | Blau | Rot + Grün |
| 12 | Magenta | Cyan | Rot | Grün + Blau |
| 13 | Gelb | Blau | Rot + Grün | Blau |
| 14 | Gelb | Magenta | Grün | Rot + Blau |
| 15 | Gelb | Cyan | Rot | Grün + Blau |
| 16 | Rot | Grün | Rot | Grün |
| 17 | Rot | Blau | Rot | Blau |
| 18 | Rot | Cyan | Rot | Grün + Blau |
| 19 | Grün | Rot | Grün | Rot |
| 20 | Grün | Blau | Grün | Blau |
| 21 | Grün | Magenta | Grün | Rot + Blau |
| 22 | Blau | Rot | Blau | Rot |
| 23 | Blau | Grün | Blau | Grün |
| 24 | Blau | Gelb | Blau | Rot + Grün |
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Auflichtmikroskop
- 2
- Lichthaus
- 3
- Polarisator
- 3'
- modifizierte Polarisatoranordnung
- 4
- Objektive
- 5
- Analysator
- 5'
- modifizierte Analysatoranordnung
- 6
- Präparatträger
- 7
- Farbfilter
- 8
- Okular
- 9
- Bildaufnahmeeinrichtung
- 10
- Präparat
- 11
- reflektierendes Partikel
- 13
- nichtreflektierendes Partikel
- 20
- Kodieranordnung
- 21
- einfallendes Licht
- 22
- Dichroitischer Strahlteiler
- 23, 24
- Spiegel
- 25
- Strahlvereiniger
- 26
- ausgehender Lichtstrahl
- 27
- erster Teilstrahl
- 28
- zweiter Teilstrahl
- 30
- Kodieranordnung
- 31
- einfallendes Licht
- 32
- Linse
- 33
- Prisma
- 34
- Spektralband
- 35
- Kombinationsfilter
- 36
- Prisma
- 37
- Linse
- 38
- ausgehendes Licht
- 40, 41
- Kombinationsfilter
- 42, 43
- Kombinationsfilter für Stereomikroskop
- 44
- zentrale Öffnung
- 50
- externe Farblichtquelle
- 52
- einfallendes Licht
- 54
- einfallendes externes farbiges Licht
- 56
- ausgehendes Licht
