DE102017109456A1

DE102017109456A1 - Mikroskopsystem und Verfahren zum Betreiben eines Mikroskopsystems

Info

Publication number: DE102017109456A1
Application number: DE102017109456.3A
Authority: DE
Inventors: Mirko Liedtke; Andreas Kühm; Burkhard Roscher; Nico Presser
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-11-08
Also published as: CN110573925B; WO2018202607A1; US20200201010A1; US11454790B2; CN110573925A

Abstract

Ein Mikroskopsystem umfasst mehrere Mikroskopmodule, welche zur Datenübertragung miteinander verbunden sind. Das Mikroskopsystem ist gekennzeichnet durch einen zentralen Taktgeber, dessen Taktsignal an alle Mikroskopmodule gegeben wird. Die Mikroskopmodule sind dazu eingerichtet, das Taktsignal oder einen hieraus abgeleiteten Takt als internen Takt zu verwenden. Zudem wird ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Mikroskopsystems beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem ersten Aspekt auf ein Mikroskopsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In einem zweiten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Mikroskopsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Ein gattungsgemäßes Mikroskopsystem umfasst mehrere Mikroskopmodule, welche zur Datenübertragung miteinander verbunden sind.
In entsprechender Weise ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Mikroskopsystems vorgesehen, dass das Mikroskopsystem mehrere Mikroskopmodule umfasst, welche untereinander Daten übertragen.
Mikroskopsysteme, beispielsweise Laser-Scanning-Mikroskope, sind verteilte Systeme, die mehrere Module (nachstehend Mikroskopmodule) umfassen. Es werden hohe Anforderungen an die Datenübertragung zwischen den Modulen gestellt.. Insbesondere soll eine Bandbreite der Übertragung möglichst hoch sein, die Übertragungsqualität soll möglichst gut sein und eine Latenz der Übertragung soll möglichst gering sein.
Bekannte Mikroskopsysteme können die immer weiter steigenden Anforderungen an die Übertragungsrate und die zeitliche Genauigkeit nicht zufriedenstellend erfüllen, insbesondere wenn die verwendbaren Pixeltakte besonders kurz sind.
Üblicherweise haben die einzelnen Module einen eigenen Taktgeber. Dieser arbeitet unabhängig von den Taktgebern anderer Module. Für eine Kommunikation zwischen den Modulen wird in der Regel ein Synchronisationssignal genutzt. Empfangen die Module das Synchronisationssignal, so ist dieser Zeitpunkt ausgezeichnet und kann für einen synchronen Ablauf genutzt werden: Beispielsweise kann ein Modul Daten senden, sobald es ein Synchronisationssignal empfängt. Wann ein Synchronisationssignal eintrifft, kann von einem Modul jedoch nicht vernünftig vorhergesagt werden. Deshalb muss das Modul zu sendende Daten vorbereiten und sodann abwarten, bis ein Synchronisationssignal empfangen wird. Hierdurch entstehen längere ungenutzte Zeiträume.
Diese Probleme des Stands der Technik werden mit Bezug auf 1 näher erläutert. 1 zeigt entlang der horizontalen Zeitachse t die Dauer 1, welche eine Pixeldauer 1 (englisch: pixel length) kennzeichnet. Die Pixeldauer 1 kann eine Dauer darstellen, innerhalb der das Mikroskopsystem einen Probenpunkt (einen Pixel) aufnehmen soll. Bei einem Scanmikroskop müssen hierfür die Scanspiegel auf den Probenpunkt eingestellt werden. Dazu müssen innerhalb der Pixeldauer die Ansteuerungssignale an den Scanspiegel übertragen werden. Der Startzeitpunkt 0, ab welchem die Pixeldauer beginnt, kann durch ein Synchronisationssignal vorgegeben werden. Ab diesem Zeitpunkt sollten idealerweise die entsprechenden Mikroskopmodule die Ansteuerungssignale für die Scanspiegel erzeugen und an diese weiterleiten. Hierbei entstehen aber Übertragungsverzögerungen und Rechendauern, welche eine Verzögerung 2 bewirken. Nur der nach der Verzögerung 2 verbleibende Teil der Pixeldauer 1 kann für die Signale 3 genutzt werden. Um möglichst schnelle Bildaufnahmen zu erzeugen, sollte die Pixeldauer 1 möglichst kurz sein. Sehr kurze Pixeldauern 1 sind jedoch bisher durch die Verzögerung 2 nicht möglich.
Ein herkömmliches Mikroskopsystem wird beispielsweise in DE 10 2011 055 639 B4 beschrieben. Hier wird ein Synchronisator genutzt, der die Daten der verschiedenen Module synchronisiert, wie insbesondere in Absatz [0087] dieser Schrift dargelegt.
Standardschnittstellen zur Datenübertragung werden bei Mikroskopen in der Regel nur bei Einsteigermodellen verwendet. Aber auch herkömmliche, für bestimmte Anwendungen speziell entwickelte Systeme können den immer weiter steigenden Anforderungen nicht gerecht werden. Problematisch ist insbesondere eine Latenz zwischen einem übertragenen Datum und einem Synchrontakt, da eine gleichzeitige Wirkung oder eine Wirkung zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht gewährleistet werden kann.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, ein Mikroskopsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Mikroskopsystems anzugeben, welche hinsichtlich der Datenübertragung zwischen Komponenten des Mikroskopsystems eine möglichst hohe Qualität und hohe Übertragungsraten ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das Mikroskopsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Mikroskopsystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung erläutert.
Bei dem Mikroskopsystem der oben genannten Art ist ein zentraler Taktgeber vorhanden, dessen Taktsignal an alle Mikroskopmodule gegeben wird. Die Mikroskopmodule sind dazu eingerichtet, dieses Taktsignal oder einen hieraus abgeleiteten Takt als internen Takt zu verwenden.
Bei dem oben genannten Verfahren sendet erfindungsgemäß ein zentraler Taktgeber ein Taktsignal an alle Mikroskopmodule. Die Mikroskopmodule verwenden sodann das Taktsignal oder einen hieraus abgeleiteten Takt als internen Takt.
Vorteilhafterweise können somit alle Mikroskopmodule bis auf eine einzelne Schwingungsperiode synchron sein. Hohe Datenübertragungen bei guter Signalqualität werden somit möglich.
Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Vergleich zu 1 beschrieben. Bei der herkömmlichen Übertragung gemäß 1 muss auf ein Synchronisationssignal gewartet werden, welches zu einem für ein Mikroskopmodul unbekannten Zeitpunkt eintrifft. Erst ab diesem Zeitpunkt können Übertragungen und eventuell Berechnungen vorgenommen werden, wodurch eine Verzögerung entsteht, die nicht für die eigentliche Datenübertragung genutzt werden kann, wie im Beispiel von 1 die Daten zur Scanspiegelansteuerung, die innerhalb der Pixeldauer 1 eintreffen müssen. Die Verzögerung aus 1 ist zudem mit einem störenden Jitter (das heißt einer Schwankung oder einem Frequenzzittern) behaftet. Ungenutzte Verzögerungen können bei der Erfindung durch den gemeinsamen Takt für alle Mikroskopmodule vermieden werden: Hierdurch können in der Zukunft liegende Zeitpunkte vorhergesagt werden und Abläufe dazu passend durchgeführt werden. So können Berechnungsdauern und Übertragungsverzögerungen berücksichtigt werden, so dass ein Mikroskopmodul beispielsweise die Ansteuerungsdaten für die Scanspiegel hinreichend früh absendet, so dass diese zu Beginn der Pixeldauer 1, und nicht erst nach der Verzögerung 2, am Modul der Scanspiegel eintreffen. Somit erlaubt der zentrale Taktgeber der Erfindung eine schnellere und effizientere Kommunikation zwischen den Mikroskopmodulen.
Mehrere Mikroskopmodule können hintereinander an einem Bus angeordnet sein. Insbesondere dann wird nicht vom zentralen Taktgeber jedes Mikroskopmodul direkt mit dem Taktsignal versorgt. Vielmehr wird das Taktsignal von einem Mikroskopmodul zum nächsten weitergegeben. Zum Weitergeben des Taktsignals können zumindest einige der Mikroskopmodule eine Takteingangsschaltung und eine Taktausgangsschaltung aufweisen. Über die Takteingangsschaltung ist das Taktsignal empfangbar und über die Taktausgangsschaltung ist das Taktsignal, insbesondere in aufbereiteter Form, an ein anderes der Mikroskopmodule ausgebbar. Hierzu kann die Takteingangsschaltung dazu eingerichtet sein, das empfangene Taktsignal aufzubereiten und erst dann über die Taktausgangsschaltung auszugeben. Zur Aufbereitung können beispielsweise Verstärker und/oder Filter eingesetzt werden.
Es kann alternativ aber auch vorteilhaft sein, wenn ein Taktsignal ohne eine solche Aufbereitung durchgeleitet wird. Dadurch wird eine Durchlaufzeit des Taktsignals reduziert. Ein Auskoppeln zu den Mikroskopmodulen kann jeweils über einen Richtkoppler oder einen Leistungsteiler erfolgen. An einem letzten Modul kann bei dieser Ausführung ein Leitungsabschluss vorgesehen sein; ein Richtkoppler ist daher bei einem letzten Mikroskopmodul nur fakultativ vorhanden.
Demgemäß kann vorgesehen sein, dass zumindest einige der Mikroskopmodule jeweils eine Kopplungsschaltung umfassen, insbesondere einen Richtkoppler, um einen Signalanteil des Taktsignals in das jeweilige Mikroskopmodul einzukoppeln. Der eingekoppelte Signalanteil kann sodann verstärkt werden und, wie zu den übrigen Ausführungen beschrieben, hinsichtlich seiner Trägerfrequenz oder eincodierter Daten ausgewertet und für einen internen Takt verwendet werden. Ein übriger Anteil des Taktsignals, welcher nicht über den Richtkoppler in das Mikroskopmodul eingekoppelt wird, wird zu den übrigen Mikroskopmodulen geleitet, ohne das Mikroskopmodul zu durchlaufen. Ein Richtkoppler wird vom Taktsignal passiv durchlaufen, womit Leitungsverzögerungen besonders gering sind. Indem ein Verstärker eines Mikroskopmoduls auch nur für die Nutzung intern im Modul verwendet wird und nicht zur Weitergabe an andere Module, sind Verzögerungen in der Leitung des Taktsignals besonders gering.
Die Takteingangsschaltung oder eine andere Schaltung eines Mikroskopmoduls kann zweckmäßigerweise dazu eingerichtet sein, eine Trägerfrequenz des Taktsignals zu extrahieren, insbesondere durch eine Phasenregelschleife (englisch: phaselocked loop, PLL). Beispielsweise kann die Trägerfrequenz über allein die steigenden Flanken oder allein die fallenden Flanken des Taktsignals ermittelt werden.
Das Merkmal, dass ein Mikroskopmodul das Taktsignal als internen Takt verwendet, kann dahin gehend verstanden werden, dass der interne Takt in seiner Frequenz und Phasenlage so angepasst wird, dass er mit der Trägerfrequenz des Taktsignals übereinstimmt. Das Merkmal, dass das Mikroskopmodul einen aus dem Taktsignal abgeleiteten Takt als internen Takt verwendet, kann so verstanden werden, dass der interne Takt auf ein bestimmtes Frequenzverhältnis und insbesondere eine bestimmte Phasenlage relativ zum Taktsignal angepasst wird, beispielsweise auf ein Viertel dieser Frequenz. Die Mikroskopmodule können eigene Taktgeber aufweisen, deren Frequenz und insbesondere auch deren Phase auf die Frequenz und Phase des Taktsignals oder eines hieraus abgeleiteten Takts eingestellt werden.
Vorzugsweise wird das Taktsignal des zentralen Taktgebers nicht nur zur Übermittlung eines einheitlichen Takts für die Kommunikation zwischen den Modulen genutzt. Vielmehr können in das Taktsignal auch Informationen moduliert / eincodiert werden. So ist vorzugsweise eine Taktmodulationsschaltung vorhanden und dazu eingerichtet, ein Taktsignal vom zentralen Taktgeber zu modulieren, um eine Information einzucodieren. Das Taktsignal des Taktgebers wird somit moduliert, bevor es an die verschiedenen Mikroskopmodule gesendet wird. Der Taktgeber und die Taktmodulationsschaltung können auch durch eine gemeinsame elektronische Schaltung gebildet sein. Die Takteingangsschaltung oder eine andere Schaltung des Mikroskopmoduls kann nun dazu eingerichtet sein, eine im Taktsignal eincodierte Information zu lesen. Bei dieser Information kann es sich um einen beliebigen Datenstrom handeln, z.B. um eine Steuerinformationen für die Mikroskopmodule, etwa einen Reset-Befehl oder einen globalen asynchronen Reset-Befehl, ein Handshake-Signal, einen Alarm oder Start- und Endpunkte eines Modulbetriebs handeln. Vorteilhafterweise können hiermit Daten im Taktsignal übertragen werden, ohne dass die Datenleitungen dazu benutzt werden müssten. Auch Informationen für ein Aussynchronisieren können im Taktsignal kodiert und übertragen werden.
Prinzipiell kann die Modulation des Taktsignals durch eine Amplitudenmodulation erfolgen. Während dies leicht umsetzbar ist, kann dies unter Umständen aber die Qualität beeinflussen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Taktmodulationsschaltung dazu eingerichtet, ein Taktsignal zu modulieren, indem die Taktmodulationsschaltung einen Abstand zwischen steigenden Taktflanken moduliert, während sie einen Abstand zwischen fallenden Taktflanken konstant lässt. Alternativ moduliert die Taktmodulationsschaltung einen Abstand zwischen fallenden Taktflanken, während sie einen Abstand zwischen steigenden Taktflanken konstant lässt. Aus den Flanken mit konstantem Abstand kann sodann die Taktfrequenz extrahiert werden, während der variable Flankenabstand eine Information kodiert. Diese Informationsübertragung beeinflusst nicht die Qualität des Takts. Insbesondere kommt es nicht oder kaum zu einem Jitter (einem Frequenzzittern) und ein Rauschen des Taktsignals bleibt unbeeinflusst.
Während der zentrale Takt zur Kommunikation zwischen den Mikroskopmodulen einheitlich ist, kann innerhalb eines Mikroskopmoduls eine andere Taktfrequenz genutzt werden. Insbesondere kann die interne Taktfrequenz eines Mikroskopmoduls anders sein als die interne Taktfrequenz eines anderen Mikroskopmoduls. Hierzu kann zumindest eines der Mikroskopmodule dazu eingerichtet sein, aus dem empfangenen Taktsignal einen Takt mit anderer Frequenz zu bilden und diesen Takt als lokalen Modultakt, das heißt als interne Taktfrequenz, zu verwenden. So kann das empfangene Taktsignal auf eine niedrigere Frequenz geteilt werden, welche dann als lokaler Modultakt verwendet wird. Dies ist beispielsweise häufig sinnvoll, um preiswerte Komponenten, z.B. FPGA, mit niedrigerer Frequenz zu betreiben. Je nach Art der verwendeten FPGA können die Module mit verschieden stark erniedrigten Taktfrequenzen arbeiten. Für Mikroskopmodule mit Hochleistungskomponenten kann hingegen ein höherer lokaler Modultakt erzeugt werden, welcher auch höher sein kann als der zentrale Takt. In anderen Worten können verschiedene Mikroskopmodule dazu eingerichtet sein, aus dem jeweils empfangenen Taktsignal unterschiedliche Takte zu bilden und als jeweiligen lokalen Modultakt zu verwenden. Hierin liegt ein entscheidender Unterschied gegenüber herkömmlichen Mikroskopsystemen.
Es ist besonderes bevorzugt, dass die Taktmodulationsschaltung dazu eingerichtet ist, in das Taktsignal eine Taktzahlinformation zu codieren. Durch die Taktzahlinformation wird ein Takt ausgezeichnet, ab dem die darauffolgenden Takte gezählt werden können. Beispielsweise kann die Taktzahlinformation einen 1. Takt kennzeichnen. Die Module zählen alle hierauf folgenden Takte. Dadurch ist es möglich, dass ein Modul einen für die Zukunft geplanten Vorgang rechtzeitig starten kann. Soll beispielsweise ein Modul einen Steuerbefehl zum 20. Takt absenden und benötigt das Modul für die Berechnung des Steuerbefehls 12 Takte, so beginnt das Modul mit dem Rechenvorgang beim 8. Takt. Dadurch werden wichtige Zeitvorteile erreicht. Hierin liegt ein wesentlicher Unterschied zu einem Synchronisieren gemäß dem Stand der Technik: Dort kann ein Modul nicht vorhersagen, wann es ein Synchronisationssignal empfangen wird und kann daher nicht vorab ermitteln, wann es mit dem Rechenvorgang beginnen soll. Ab einem Synchronisationssignal arbeiten beim Stand der Technik die Module unabhängig weiter, das heißt asynchron; dadurch bietet ein Synchronisationssignal nicht sinnvoll die Möglichkeit, nach beispielsweise 8 Takten einen Rechenvorgang zu starten und dann einen Steuerbefehl auszusenden, den ein anderes Modul zu einem definierten Taktzeitpunkt empfangen würde.
Insbesondere für eine einfache Verkabelung können mehrere Mikroskopmodule in Reihe geschaltet sein. Zum einfacheren Verständnis wird nachstehend ein Beispiel beschrieben, bei dem zumindest ein erstes und ein zweites Mikroskopmodul der mehreren Mikroskopmodule in Reihe verbunden sind. Der zentrale Taktgeber sendet das Taktsignal an das erste Mikroskopmodul. Dieses reicht das Taktsignal an das zweite Mikroskopmodul durch. Dadurch empfangen das erste und das zweite Mikroskopmodul das Taktsignal nicht gleichzeitig, sondern nacheinander mit einem Zeitversatz. Ein solcher Zeitversatz ist für die oben beschriebene Ausführung problematisch, bei der eine Taktzahlinformation übertragen wird, durch welche alle Module einen bestimmten Zeitpunkt (das heißt dieselbe Taktzahl) erkennen können sollen. Beispielsweise kann ein Zeitversatz zwischen dem ersten und zweiten Modul etwa drei Takte betragen. Wenn das zweite Modul nun die Taktzahlinformation, die den 1. Takt angibt, empfängt, hat das erste Modul bereits drei Takte weiter gezählt. Um einen solchen Zeitversatz zu berücksichtigen, können das erste und/oder zweite Mikroskopmodul (einen Datenspeicher umfassen, in dem ein vorbestimmter Zeitversatzwert gespeichert ist, welcher als Maß für den Zeitversatz dient. Der Zeitversatzwert kann vorab berechnet oder gemessen worden sein und ist fest in einem der Module gespeichert. Zur Berücksichtigung des Zeitversatzes können nun das erste und/oder zweite Mikroskopmodul dazu eingerichtet sein, eine der Taktzahlinformation entsprechende Taktzahl um den Zeitversatzwert (oder eine hieraus abgeleitete Größe) zu ändern. In dem oben genannten Beispiel mit einem Zeitversatzwert, der drei Takten entspricht, würde das erste Modul die der Taktzahlinformation entsprechende Taktzahl um drei verringern. Konkret würde sie also beim Empfang der Taktzahlinformation, welche den 1. Takt angibt, hieraus ableiten, dass der -2. Takt vorliegt. Drei Taktschläge später beträgt die Taktzahl bei beiden Modulen eins. Das erste und zweite Modul zählen somit zu jedem Zeitpunkt dieselbe Taktzahl. Wenn ein Modul einen bestimmten Prozess zu einer bestimmten Taktzahl ausführen soll, stimmt vorteilhafterweise die Taktzahl bei allen betroffenen Modulen überein. Soll beispielweise ein Modul einen Steuerbefehl bei der 50. Taktzahl an ein anderes Modul senden, so entspricht die 50. Taktzahl bei beiden Modulen demselben Zeitpunkt.
Die Taktmodulationsschaltung kann dazu eingerichtet sein, in das Taktsignal einen Reset-Befehl zu codieren. Die Takteingangsschaltungen oder andere Schaltungen der Mikroskopmodule sind dazu eingerichtet, einen solchen in das Taktsignal codierten Reset-Befehl zu erkennen und daraufhin einen Taktzählerstand oder einen Zustandsautomaten (finiter Zustandsautomat, englisch: state machine oder finite state machine) von diesem Modul zurückzusetzen. Der Takt, zu dem der Reset-Befehl empfangen wird, kann somit auf eine bestimmte Taktzahl, etwa einen 0. oder 1. Takt, zurückgesetzt werden. Vorteilhafterweise kann somit ein gemeinsamer Taktzählerstand für die verschiedenen Mikroskopmodule gewährleistet werden. Bei einem Zustandsautomaten kann sich das Mikroskopmodul in einem von mehreren Zuständen befinden, wobei durch den Reset-Befehl, insbesondere unabhängig vom aktuellen oder von vergangenen Zuständen, ein bestimmter Zustand oder Ursprungszustand eingestellt wird. Ungeachtet dessen können auch andere Befehle mit weiteren Funktionen in das Taktsignal codiert werden.
Bei den Mikroskopmodulen kann es sich prinzipiell um beliebige Komponenten eines Mikroskops mit elektronischen Bauteilen oder um beliebige elektronische Komponenten, die mit einem Mikroskop zusammenwirken, handeln. Zumindest einige der Mikroskopmodule können beispielhaft aus folgender Gruppe an Mikroskopmodulen gewählt sein: ein Laser-Scanning-Modul, ein Spektrometer-Modul, ein Mehrphotonen-Untersuchungsmodul, ein Filtersteuer-Modul, welches zum Beispiel Lichtfilter in einen Strahlengang bringt oder aus diesem entfernt, ein Bildaufnahme-Modul, welches zum Beispiel eine oder mehrere Kameras oder Lichtdetektoren umfassen kann, ein Lichtquellen-Modul zum Aussenden von Licht oder ein Visualisierungsmodul, welches insbesondere einen Bildschirm umfassen kann.
Die als zusätzliche Vorrichtungsmerkmale beschriebenen Eigenschaften der Erfindung sind auch als Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzufassen, und umgekehrt. Insbesondere ergeben sich Verfahrensvarianten durch den bestimmungsgemäßen Gebrauch der beschriebenen Eigenschaften des Mikroskopsystems.
Als Taktgeber kann eine prinzipiell beliebige elektronische Schaltung angesehen werden, welche eine Schwingung mit bestimmter, in der Regel konstanter, Frequenz erzeugt. Die Modulationsschaltung und der Taktgeber können durch eine gemeinsame elektronische Schaltung oder auch räumlich voneinander getrennt gebildet sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben. Hierin zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer verzögerungsbehafteten Datenübertragung zwischen Modulen eines Mikroskops des Stands der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikroskopsystems;
3 eine schematische Darstellung von Taktsignalen zwischen und innerhalb der Mikroskopmodule des Mikroskopsystems aus 2;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Mikroskopsystems.

Gleiche und gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroskopsystems 100. Dieses umfasst als wesentliche Komponenten mehrere Mikroskopmodule 20, 30 sowie einen zentralen Taktgeber 10.
Die Mikroskopmodule 20, 30 können prinzipiell beliebige Bestandteile eines Lichtmikroskops sein, welche elektronische Bauteile umfassen. Beispielsweise kann das Modul 20 eine Laser-Scanning-Einheit sein und das Modul 30 kann eine Lichtquellen-Einheit sein, welche zum Beispiel mehrere Laser und deren Ansteuerung umfasst.
Die Module 20, 30 kommunizieren untereinander und/oder mit einer zentralen Recheneinheit (nicht dargestellt). Zeitpunkte der Datenkommunikation müssen aufeinander abgestimmt sein. Beispielsweise sollten Scanspiegel eines Moduls und eine Lichtquelle eines anderen Moduls zeitlich aufeinander abgestimmt angesteuert werden.
Beim Stand der Technik arbeiten diese Module mit voneinander unabhängigen, asynchronen, Taktfrequenzen. In der Zukunft liegende Prozesse können daher zeitlich schwer aufeinander abgestimmt werden. Häufig werden Synchronisationssignale genutzt, die an die Module gesendet werden. Ein Synchronisationssignal kann beispielsweise eine steigende Flanke in einem Signal sein. Empfangen die Module ein Synchronisationssignal, können sie den Zeitpunkt des Empfangs als einen gemeinsam bekannten Zeitpunkt identifizieren. Prozesse können nun gleichzeitig ausgeführt werden. Allerdings können in der Zukunft liegende Prozesse nicht präzise geplant werden, weil ab Empfang des Synchronisationssignals die verschiedenen Module wieder unabhängig voneinander, asynchron, weiterlaufen.
Dies wird bei den Modulen 20, 30 des erfindungsgemäßen Mikroskopsystems 100 vermieden. Dazu wird ein einheitlicher Takt genutzt, der vom zentralen Taktgeber 10 erzeugt wird. Dieser gibt ein Taktsignal 11 aus, welches an alle Mikroskopmodule 20, 30 geleitet wird.
Im dargestellten Beispiel sendet der Taktgeber 10 das Taktsignal 11 an das erste Modul 20, welches das Taktsignal an das zweite Modul 30 weitergibt.
Das Modul 20 umfasst eine Takteingangsschaltung 21, mit welcher ein eingehendes Taktsignal 11 empfangen wird. Über eine Verstärkerschaltung 22, welche auch als Teil der Takteingangsschaltung 21 angesehen werden kann, wird das Taktsignal 11 verstärkt und über eine Taktausgangsschaltung 23 auf eine Leitung 28 zum nächsten Modul 30 ausgegeben.
Von der Takteingangsschaltung 21 wird das Taktsignal 11 zudem an eine Frequenzermittlungsschaltung 24 gegeben, beispielsweise eine Phasenregelschleife 24, welche eine Trägerfrequenz des Taktsignals 11 bestimmt. Die Frequenzermittlungsschaltung 24 kann auch als Teil der Takteingangsschaltung 21 angesehen werden.
Das Modul 20 umfasst weiterhin eine Taktteilungsschaltung 25, welche aus der Trägerfrequenz des Taktsignals 11 einen anderen Takt ableiten kann, beispielsweise einen Takt mit halber Frequenz der Trägerfrequenz des Taktsignals 11. Dieser abgeleitete Takt wird als interner Takt 26 oder Modultakt 26 für Komponenten 27 des Moduls 20 verwendet. Die Komponenten 27 können beispielsweise FPGA umfassen. Die Taktteilungsschaltung 25 ist so gestaltet, dass ihr ausgegebener Takt 26 für die FPGA dieses Moduls geeignet ist.
Das Modul 30 ist in gleicher Weise wie das Modul 20 gebildet und unterscheidet sich von diesem in der Gestaltung der Komponenten 27. Je nach Art der Komponenten 27 kann die Taktteilungsschaltung des Moduls 30 anders gebildet sein als die Taktteilungsschaltung des Moduls 20, so dass die Module 20, 30 verschiedene interne Takte ausgeben. Diese internen Takte stehen aber in einem bekannten Verhältnis zueinander, weil beide aus demselben Taktsignal 11 des zentralen Taktgebers 10 abgeleitet sind.
Das Taktsignal 11 wird auch zur Datenübertragung genutzt. Dazu ist in das Taktsignal 11 ein Datenstrom moduliert. Dies wird näher mit Bezug auf 3 beschrieben, welche in der obersten Reihe das Taktsignal 11 zeigt. Die zweite Reihe zeigt ein moduliertes Taktsignal 12. Hierbei sind die Zeitpunkte der fallenden Flanken des Taktsignals moduliert, um Informationen zu übertragen. Dargestellt ist ein Fall, in dem die fallende Flanke des ersten Taktschlags auf der linken Figurenseite auf 90% der Zeitdauer zwischen zwei steigenden Flanken verzögert wird. Den Zeitpunkt der fallenden Flanke interpretiert ein Modul 20, 30 als eine Information. Zumindest ist in solchen Informationen eine Taktzahlinformation enthalten, wodurch verschiedene Taktschläge voneinander unterscheidbar sind. Außerdem können durch die Zeitpunkte der fallenden Flanken zusätzliche Information übermittelt werden, etwa Steuerbefehle, beispielsweise als ein Reset-Befehl oder als ein Zurücksetzen des Taktzählerstands auf beispielsweise null.
Die steigenden Flanken haben hingegen im modulierten Taktsignal 12 einen konstanten Zeitabstand, so dass hieraus die Trägerfrequenz oder Grundfrequenz ermittelt werden kann.
Das Signal 13 der dritten Reihe aus 3 gibt einen aus dem Taktsignal 11 beziehungsweise 12 abgeleiteten Takt an, dessen Frequenz ¼ der Frequenz des Taktsignals 11 entspricht. Dies kann beispielsweise der Dauer für die Bildaufnahme eines Pixels entsprechen. Das Signal 14 der nächsten Reihe hat eine um den Faktor 128 kleinere Frequenz als das Taktsignal 11. Weil für das dargestellte Beispiel allein der Zeitpunkt einer steigenden Flanke ausgewertet wird (und somit die Dauer des hohen oder niedrigen Pegels nicht relevant ist), wird der hohe Pegel des Signals 14 nicht etwa um den Faktor 128 länger gehalten; allerdings folgt der nächste Zeitpunkt, zu dem zur Informationskodierung entweder eine steigende Flanke oder keine steigende Flanke vorliegt, erst nach 128 Taktschlägen (also nach 128 steigenden Flanken des Taktsignals 11). Das Signal 14 kann beispielsweise die Dauer der Bildaufnahme einer Linie entsprechen. Das Signal 15 der untersten Reihe aus 3 soll hingegen die Dauer der Bildaufnahme eines gesamten Bildes (englisch: frame) darstellen und kann beispielsweise 65536 Taktschläge betragen. Weil wiederum nur relevant ist, ob eine steigende Flanke vorliegt, und die Dauer eines hohen Pegels nicht relevant ist, wird im dargestellten Beispiel wiederum nur ein kurzer Puls verwendet.
Indem die Zeitdauer eines Prozesses in Takten gezählt werden kann (beispielsweise 65536 Taktschläge für eine Bildaufnahme), kann ein zukünftiger Prozess zeitlich präzise gesteuert werden. Beispielsweise können Änderungsbefehle für die Lichtquelle stets nach 65536 Taktschlägen an das Modul der Lichtquelle abgesandt werden.
Die Erfindung erlaubt daher eine besonders präzise und effiziente Datenkommunikation zwischen verschiedenen Modulen eines Mikroskopsystems.
Eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskopsystems 100 ist in 4 gezeigt. Die Ausführung ähnelt dem in 2 dargestellten Mikroskopsystem 100, wobei Komponenten gleicher Funktion übereinstimmende Bezugszeichen haben und die Erläuterung, die bei 2 hierzu gegeben wurde, auch für das Ausführungsbeispiel von 4 gilt. Als wesentlicher Unterschied gegenüber 2 wird bei 4 ein Taktsignal 11 nicht durch ein Mikroskopmodul 20 hindurch geleitet, um an ein nächstes Mikroskopmodul 30 weitergegeben zu werden. Vielmehr ist eine Leitung für das Taktsignal 11 vorgesehen, von welcher jeweils eine Auskopplung zu den verschiedenen Mikroskopmodulen 20, 30 erfolgt. Die Auskopplung von der Leitung in ein Mikroskopmodul 20 kann durch einen Richtkoppler 21A des jeweiligen Mikroskopmoduls 20 erfolgen. Der Richtkoppler 21A leitet einen Signalanteil des Taktsignals 11 in das jeweilige Mikroskopmodul 20, während der nicht eingekoppelte restliche Signalanteil des Taktsignals 11 zum nächsten Mikroskopmodul 30 weiterläuft, ohne durch das Mikroskopmodul 20 zu verlaufen. Hierdurch sind Zeitverzögerungen durch die Leitung des Taktsignals 11 geringer. Eine Signalverstärkung des in das Modul 20 gekoppelten Anteils des Taktsignals erfolgt hier durch die Verstärkerschaltung 22 nur für das intern im Mikroskopmodul 20 verwendete Taktsignal und nicht für den zum nächsten Mikroskopmodul 30 geführten Anteil des Taktsignals 11. Das Modul 20 umfasst demnach keine Takteingangs- und Taktausgangsschaltung, kann jedoch ansonsten wie zu 2 beschrieben gestaltet sein, insbesondere kann es eine Frequenzermittlungsschaltung und die übrigen dort beschriebenen Komponenten umfassen.
Die Leitung für das Taktsignal 11 wird bei dieser Ausführung durch einen Leitungsabschluss 40 terminiert.
Anstelle eines Richtkopplers 21A kann auch ein Multidrop-Bus oder eine Multidrop-Topologie zum Leiten des Taktsignals 11 verwendet werden: Das Taktsignal 11 wird vom zentralen Taktgeber 10 ausgesendet und an mehrere / alle Mikroskopmodule 20, 30, 40, 50 gesendet. In das Taktsignal 11 ist eine Adressierung eincodiert, welche ein bestimmtes Mikroskopmodul 20 bezeichnet. Zudem sind mit der Adressierung verknüpfte Daten eincodiert. Die Mikroskopmodule 20, 30, 40, 50 empfangen das Taktsignal 11 und lesen die Adressierung, wobei nur das adressierte Mikroskopmodul 20 die eincodierten Daten verarbeitet. In dieser Weise kann über das Taktsignal 11 gezielt ein bestimmtes Mikroskopmodul 20, 30, 40, 50 angesteuert werden.
Bezugszeichenliste

10: Taktgeber
11: Taktsignal
12: moduliertes Taktsignal
13: abgeleiteter Takt
14, 15: Signal
20: Mikroskopmodul
21: Takteingangsschaltung
21A: Kopplungseinrichtung, Richtkoppler
22: Verstärkerschaltung
23: Taktausgangsschaltung
24: Frequenzermittlungsschaltung
25: Taktteilungsschaltung
26: lokaler Modultakt
27: Komponenten des Moduls
30, 40, 50: Mikroskopmodule
100: Mikroskopsystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011055639 B4 [0009]

Claims

Mikroskopsystem mit mehreren Mikroskopmodulen (20, 30), welche zur Datenübertragung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Taktgeber (10) vorhanden ist, dessen Taktsignal (11) an alle Mikroskopmodule (20, 30) gegeben wird, und dass die Mikroskopmodule (20, 30) dazu eingerichtet sind, das Taktsignal oder einen hieraus abgeleiteten Takt als internen Takt (26) zu verwenden.
Mikroskopsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Weitergeben des Taktsignals (11) zumindest einige der Mikroskopmodule (20, 30) eine Takteingangsschaltung (21) und eine Taktausgangsschaltung (23) aufweisen, wobei über die Takteingangsschaltung (21) das Taktsignal (11) empfangbar ist und über die Taktausgangsschaltung (23) das Taktsignal (11) an ein anderes der Mikroskopmodule (20, 30) ausgebbar ist, oder dass zumindest einige der Mikroskopmodule (20, 30) jeweils eine Kopplungseinrichtung (21A) umfassen, insbesondere einen Richtkoppler (21A), um einen Signalanteil des Taktsignals (11) in das jeweilige Mikroskopmodul (20) einzukoppeln, wobei ein übriger Signalanteil des Taktsignals (11) nicht durch das Mikroskopmodul (20) sondern zu den übrigen Mikroskopmodulen (30) geleitet wird.
Mikroskopsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Takteingangsschaltung (21) oder eine andere Schaltung eines Mikroskopmoduls (20, 30) dazu eingerichtet ist, - das empfangene Taktsignal aufzubereiten und erst dann über die Taktausgangsschaltung (23) auszugeben, und / oder - eine Trägerfrequenz des Taktsignals (11) zu extrahieren, insbesondere durch eine Phasenregelschleife (24).
Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Taktmodulationsschaltung vorhanden und dazu eingerichtet ist, ein Taktsignal zu modulieren, um eine Information einzucodieren, dass die Takteingangsschaltung (21) oder eine andere Schaltung des Mikroskopmoduls (20, 30) dazu eingerichtet ist, eine im Taktsignal (11) eincodierte Information zu lesen.
Mikroskopsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktmodulationsschaltung dazu eingerichtet ist, ein Taktsignal zu modulieren, indem - die Taktmodulationsschaltung einen Abstand zwischen steigenden Taktflanken moduliert, während sie einen Abstand zwischen fallenden Taktflanken konstant lässt, oder - die Taktmodulationsschaltung einen Abstand zwischen fallenden Taktflanken moduliert, während sie einen Abstand zwischen steigenden Taktflanken konstant lässt.
Mikroskopsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktmodulationsschaltung dazu eingerichtet ist, in das Taktsignal eine Taktzahlinformation zu codieren.
Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktmodulationsschaltung dazu eingerichtet ist, in das Taktsignal einen Reset- Befehl zu codieren, und dass die Takteingangsschaltungen (21) oder andere Schaltungen der Mikroskopmodule (20, 30) dazu eingerichtet sind, einen in das Taktsignal codierten Reset-Befehl zu erkennen und daraufhin einen Taktzählerstand oder einen Zustandsautomaten zurückzusetzen.
Mikroskopsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erstes und ein zweites Mikroskopmodul (20, 30) der mehreren Mikroskopmodule (20, 30) in Reihe verbunden sind, so dass der zentrale Taktgeber (10) das Taktsignal an das erste Mikroskopmodul (20) sendet und dieses das Taktsignal an das zweite Mikroskopmodul (30) durchreicht, wodurch das erste und zweite Mikroskopmodule (20, 30) das Taktsignal mit einem Zeitversatz empfangen, dass das erste und/oder zweite Mikroskopmodul (20, 30) einen Datenspeicher umfasst, in dem ein vorbestimmter Zeitversatzwert gespeichert ist, welcher als Maß für den Zeitversatz dient, dass zur Berücksichtigung des Zeitversatzes das erste und/oder zweite Mikroskopmodul (20, 30) dazu eingerichtet ist, eine der Taktzahlinformation entsprechende Taktzahl um den Zeitversatzwert zu ändern.
Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Mikroskopmodule (20, 30) dazu eingerichtet ist, aus dem empfangenen Taktsignal (11) einen Takt mit anderer Frequenz zu bilden und diesen Takt als lokalen Modultakt (26) zu verwenden.
Mikroskopsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Mikroskopmodule (20, 30) dazu eingerichtet sind, aus dem jeweils empfangenen Taktsignal (11) unterschiedliche Takte zu bilden und als jeweiligen lokalen Modultakt zu verwenden.
Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Mikroskopmodule (20, 30) aus folgender Gruppe an Mikroskopmodulen gewählt sind: - ein Laser-Scanning-Modul, - ein Spektrometer-Modul, - ein Mehrphotonen-Untersuchungsmodul, - ein Filtersteuer-Modul, - ein Bildaufnahme-Modul, - ein Lichtquellen-Modul, - ein Visualisierungsmodul.
Verfahren zum Betreiben eines Mikroskopsystems mit mehreren Mikroskopmodulen (20, 30), welche untereinander Daten übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Taktgeber (10) ein Taktsignal (11) an alle Mikroskopmodule (20, 30) sendet, und dass die Mikroskopmodule (20, 30) das Taktsignal (11) oder einen hieraus abgeleiteten Takt als internen Takt (26) verwenden.