DE102019130751A1

DE102019130751A1 - Beleuchtungsmodul für winkelvariable Beleuchtung

Info

Publication number: DE102019130751A1
Application number: DE102019130751.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Dietrich; Lars Stoppe; Bryce Anton Moffat
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-05-20
Also published as: CN112799222A

Abstract

Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen eine Mikroskopievorrichtung (90) mit einem Objektiv (112) mit einer Eintrittspupillenebene, sowie mit einem Beleuchtungsmodul (111) mit mehreren Lichtquellen (121, 421-422, 425, 621-631), die beabstandet von einander angeordnet sind und die eingerichtet sind, um Licht auszusenden. Ein Streufilter (409) ist in manchen Beispielen vorgesehen. Der Streufilter (409) ist in einer zur Eintrittspupillenebene konjugierten Ebene (700) angeordnet. Es können alternativ oder zusätzlich auch Lichtwellenleiter (481-486) verwendet werden, die das Licht von den Lichtquellen zu der konjugierten Ebene führen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen Techniken zur winkelvariablen Beleuchtung. Verschiedene Beispiele betreffen insbesondere Beleuchtungsmodule, die für die winkelvariable Beleuchtung verwendet werden können.
HINTERGRUND
Es sind Techniken bekannt, um Bilder, die mit einer Mikroskopievorrichtung erfasst werden, digital zu analysieren und/oder nachzubearbeiten. Um einen besonders großen Informationsgehalt durch die digitale Analyse und/oder Nachbearbeitung zu erhalten, können Techniken der winkelvariablen Beleuchtung verwendet werden.
Bei der winkelvariablen Beleuchtung wird ein Probenobjekt großflächig bzw. homogen mit unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien beleuchtet. Es wird jeweils ein entsprechendes Bild für die verschiedenen Beleuchtungsgeometrien erfasst. Dann können diese Bilder digital analysiert und/oder nachbearbeitet werden. Eine Möglichkeit wäre, eine Autofokus-Anwendung zu implementieren. Dies ist in US 2017 167 856 A1 oder auch in DE 10 2017 115 021 A1 beschrieben. Kurzgefasst kann dabei eine Verschiebung von unterschiedlichen Objektpunkten in den Bildern bestimmt werden, in Abhängigkeit von durch die Beleuchtungsgeometrien implementierten Beleuchtungsrichtungen. Eine weitere Möglichkeit liegt in der digitalen Nachbearbeitung, beispielsweise durch Kombination der verschiedenen Bilder; derart wird ein Ergebnisbild erhalten, das einen sog. digitalen Kontrast aufweist. Der digitale Kontrast kann z.B. ein Phasengradientenkontrast oder ein Phasenkontrast sein. Entsprechende Techniken sind z.B. beschrieben in: US 2017/276 923 A1 .
Um eine winkelvariable Beleuchtung zu implementieren, kann ein entsprechendes Beleuchtungsmodul verwendet werden. Ein beispielhaftes Beleuchtungsmodul verwendet z.B. ein Array aus Leuchtdioden. Eine beispielhafte Implementierung ist beschrieben in: US 2019 146 204 A1 .
Dabei wurde aber festgestellt, dass eine großflächige Beleuchtung des Probenobjekts in der Objektebene mittels eines Beleuchtungsmoduls, das ein Array aus Leuchtdioden umfasst, manchmal bestimmte Einschränkungen aufweist. Zum Beispiel wurde beobachtet, dass eine entsprechende Beleuchtung Inhomogenitäten aufweisen kann, also z.B. eine Variation der Lichtstärke oder des Beleuchtungswinkels als Funktion der lateralen Position in der Objektebene.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um eine winkelvariable Beleuchtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
In einem Beispiel umfasst eine Mikroskopievorrichtung ein Objektiv. Das Objektiv weist eine Eintrittspupille auf. Außerdem umfasst die Mikroskopievorrichtung auch ein Beleuchtungsmodul. Das Beleuchtungsmodul umfasst mehrere Lichtquellen. Die Lichtquellen sind beabstandet voneinander angeordnet. Die Lichtquellen sind eingerichtet, um Licht auszusenden.
In manchen Beispielen umfasst das Beleuchtungsmodul ferner mehrere Lichtleiter. Die Lichtleiter sind eingerichtet, um das Licht von den Lichtquellen zu einer zur Eintrittspupillenebene des Objektivs konjugierten Ebene (Beleuchtungsebene) zu führen.
Es wäre optional möglich, dass in der Beleuchtungsebene ein Streufilter angeordnet ist. Dieser kann das Lichtfeld des einfallenden Lichts aufweiten.
Die verschiedenen Lichtquellen des Beleuchtungsmoduls können einzeln schaltbar sein. Das bedeutet, dass eine erste Lichtquelle an/ausgeschaltet werden kann; und getrennt davon eine andere, zweite Lichtquelle an/ausgeschaltet werden kann. Dazu kann die Mikroskopievorrichtung eine geeignete Steuereinheit aufweisen, also z.B. einen Prozessor der Programmcode aus einem Speicher ausführt.
Das Beleuchtungsmodul kann auch als Kondensor bezeichnet werden. Das Beleuchtungsmodul kann eine sog. Köhler'sche Beleuchtung implementieren. Dabei bezeichnet die Eintrittspupille dasjenige Bild der Aperturblende des Objektivs, welches ein Beobachter auf der optischen Hauptachse in der Objektebene (im Achsendingpunkt) erscheint. Die Eintrittspupillenebene ist in der entsprechenden Ebene der Eintrittspupille angeordnet. Die Aperturblende ist wiederum diejenige Blende des Objektivs, die vom Achsendingpunkt oder einem Bildpunkt (Achsenbildpunkt) auf der optischen Achse unter dem kleinsten Winkel erscheint. Weil der Streufilter in der zur Eintrittspupillenebene konjugierten Beleuchtungsebene angeordnet ist, befindet sich der Streufilter auch in oder nahe bei einer Pupillenebene. Deshalb übersetzen sich laterale Positionen der Beleuchtung in der Beleuchtungsebene in Beleuchtungswinkel in der Eintrittslukenebene des Objektivs bzw. Objektebene. Dadurch kann eine homogene und großflächige Beleuchtung erreicht werden. Außerdem kann durch das An-/Ausschalten unterschiedlicher Lichtquellen eine winkelvariable Beleuchtung erzielt werden, bei der verschiedene Beleuchtungsgeometrien (mit jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen) verwendet werden.
Es wäre im Allgemeinen möglich, dass eine Linse des Objektivs auch als Kondensorlinse wirkt.
Indem die Lichtleiter verwendet werden, kann es ermöglicht werden, eine besonders große Flexibilität in der lateralen Strukturierung der Beleuchtung in der Beleuchtungsebene zu erzielen. Beispielsweise können bestimmte bauliche Beschränkungen von Leuchtdioden-Arrays kompensiert werden. Dadurch kann wiederum die Beleuchtungsgeometrie in der Objektebene flexibel eingestellt werden.
Durch die Verwendung des Streufilters kann auch eine große Flexibilität in der lateralen Strukturierung der Beleuchtung in der Beleuchtungsebene erzielt werden. Es können großflächige Beleuchtungsbereiche verwendet werden. Dadurch kann wiederum die Beleuchtungsgeometrie in der Objektebene flexibel eingestellt werden.
Durch die optionale Kombination von Lichtleitern mit Streufilter kann es besonders gut möglich sein, Licht in den Streufilter einzuspeisen. Dadurch können wiederum Beleuchtungsbereiche maßgeschneidert eingestellt werden. Dadurch kann wiederum die Beleuchtungsgeometrie in der Objektebene flexibel eingestellt werden.
Dabei gibt es, als allgemeine Regel, unterschiedliche Möglichkeiten, die Lichtleiter zu implementieren. In einem Beispiel wäre es möglich, dass die Lichtleiter als Hohlräume zwischen reflektierenden Trennwänden implementiert sind. Die Trennwände können beispielsweise kein Licht durchlassen. Die Trennwände könnten reflektiv ausgebildet sein. Es wäre aber auch möglich, dass die Trennwände zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgebildet sind. Die Trennwände können sich entlang eines Zentralstrahls des Lichts, ausgehend von den Lichtquellen, erstrecken.
Eine weitere beispielhafte Implementierung für die Lichtleiter umfasst Glasfasern. Glasfasern weisen einen Kern auf, in dem Licht geleitet wird. Der Kern ist beispielsweise aus Silizium oder einem anderen Festkörper hergestellt. Außen um den Kern herum befindet sich ein Material mit einer Variation des Brechungsindex gegenüber dem Kern; dadurch kann am Übergang vom Kern Totalreflexion erzeugt werden. Eine Schutzschicht kann außen um die Glasfaser angebracht sein. Es können z.B. Multimoden-Glasfasern verwendet werden: diese können Totalreflexion für unterschiedliche Ortsraummoden des Lichts aufweisen. Typischerweise können Glasfasern einen Durchmesser von ca. 500 µm aufweisen. Damit können viele Glasfasern eng beieinander angebracht werden. Ein Ende der Glasfaser kann dann in oder nahe bei der Beleuchtungsebene bzw. angrenzend an den Streufilter angeordnet sein. Beispielsweise könnte, um eine effiziente Auskopplung von Licht zu ermöglichen, eine Linse, z.B. eine GRIN-Linse verwendet werden.
Der Streufilter kann die Funktion einer Aufweitung des einfallenden Lichtfelds aufweisen. Der Streufilter kann bewirken, dass parallel einfallende Lichtstrahlen den Streufilter in unterschiedliche Richtungen verlassen. Das bedeutet also, dass eine homogene oder homogenere Füllung des Beleuchtungswinkelraums vorliegt. Insbesondere kann dadurch eine Reduktion der Ortsraumvariabilität der Lichtstärke in der Beleuchtungsebene erzielt werden. Dies wiederum bewirkt eine besonders homogene Beleuchtung in der Objektebene, bzw. reduzierte Schwankungen der Lichtstärke für unterschiedliche Beleuchtungsrichtungen. Außerdem können - z.B. insbesondere durch die homogenere Füllung des Beleuchtungswinkelraums - Artefakte reduziert werden (die z.B. durch Staubpartikel entstehen können, die außerhalb der Fokusebene liegen).
Dabei gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, den Streufilter zu implementieren. Beispielsweise könnte der Streufilter als Streuplatte implementiert werden. Die Streuplatte kann eine zufällige Streuung im Winkelraum erzeugen. Die Streuplatte kann flach und breit sein. Die Streuplatte kann sich senkrecht zur optischen Achse erstrecken. Die Streuplatte kann eine Dicke parallel zur optischen Achse aufweisen, die viel kleiner ist, als ihre Breite senkrecht zur optischen Achse. Die Streuplatte kann Ränder aufweisen, die vom Achsendingpunkt und vom Achsenbildpunkt betrachtet - aufgrund der Aperturblende - nicht sichtbar sind. Die Ränder können durch ein oder mehrere Seitenflächen bzw. eine Umfangsseite gebildet werden. Die Streuplatte kann eine Vorderseite aufweisen, die der Objektebene abgewendet ist und eine Ebenennormale parallel zur optischen Achse aufweist. Die Streuplatte kann eine Rückseite aufweisen, die parallel zur Vorderfläche angeordnet ist und der Objektebene zugewendet ist.
Eine weitere beispielhafte Implementierung für den Streufilter umfasst einen Quasi-Kristall. Ein Quasi-Kristall kann eine deterministische Streukeule erzeugen (anstatt einer zufälligen Streuung).
Die Lichtleiter können das Licht als allgemeine Regel in die Vorderseite einkoppeln. Die Lichtleiter könnten, alternativ oder zusätzlich, das Licht in die Umfangsseite einkoppeln. Das Licht kann dann die Rückfläche in entsprechenden Beleuchtungsbereichen erhellen.
Durch die hierin beschriebenen Techniken können insbesondere Beleuchtungsbereiche erzielt werden, die scharfe Trennlinien haben. Innerhalb der Beleuchtungsbereiche kann andererseits eine geringe Variation der Lichtstärke vorliegen. Dies ermöglicht es, besonders wohldefinierte Beleuchtungsgeometrien zu implementieren.
Um unterschiedliche Beleuchtungsbereiche zu erhalten, sind unterschiedliche Kombinationen der Lichtleiter mit der Streuplatte denkbar. Beispielsweise können unterschiedliche Typen von Lichtleitern verwendet werden, die sich durch die Größe des auf der Streuplatte ausgeleuchteten Bereichs unterscheiden. Dadurch können auch Beleuchtungsbereiche unterschiedlicher Größe erhalten werden. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Lichtleiter mit Hohlräumen verwendet werden, um große Beleuchtungsbereiche auf der Streuplatte zu beleuchten; sowie Glasfasern, um kleine Beleuchtungsbereiche auf der Streuplatte zu beleuchten.
Ein großer Beleuchtungsbereich in der Beleuchtungsebene resultiert in einer Beleuchtungsgeometrie, die eine Beleuchtung aus einem größeren Raumwinkelbereich in der Objektebene aufweist; während ein kleiner Beleuchtungsbereich in der Beleuchtungsebene in einer wohldefinierten Beleuchtungsrichtung (d.h. Beleuchtung aus einem kleinen Raumwinkelbereich) resultiert.
Diese Verwendung unterschiedlicher Konfigurationen für die Beleuchtungsgeometrie kann wiederum hilfreich sein, um unterschiedliche Anwendungsszenarien der winkelvariablen Beleuchtung zu fördern. Zum Beispiel können Beleuchtungsgeometrien mit jeweils nur einer Beleuchtungsrichtung hilfreich sein für Autofokus-Anwendungen; Andererseits können Beleuchtungsgeometrien mit Beleuchtung aus einem großen Raumwinkelbereich hilfreich sein für die Erzeugung eines Phasenkontrastbilds.
Als allgemeine Regel können die Lichtquellen Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen oder Lichtemissionsspektren emittieren. Das bedeutet, dass die Lichtquellen Licht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen abgeben können. Manchmal könnten einem Lichtleiter mehrere Lichtquellen zugeordnet sein, die unterschiedliche Lichtemissionsspektren aufweisen können. Dadurch kann erreicht werden, dass - beispielsweise je nach Betriebsmodus des Mikroskops - eine geeignete Wellenlänge bzw. ein geeigneter Wellenlängenbereich verwendet wird; z.B. kann dadurch eine Lichtbelastung von lichtsensitiven Probenobjekten reduziert werden. Trotzdem kann die digitale Analyse/Nachbearbeitung flexibel erfolgen. Es kann auch Weißlicht erzeugt werden.
Eine weitere Option betrifft die Verwendung eines fluoreszierenden Materials im Zusammenhang mit dem Streufilter. Dadurch kann eine Anpassung des Lichtspektrums erreicht werden. Z.B. könnte eine Spektralverteilung, die weißes Licht darstellt, erreicht werden.
Um eine besonders flexible Variation der Beleuchtungsbereiche des Streufilters zu erreichen (und damit eine besonders flexible Anpassung der Beleuchtungsgeometrie bzw. der verwendeten Beleuchtungsraumwinkel in der Objektebene), kann es möglich sein, die Lichtleiter beweglich gegenüber dem Streufilter anzuordnen. Dazu kann die Mikroskopievorrichtung einen Aktuator aufweisen, der eingerichtet ist, um mindestens einen Lichtleiter relativ in Bezug auf den Streufilter zu positionieren. dazu kann der Aktuator den mindestens einen Lichtleiter und/oder den Streufilter bewegen, in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem der Mikroskopievorrichtung. Beispielsweise könnte ein Elektromotor bspw. mit Linearantrieb oder ein Magnetantrieb verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer Positionierung der Lichtleiter könnte auch eine Verformung der Lichtleiter, insbesondere eine elastische Verformung verwendet werden. Dadurch könnte z.B. die Feldbreite des Lichts am Austritt der Lichtleiter eingestellt werden. Dadurch kann wiederum der Beleuchtungsbereich variiert werden, insb. in der Größe oder Form.
Die Streuplatte könnte zur besseren lateralen Strukturierung der Lichtverteilung in der Beleuchtungsebene, d.h. zur bessern Begrenzung der Beleuchtungsbereiche auch reflektierende Strukturen aufweisen, die sich in lateraler Richtung (d.h. in der Eintritts- oder Austrittsfläche) erstrecken. Dadurch könnten also einzelne Segmente der Streuplatte strukturell definiert werden; durch diese strukturelle Definition können wiederum die Beleuchtungsbereiche, etwa durch Reflektion an den reflektierenden Strukturen, in ihrer lateralen Ausdehnung begrenzt werden.
Es ist - wie schon obenstehend erwähnt - grundsätzlich nicht unbedingt erforderlich, den Streufilter zu verwenden. Eine Homogenisierung der Beleuchtung in der Beleuchtungsebene kann auch z.B. dadurch erreicht werden, dass die Lichtleiter eine Querkopplung von Licht ermöglichen. Das bedeutet in anderen Worten, dass Licht zwischen benachbarten Lichtleitern übertreten kann. Dadurch werden harte Übergänge in der Beleuchtungsebene vermieden. Die Lichtleiter können also angrenzend aneinander im Ortsraum angeordnet sein. Die Lichtleiter können z.B. parallel zueinander verlaufen. Beispielsweise könnten sich Außenränder benachbarter Lichtleiter berühren. Insbesondere in einer solchen Ausgestaltung könnten die Lichtleiter als Hohlleiter ausgebildet sein.
Mittels der hierin beschriebenen Techniken kann es möglich sein, unterschiedliche Betriebsmodi der Mikroskopievorrichtung zu unterstützen. Je nach Betriebsmodus, kann eine andere Zielsetzung zur Bildgebung verfolgt werden, d.h. z.B. unterschiedlicher Informationsgehalt extrahiert werden. Beispielsweise könnte ein Autofokus-Betriebsmodus verwendet werden. Dabei kann es erstrebenswert sein, dass Licht aus wohldefinierten Beleuchtungsrichtungen auf die Objektebene gelenkt wird; d.h. aus kleinen Raumwinkelbereichen. Derart kann eine scharfe Verschiebung des abgebildeten Objekts in Bildern, die bei Beleuchtung mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen erfasst werden, beobachtet werden; und der Abstand von der Fokusebene kann aufgrund der genau zu vermessenden Verschiebung genau ermittelt werden. Andererseits kann es für einen weiteren Betriebsmodus, der als Digitalkontrast-Betriebsmodus bezeichnet werden könnte, erstrebenswert sein, Beleuchtungsgeometrien zu verwenden, bei denen jeweils Licht aus größeren Raumwinkelbereichen auf die Objektebene gelangt. Derart kann z.B. ein Phasenkontrast-artiges Ergebnisbild erzeugt werden, indem entsprechende Bilder, die bei Beleuchtung mit einer jeweiligen Beleuchtungsgeometrie erfasst werden, zum Ergebnisbild kombiniert werden. Schließlich wäre eine weitere Möglichkeit ein Hellfeld-Betriebsmodus. Dabei kann Licht aus allen Richtungen auf die Objektebene gelangen, insb. aus allen Richtungen, welche die Aperturblende passieren.
Beispielsweise könnte eine solche Betriebsmodus-abhängige Ansteuerung der Lichtquellen wie folgt implementiert werden: es könnten Referenzbeleuchtungsmuster hinterlegt sein. Diese können die Beleuchtungsbereiche in der Beleuchtungsebene definieren. Konkreter formuliert: die Referenzbeleuchtungsmuster könnten die Helligkeit als Funktion der lateralen Position senkrecht zur optischen Achse in der Beleuchtungsebene bestimmen, d.h. also de Struktur des Lichtfelds in der Beleuchtungsebene. Je nach Betriebsmodus könnte ein anderes Referenzbeleuchtungsmuster ausgewählt werden.
Dann wäre es möglich, dass die verschiedenen Lichtquellen so ein- bzw. ausgeschaltet werden, dass das tatsächliche Beleuchtungsmuster in der Beleuchtungsebene mit dem Referenzbeleuchtungsmuster möglichst gut übereinstimmt.
Dazu kann beispielsweise eine Beleuchtungsregel verwendet werden. Die Beleuchtungsregel kann angeben, welcher Beleuchtungsbereich in der Beleuchtungsebene ausgeleuchtet wird (bzw. welche anderen Bereiche dunkel verbleiben), wenn eine bestimmte Lichtquelle angeschaltet wird. Dies kann für alle Lichtquellen bestimmt sein. Derart kann durch geeignete Überlagerung der verschiedenen Beleuchtungsbereiche für die anzuschaltenden Lichtquellen das Referenzbeleuchtungsmuster reproduziert werden.
Die Beleuchtungsregel könnte auch die Lichtstärke für die Beleuchtungsbereiche definieren. Z.B. wäre es derart möglich, die Lichtquellen z.B. mit unterschiedlichen Stromstärken zu betreiben, um dadurch eine Referenz-Lichtstärke gemäß dem Referenzbeleuchtungsmuster zu erzielen.
Die Beleuchtungsregel könnte neben einer Ortsraumausdehnung der Beleuchtungsbereiche auch eine Lichtstärkenvariation innerhalb der Beleuchtungsbereiche definieren. Z.B. wäre es derart möglich, komplementäre Lichtstärkenvariationen von zwei Lichtquellen durch geeignete Überlagerung zu kompensieren. Die Lichtstärke kann über die Beleuchtungsregel auch eingestellt werden. Dazu kann z.B. ein schnelles An-/Ausschalten mit einstellbarem Tastverhältnis verwendet werden; oder der Stromfluss eingestellt werden.
Die Beleuchtungsregel könnte vorgegeben sein. Die Beleuchtungsregel kann aber auch durch Kalibration bestimmt werden. Dazu können die verschiedenen Lichtquellen jeweils einzeln angeschaltet (iteratives Durchschalten) werden und es kann der beleuchtete Bereich in der Beleuchtungsebene durch eine Kamera, die auf die Beleuchtungsebene fokussiert ist, bestimmt werden. Dadurch kann die (i) die Ausdehnung des Beleuchtungsbereich, (ii) die Lichtstärke des Beleuchtungsbereichs, und/oder (iii) die Lichtstärkenvariation innerhalb des Beleuchtungsbereichs ermittelt werden und entsprechend in der Beleuchtungsregel hinterlegt werden.
Manchmal kann, je nach Objektiv einer Mikroskopievorrichtung mit Wechselobjektiv-Fähigkeit, eine unterschiedliche Ausdehnung des Referenzbeleuchtungsmusters senkrecht zur optischen Achse erwünscht sein. Dies liegt daran, dass die Eintrittspupille des Objektivs unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen kann. Aus diesem Grund kann es erstrebenswert sein, das Referenzbeleuchtungsmuster in Abhängigkeit vom verwendeten Objektiv auszuwählen.
Eine Steuereinheit einer Mikroskopievorrichtung ist eingerichtet, um Programmcode aus einem Speicher zu laden und auszuführen. Dies bewirkt das Ausführen eines Verfahrens. Das Verfahren umfasst das Auswählen eines Betriebsmodus der Mikroskopievorrichtung aus einer Vielzahl von Betriebsmodi. Das Verfahren umfasst ferner das Ansteuern von mehreren Lichtquellen eines Beleuchtungsmoduls der Mikroskopievorrichtung, um jeweils wahlweise Licht auszusenden oder kein Licht auszusenden. Dabei sind die mehreren Lichtquellen beabstandet voneinander angeordnet sind. Außerdem wird das Licht in eine zu einer Eintrittspupillenebene des Objektivs konjugierte Ebene geleitet, d.h. in die Beleuchtungsebene. Dort könnte sich ein Streufilter befinden. Die Betriebsmodi der Vielzahl von Betriebsmodi können ein oder mehrere der folgenden umfassen: Autofokus; Digitalkontrast; und Hellfeldmikroskopie.
Ein Computerprogramm oder ein Computerprogramm-Produkt oder ein Computer-lesbares Speichermedium umfasst Programmcode. Dieser kann von einem Prozessor geladen und ausgeführt werden. Dies bewirkt das Ausführen eines Verfahrens. Das Verfahren umfasst das Auswählen eines Betriebsmodus der Mikroskopievorrichtung aus einer Vielzahl von Betriebsmodi. Das Verfahren umfasst ferner das Ansteuern von mehreren Lichtquellen eines Beleuchtungsmoduls der Mikroskopievorrichtung, um jeweils wahlweise Licht auszusenden oder kein Licht auszusenden. Dabei sind die mehreren Lichtquellen beabstandet voneinander angeordnet sind. Außerdem wird das Licht in eine zu einer Eintrittspupillenebene des Objektivs konjugierte Ebene geleitet, d.h. in die Beleuchtungsebene. Dort könnte sich ein Streufilter befinden. Die Betriebsmodi der Vielzahl von Betriebsmodi können ein oder mehrere der folgenden umfassen: Autofokus; Digitalkontrast; und Hellfeldmikroskopie.
Die oben genannten und die noch zu erklärenden Merkmale können nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder isoliert verwendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Figurenliste

1 illustriert schematisch eine Mikroskopievorrichtung gemäß verschiedenen Beispielen.
2 illustriert schematisch ein Leuchtdioden-Array eines Beleuchtungsmoduls der Mikroskopievorrichtung gemäß verschiedenen Beispielen.
3 illustriert schematisch eine Lichtstärkenvariation bzw. Fluktuation der Helligkeit des Leuchtdioden-Arrays in einer zur Eintrittspupillenebene konjugierten Ebene (Beleuchtungsebene) gemäß verschiedenen Beispielen.
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen.
5 illustriert unterschiedliche Beleuchtungsmuster mit Beleuchtungsbereichen und dunklen Bereichen in der Beleuchtungsebene gemäß verschiedenen Beispielen.
6 illustriert schematisch Lichtleiter sowie einen Streufilter in der Beleuchtungsebene gemäß verschiedenen Beispielen.
7 illustriert schematisch Lichtleiter sowie einen Streufilter in der Beleuchtungsebene gemäß verschiedenen Beispielen.
8 illustriert schematisch die Verwendung von mehreren Lichtquellen pro Lichtleiter gemäß verschiedenen Beispielen.
9 illustriert schematisch Lichtleiter als Glasfaserbündel sowie einen Streufilter in der Beleuchtungsebene gemäß verschiedenen Beispielen.
10 illustriert schematisch einen Streufilter in der Beleuchtungsebene gemäß verschiedenen Beispielen.
11 illustriert schematisch einen Streufilter in der Beleuchtungsebene gemäß verschiedenen Beispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist zu verstehen, dass die folgende Beschreibung der Ausführungsformen nicht im engeren Sinne zu verstehen ist. Der Umfang der Erfindung soll nicht durch die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen oder durch die Zeichnungen eingeschränkt werden, die nur zur Veranschaulichung dienen.
Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen zu betrachten und Elemente, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr werden die verschiedenen Elemente so dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für einen Fachmann ersichtlich werden. Jede Verbindung oder Kopplung zwischen funktionellen Blöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder anderen physikalischen oder funktionellen Einheiten, die in den Zeichnungen oder hierin beschrieben sind, kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Kopplung zwischen den Komponenten kann auch über eine drahtlose Verbindung hergestellt werden. Funktionelle Blöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden.
Nachfolgend werden Techniken beschrieben, um eine winkelvariable Beleuchtung bereit zu stellen. Das bedeutet, dass unterschiedliche Beleuchtungsgeometrien zur großflächigen Beleuchtung der Objektebene verwendet werden können, wobei sich unterschiedliche Beleuchtungsgeometrien jeweils dadurch unterscheiden, aus welchen Winkeln Licht einfällt.
Die winkelvariable Beleuchtung kann homogen und großflächig in der Objektebene ausgebildet sein. Das bedeutet, dass keine signifikante Variation der Lichtstärke innerhalb des Hellfeldbereichs in der Objektebene stattfindet bzw. stattfinden soll. Der Raumwinkel oder die Raumwinkel aus denen Licht in die Objektebene einfallen, sind als Funktion der lateralen Position in der Objektebene im Wesentlichen ohne Variation (für Beleuchtungsrichtungen, die die Aperturblende und Feldblende passieren).
Verschiedene Aspekte beruhen auf der Erkenntnis, dass die winkelvariable Beleuchtung beispielsweise realisiert werden kann durch eine räumliche Segmentierung einer Beleuchtungsebene, die geköhlert (konjugiert) zur Abbildungspupille des Objektivs liegt. Eine winkelvariable Beleuchtung wird erreicht, indem nur ein Teil der Beleuchtungsebene und damit nur ein Teil der Abbildungspupille ausgeleuchtet wird. Dabei sollte für die verschiedenen Beleuchtungsgeometrien eine homogene und vollständige Ausleuchtung des abgebildeten Bildfeldes in der Objektebene erreicht werden. Dazu gibt es mehrere technische Ansätze die allerdings Nachteile aufweisen:

(i) mechanische Blenden in der Beleuchtungsebene: mechanische Schaltung und damit sehr langsam, bei hohem Lichtverlust. Sh. z.B. DE 10 2017 115 021 A1 . (ii) Flüssigkristalldisplay (engl. liquid crytsla display) in der Beleuchtungsebene: hohe Lichtverluste durch Einschränkung auf polarisiertes Licht, Schaltzeiten von mehreren Millisekunden bis die Beleuchtungsmodulation an einem Segment eingestellt ist. (iii) Mikrospiegelvorrichtung (engl. digital micromirror device, DMD) in der Beleuchtungsebene: eingeschränkter Lichtleitwert, teuer, Kontrastverhältnis limitiert, da auch Licht an Kanten von Mikrospiegeln gestreut wird, die sich in einer Dunkelstellung befinden. (iv) Segmentierte Leuchtdioden-Array: große Stegbreiten zwischen einzelnen LEDs, Wärmeabführung ist problematisch durch dichte Packung.

Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen eine technische Lösung, die mehrere vorteilhafte Aspekte zusammenführt. Dies sind: Schnelle elektronische Schaltbarkeit einzelner oder mehrerer Beleuchtungsbereiche in der Beleuchtungsebene. Keine mechanische Bewegung von Teilen, um unterschiedliche Beleuchtungsbereiche zu implementieren. Vollständige Ausleuchtung der Beleuchtungsebene wird ermöglich, d.h. alle Winkelbereiche in der Pupille können zur Beleuchtung genutzt werden, d.h. „dunkle Stege“ werden vermieden. Flexibilität in der Zahl und Ausführung (Fläche) von beleuchteten Bereichen, sodass in der Objektebene auch Beleuchtungsgeometrien mit Beleuchtung aus großen Raumwinkelbereiche bereitgestellt werden können. Für verschiede Abbildungsoptiken des Objektivs kann bei speziellen Ausführungsformen eine Auswahl des Beleuchtungsmusters in der Beleuchtungsebene erfolgen, beispielsweise eine geometrische Optimierung der Größe der beleuchteten Fläche. Einfache Austauschbarkeit von einzelnen LED Leuchteinheit mit geringem Anspruch an intrinsischen Strahlformungsfähigkeiten der LEDs (mit Dom oder ohne Dom). Einfacher Ersatz von bisherigen Leuchtmitteln in Referenz-Mikroskopievorrichtungen an identischer Ansteuerungs-Schnittstelle. Ein weiterer optionaler Vorteil liegt in der einfachen Steuerbarkeit des Lichtspektrums, wenn mehrere Lichtquellen je Kanal verwendet werden. Insbesondere kann das Lichtspektrum eingestellt werden, ohne dass die Homogenität der Beleuchtung leiden würde.
In manchen Techniken werden dazu Lichtleiter verwendet. Dazu kann über Lichtleiter das von einzeln elektronisch schaltbaren Lichtquellen emittierte Licht in eine konjugierte Ebene der Objektivpupille (sog. Beleuchtungsebene) gebracht werden. Die Lichtführung kann dabei so ausgeführt werden, dass für jede Leuchtquelle (etwa Leuchtdioden, LEDs) das emittierte Licht auf räumlich getrennt Flächenelemente (Beleuchtungsbereiche) der Beleuchtungsebene gebracht wird. Damit können mittels elektrischer Schaltung der Lichtquellen unterschiedliche Beleuchtungsbereiche in der Beleuchtungsebene ein- oder ausgeschaltet werden.
Optional wird über Lichtdiffusion eine Winkelhomogenisierung in der Beleuchtungsebene des Lichts erreicht, so dass eine homogene und vollständige Ausleuchtung des Probenbereichs erfolgt, unabhängig davon, welcher beleuchtete Bereich in der Beleuchtungsebene über die zugeordneten Lichtquellen ein- oder ausgeschaltet wird. Dies kann z.B. mittels einer segmentierten Streuscheibe oder einem anderen Streufilter erreicht werden.
1 illustriert schematisch eine Mikroskopievorrichtung 90 gemäß verschiedenen Beispielen. Die Mikroskopievorrichtung 90 umfasst eine Steuereinheit 115, z.B. implementiert durch einen CPU oder FPGA oder ASIC. Die Steuereinheit 115 ist eingerichtet, um unterschiedliche andere Einheiten oder Module der Mikroskopievorrichtung zu steuern.
So umfasst die Mikroskopievorrichtung 90 auch ein Beleuchtungsmodul 111, ein Objektiv 112, einen Probenhalter 113 und einen Detektor 114. Beispielsweise könnte die Steuereinheit 115, je nach Betriebsmodus, das Beleuchtungsmodul 111 unterschiedlich ansteuern. Beispielsweise könnte die Steuereinheit 115 das Beleuchtungsmodul 111 so ansteuern, dass dieses unterschiedliche Beleuchtungsgeometrien einer winkelvariablen Beleuchtung in der Objektebene implementiert. Die Steuereinheit 115 könnte den Detektor 114 ansteuern, um für verschiedene Beleuchtungsgeometrien jeweils Bilder zu erfassen. Der Detektor 114 könnte mehrere Detektorelemente als Bildpunkte aufweisen. Z.B. könnte ein CMOS-Detektor verwendet werden. Die Steuereinheit 115 könnte dann solche Bilder analysieren und/oder nachbearbeiten, also z.B. einen Defokus des Probenobjekts bestimmen oder mehrere Bilder zu einem Ergebnisbild mit digitalem Kontrast kombinieren.
2 illustriert Details einer beispielhaften Implementierung eines LED-Arrays des Beleuchtungsmoduls 111. Das LED-Array weist eine Vielzahl von LEDs 121 auf. Aus 3 ist ersichtlich, dass die aktiven Bereiche der LEDs 121 beabstandet voneinander sind. Dies bewirkt eine Inhomogenität in der Lichtstärke in der Beleuchtungsebene. Dies ist in 3 dargestellt.
In 3 ist die Lichtstärke in der Beleuchtungsebene 700 als Funktion der lateralen Position (x-y Ebene, senkrecht zur Strahlausbreitung entlang der z-Richtung) in der Beleuchtungsebene 700 dargestellt, entlang der Linie X-X' aus 2. Dort ist ersichtlich, dass aufgrund der Stege zwischen den LEDs eine Lichtstärkenvariation in der Beleuchtungsebene 700 vorliegt (sh. insbesondere vertikaler Pfeil in 3). Dadurch kann es zu Inhomogenitäten in der Beleuchtungsgeometrie kommen; die Lichtintensität variiert ungewollt in der Objektebene als Funktion des Winkels. Nachfolgend werden Techniken beschrieben, um eine geringere Lichtstärkenvariation zu erzielen.
4 illustriert schematisch ein Verfahren gemäß verschiedenen Beispielen. Das Verfahren aus 4 kann von einem Prozessor ausgeführt werden, z.B. indem Programmcode aus einem Speicher geladen und dann ausgeführt wird. Das Verfahren könnte von einem Prozessor einer Steuereinheit einer Mikroskopievorrichtung ausgeführt werden, etwa von der Steuereinheit 115 der Mikroskopievorrichtung 90 aus 1. Auf eine solche Implementierung wird nachfolgend beispielhaft Bezug genommen.
In 4 sind optionale Schritte mit gestrichelten Linien dargestellt.
Im optionalen Schritt 9000 erfolgt zunächst die Auswahl eines Betriebsmodus für den Betrieb der Mikroskopievorrichtung 90. Beispielhafte Betriebsmodi umfassen z.B.: digitaler Autofokus; digitaler Kontrast; und Hellfeld. Für den digitalen Autofokus und für den digitalen Kontrast wird beispielsweise jeweils eine winkelvariable Beleuchtung verwendet; nicht aber für das Hellfeld. Auch eine Dunkelfeld-Beleuchtung könnte als weiterer Betriebsmodus ausgewählt werden.
In Abhängigkeit vom ausgewähltem Betriebsmodus erfolgt dann die Ansteuerung der Lichtquellen 121, um ein oder mehrere Beleuchtungsgeometrien zu implementieren, Block 9001. Das bedeutet, dass - beispielswese je nach Betriebsmodus - unterschiedliche LEDs 121 an- und ausgeschaltet werden. Insbesondere kann je nach Beleuchtungsgeometrie eine unterschiedliche laterale Strukturierung der Lichtstärke in der Beleuchtungsebene 700 verwendet werden. Die verschiedenen Beleuchtungsgeometrien entsprechen dabei den verschiedenen Beleuchtungsmustern in der Beleuchtungsebene 700. Es ist möglich, dass die verschiedenen Beleuchtungsgeometrien sequentiell angeschaltet werden, oder aber auch gemultiplext, etwa im Frequenzraum.
In Block 9002 werden dann ein oder mehrere Bilder erfasst, und zwar mindestens ein Bild pro Beleuchtungsgeometrie aus Block 9001. Dazu wird der Detektor 114 geeignet angesteuert und ausgelesen.
Im optionalen Block 9003 erfolgt eine Analyse und/oder Nachbearbeitung. Beispielsweise könnte für eine Autofokus-Anwendung der Abstand eines Objekts in den verschiedenen Bildern aus Block 9002 bestimmt werden. Es wäre auch möglich, mehrere Bilder aus Schritt 9002 zu kombinieren, um ein Ergebnisbild mit digitalem Kontrast zu erhalten. Bei der HellfeldBildgebung braucht es in der Regel keine Analyse oder Nachbearbeitung.
Jetzt werden als nächstes beispielhafte Details zur Implementierung von Block 9000 beschrieben. Grundsätzlich gibt es verschiedene denkbare Varianten, um Block 9000 zu implementieren. Beispielsweise könnte - je nach Betriebsmodus - ein anderes Referenzbeleuchtungsmuster geladen werden. Das Referenzbeleuchtungsmuster ist in der Beleuchtungsebene 700 bestimmt. Das Referenzbeleuchtungsmuster 700 kann die zu verwendenden Beleuchtungsbereiche in der Beleuchtungsebene 700 vorgeben.
Als Beispiel sind in 5 unterschiedliche Referenzbeleuchtungsmuster 501-508 abgebildet (dabei zeigt weiß jeweils Beleuchtungsbereiche 701 und schwarz jeweils nicht beleuchtete Bereiche 702 in der Beleuchtungsebene 700). Das Referenzbeleuchtungsmuster 501 kann dabei bei der Hellfeld-Beleuchtung ausgewählt werden. Das Referenzbeleuchtungsmuster 501 definiert einen vollflächigen Beleuchtungsbereich, der sich innerhalb der gesamten Beleuchtungsebene 700 mit einer lateralen Abmessung 709 erstreckt). Das Implementieren eines Beleuchtungsmusters, das dem Referenzbeleuchtungsmuster 501 entspricht, bewirkt, dass die Objektebene aus allen möglichen Winkelbereichen homogen ausgeleuchtet wird.
Dies ist aber anders bei den Referenzbeleuchtungsmustern 502-504: dort erfolgt die Beleuchtung der Objektebene nur aus bestimmten Raumwinkeln (Raumwinkel-Quadranten für die Referenzbeleuchtungsmuster 502-503; und ein hälftiger Raumwinkel für das Referenzbeleuchtungsmuster 504).
Für die Referenzbeleuchtungsmuster 502-504 ist insbesondere die scharfe Trennlinie zwischen den jeweils erhellten Bereichen (Beleuchtungsbereiche) 701 und den nicht beleuchteten Bereich 702 gut ersichtlich.
Bei der Implementierung der punktförmigen Beleuchtungsbereichen 701 gemäß den Referenzbeleuchtungsmustern 505 und 506 erfolgt die Beleuchtung der Objektebene aus wohldefinierten Beleuchtungsrichtungen. Das Referenzbeleuchtungsmuster 507 ermöglicht die zeitparallele Beleuchtung aus vier getrennten Beleuchtungsrichtungen.
Wie durch das Referenzbeleuchtungsmuster 508 illustriert, kann auch eine Kombination von großflächigen Beleuchtungsbereichen 701 mit punktförmigen Beleuchtungsbereichen 701 erfolgen.
Je nach Referenzbeleuchtungsmuster 501-508 kann dann eine unterschiedliche Ansteuerung der Lichtquellen 121 erfolgen. Das bedeutet, dass unterschiedliche Lichtquellen an- und ausgeschaltet werden, je nach Referenzbeleuchtungsmuster 501-508. Dadurch kann das tatsächliche Beleuchtungsmuster in der Beleuchtungsebene 700 zumindest an das ausgewählte Referenzbeleuchtungsmuster angenähert werden.
Um dies zu erreichen, kann das jeweils ausgewählte Referenzbeleuchtungsmuster 501-508 als Eingabe einer vordefinierten Beleuchtungsregel verwendet werden. Diese Beleuchtungsregel kann die Beleuchtungsbereiche 701 gemäß dem Referenzbeleuchtungsmuster 501-508 den verschiedenen Lichtquellen 121 zuordnen. Zum Beispiel könnten die punktförmigen Beleuchtungsbereiche 701 der Referenzbeleuchtungsmuster 505-508 jeweils einer einzelnen LED 121 zugeordnet sein. Es wäre möglich, dass flächige Beleuchtungsbereiche 701 gemäß den Referenzbeleuchtungsmustern 501-504, 508 durch Anschalten von ein oder mehreren Lichtquellen implementiert werden.
Als allgemeine Regel könnte die Größe des Beleuchtungsbereich 701, der durch eine Lichtquelle erzielt wird, abhängig sein vom Typ der Lichtquelle (z.B. großflächige OLED vs. kollimierte Laserdiode) und/oder durch die Verwendung eines geeigneten Lichtleiters - mit einer geeigneten geformten Austrittsfläche - eingestellt werden. Die Größe des Beleuchtungsbereichs 701 könnte alternativ oder zusätzlich auch eingestellt werden durch Eigenschaften einer Streuscheibe (wie später beschrieben), z.B. durch reflektierende Strukturen der Streuscheibe.
Die Beleuchtungsregel könnte in einer separaten Kalibration gemäß Schritt 9009 (vgl. 4) bestimmt werden. Dazu kann der Einfluss der verschiedenen verfügbaren LEDs 121 auf die Beleuchtung der Beleuchtungsebene 700 gemessen werden. Die verschiedenen LEDs 121 können dazu iterativ durchgeschaltet werden.
Damit eine besonders genaue Analyse und/oder eine besonders gute Nachbearbeitung erfolgen kann, kann die Qualität der Beleuchtungsgeometrien gemäß verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen erhöht werden. Dazu kann insbesondere vermieden werden, dass innerhalb beleuchteter Bereiche eine starke Helligkeitsfluktuation auftritt oder dass bestimmte Beleuchtungsrichtungen in einer Beleuchtungsgeometrie in der Objektebene über- oder unterrepräsentiert sind. Um dies zu erreichen, kann eine Anordnung wie in 6 dargestellt werden.
6 ist eine Seitenansicht des Beleuchtungsmoduls 111 (die Objektebene befindet sich in linker Richtung versetzt entlang der z-Achse, ist aber nicht dargestellt). Dabei werden zwei Lichtquellen 421, 422 verwendet. Über Lichtleiter 400 - hier als Hohlräume zwischen reflektierenden Trennwänden 401-403, d.h. als Hohlleiter, implementiert - wird das Licht zu einer Streuscheibe 409 geleitet, die in der Beleuchtungsebene 700 angeordnet ist und sich über deren gesamte laterale Abmessung 709 erstreckt.
Durch die Verwendung der als Hohleiters implementieren Lichtleiter 400 können besonders große Beleuchtungsbereiche 701 in der Beleuchtungsebene 700 erreicht werden, z.B. Halbflächen im Szenario der 6.
Das Licht wird insbesondere in eine Vorderseite 409A (abgewendet von der Objektebene) der Streuscheibe 409 eingekoppelt, und verlässt die Streuscheibe 409 auf der gegenüberliegenden Rückseite 409B (der Objektebene zugewendet). Die Streuscheibe 409 bewirkt, dass die Variation der Lichtstärke in lateraler Richtung innerhalb des jeweiligen Beleuchtungsbereichs 701 reduziert wird.
Die Trennwände 401-403 können optional so eingerichtet sein, dass diese kein Licht absorbieren, und das Licht reflektieren. Damit kann die Oberfläche eine gewisse Rauigkeit aufweisen, um das Winkelspektrum des in die Beleuchtungsebene 700 einfallenden Lichts in geeignetem Maße zu homogenisieren.
Die Streuscheibe 409 - oder im Allgemeinen ein anderer geeigneter Streufilter - kann insbesondere die Funktion erfüllen, dunkle Stegbereiche zwischen den LEDs 421-422 zu vermeiden. Eine weitere Funktionalität der Streuscheibe 409 (bzw. im Allgemeinen des Streufilters) kann darin liegen, die abgestrahlten Winkelbereich der Lichtquellen zu vergrößern (dies ist typischerweise bei LEDs als Lichtquellen nicht erforderlich, u.U. aber bei anderen Lichtquellen). Die Streuscheibe 409 kann dazu so gewählt und verbaut werden, dass durch die Lichtdiffusion in der Streuscheibe solche Abschattungsstege vermieden werden. Dadurch kann die Beleuchtungsebene 700 bei Bedarf vollständig ausgeleuchtet werden - also etwa bei einem Betriebsmodus, welcher der Hellfeldbildgebung entspricht, sh. Referenzbeleuchtungsmuster 501 in 5 - und die entsprechende Pupillenebene des Objektivs 112 kann vollständig ausgeleuchtet werden.
Das in 6 beschriebene Beispiel kann in anderen Varianten erweitert werden. Ein entsprechendes Beispiel ist in 7 dargestellt. Dort erfolgt eine Kombination der großflächig in die Streuscheibe eingekoppelten LEDs 421-422 (vgl. 6) mit ein oder mehreren weiteren LEDs 425, die lokal an die Streuscheibe 409 angebunden werden. Die Lichtführung wird hier über eine Glasfaser 481 erreicht.
Während im Beispiel der 7 eine Kombination von Hohlleiter mit Glasfaser dargestellt ist, wäre es in anderen Beispielen auch denkbar, nur Glasfasern als Lichtleiter zu verwenden.
Der von den großflächigen, über die Holleiter eingekoppelten LEDs 421-422 bewirkte Beleuchtungsbereich 701 ist größer, als der von der lokal eingekoppelten LED 426 bewirkte Beleuchtungsbereich 701 (vgl. z.B. die Referenzbeleuchtungsmuster 502-504 mit den Referenzbeleuchtungsmustern 505-507).
Dabei ist diese Implementierung nur ein Beispiel. Z.B. könnte durch geeignete Glasfasern - etwa mit GRIN-Linse oder mit einer elastischen Austrittsfläche - auch ein großer Beleuchtungsbereich 701 erzielt werden.
Eine weitere Möglichkeit betrifft eine Implementierung mit einstellbarer „Lichtfarbe“. Ein Beispiel ist in 8 gezeigt. Hier sind pro Hohlleiter (wiederum definiert durch die Trennwände 401-403) jeweils mehrere LEDs 421 und 423, sowie 422 und 424 angeordnet. Diese weisen unterschiedliche Emissionsspektren auf. Mögliche sind zum Beispiel: RGB-LEDs, Warm- und Kaltweiß-LEDs, Weißlicht & IR, etc.. Es ist auch möglich, mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Lichtemissionsspektren ohne Lichtleiter zu verwenden. 8 zeigt also allgemein formuliert eine beispielhafte Implementierung eines Szenerios, bei dem pro Kanal mehrere Lichtquellen verwendet werden. Dies kann in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen so verwendet werden.
9 illustriert die Verwendung von Glasfasern 481-486 als Lichtleiter. Die Glasfasern definieren typischerweise vergleichsweise kleine Beleuchtungsbereiche 701 (vgl. auch 7).
Dabei ist es auch möglich, einer LED (in 9 nicht gezeigt) mehrere Glasfasern 481-486 zuordnen. Dadurch können dann größere Beleuchtungsbereiche 701 pro Lichtquelle erzeugt werden.
Die Lichtquellen (in 9 nicht dargestellt) können auch flexibel an einem anderen Ort angebracht werden (nicht notwendigerweise direkt am Kondensor der Mikroskopievorrichtung 90).
Dabei müssen die Glasfasern 481-486 nicht sortiert angeordnet sein- sondern die Zuordnung der LEDs kann, im Rahmen der Kalibration in Schritt 9009 (vgl. 4), mittels Bildaufnahme des Faserendes ermittelt und in einem Schaltplan als Beleuchtungsregel hinterlegt werden.
Eine weitere Möglichkeit der Realisierung der vorteilhaften Lichtführung ist es, die LEDs ohne native Phosphorschicht, jedoch vor einer großen, gemeinsam geteilten Phosphorschicht (oder im Allgemeinen einem anderen fluoreszierenden Material) anzuordnen. Das ist in 10 dargestellt. Dadurch ist diese Phosphorschicht eine sekundäre, passive Lichtquelle (ohne Grenzen zwischen den geschalteten Lichtquellen 421-422), die selektiv ansteuerbar ist
Während voranstehend Varianten beschrieben wurden, bei denen das Licht in die Frontfläche 409A eingekoppelt wird, wäre es in anderen Varianten alternativ oder zusätzlich möglich, das Licht in Umfangsflächen 409C - d.h. in die Seite der Streuplatte 409 - einzukoppeln; ein entsprechendes Beispiel ist in 11 dargestellt.
11 ist eine Seitenansicht (oben) und eine Aufsicht (unten) auf die Streuplatte 409 in der Beleuchtungsebene 700.
Dabei sind die LEDs 621-631 konzentrisch um die Streuplatte angeordnet und beleuchten die Umfangsfläche 409C.
Während in 11 eine Variante dargestellt ist, bei der keine Lichtleiter zwischen den LEDs 621-631 und der Umfangsfläche 409C verwendet werden, wäre es in anderen Beispielen aber möglich, Lichtleiter - z.B. Hohlleiter und/oder Glasfasern, wie obenstehend beschrieben - zu verwenden.
In 11 ist auch gezeigt, dass de Streuplatte 409 Strukturen 601 aufweist (z.B. reflektierende Trennwände), welche senkrecht zur optischen Achse in lateraler Richtung so angeordnet sind, dass Beleuchtungsbereiche 701 in Form von Quadranten erzeugt werden können und scharfe Trennlinien aufweisen (vgl. z.B. Referenzbeleuchtungsmuster 502 und 503 in 5). Durch die Strukturen 601 können die beleuchteten Bereiche flexibel definiert werden.
Die Verwendung solcher Strukturen 601 ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt und kann auch in den anderen hierin beschriebenen Beispielen möglich sein.
Die Strukturen 601 könnten z.B. als Gräben oder Metalleinlagerungen (Dotierung), Bereiche mit erhöhter Rauhigkeit, lokal getemperte Bereiche, usw. ausgebildet sein.
Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, die es ermöglichen, flexibel beleuchtete und unbeleuchteten Bereiche in der Beleuchtungsebene (d.h. einer zur Eintrittspupille des Objektivs einer Mikroskopievorrichtung konjugierten Ebene) zu definieren.
Es sind verschiedene Modifikationen der voran beschriebenen Beispiele denkbar.
So ist es z.B. nicht unbedingt erforderlich, dass Lichtleiter verwendet werden (vgl. z.B. auch 10 und 11).
Außerdem kann es manchmal entbehrlich sein, eine Streuscheibe oder allgemein einen Streufilter in der Beleuchtungsebene anzuordnen. Beispielsweise könnte eine Homogenisierung der Lichtstärke und der Lichtrichtung in der Beleuchtungsebene 700 dadurch erfolgen, dass (teilweise) lichtdurchlässige Trennwände (vgl. 6, Trennwände 401-403) von Hohlleitern zwischen den Lichtquellen und der Beleuchtungsebene verwendet werden. Dies entspricht einer Querkopplung zwischen den Lichtleitern. Die Trennwände könnten aus Licht-streuendem Material gefertigt sein, also z.B. eine Rauigkeit aufweisen.
Eine weitere Variante zur flexiblen Positionierung von Beleuchtungsbereiche 701 in der Beleuchtungsebene 700 beruht in der Verwendung eines Aktuators, um die Lichtleiter zu bewegen oder zu verformen. Beispielsweise könnte eine flexible bzw. elastische Hohlleiterstruktur verwendet werden. Diese kann dann rotierbar und/oder in der Größe verstellbar sein. Z.B. könnten „Gummi“-Lichtleiter verwendet werden, die verdreht zwischen LEDs und Beleuchtungsebene angeordnet werden. Z.B. könnte mittels des Aktuators der Querschnitt des Lichtaustritts bei der Beleuchtungsebene angepasst werden, z.B. von eckig zu rund etc..
Verschiedene der hierin beschriebenen Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass der Lichtleitwert der Mikroskopievorrichtung maßgeblich bestimmt wird durch die optische und mechanische Größe der verwendeten Lichtquellen. Dabei sind LEDs sind im Wesentlichen Flächenstrahler. Das Licht wird in einem Halbraum emittiert. Dieses Licht wird in Referenzimplementierungen mit einer Kollektoroptik eingefangen und als nahezu Unendlich-Strahlenbündel in die optische Übertragung des Mikroskops bis zum Objekt weitergegeben.
Im Auflicht am Mikroskop entspricht der Lichtleitwert der Objektivpupille: (Die Objektive sind in diesem Fall sowohl Kondensor und Detektionsobjektiv zugleich). Dabei hat eine LED einen Kreisdurchmesser zwischen etwa 1.5 mm bis 3 mm. Im Durchlicht entspricht der Lichtleitwert eines Mikroskops mit Sehfeldzahl 23 mm (=großes Objektfeld) und gleichzeitig einer möglichst großen Spanne an Werten der numerischen Apertur (damit bestmögliche Performance der Algorithmen zur Berechnung von digitalen Kontrasten bei möglichst vielen Objektiven erzielt wird; in der Praxis: typischerweise bis zu einer numerischen Apertur zwischen 0.3 und 0.8, typischerweise 0.55 bei gängigen Stativen) einer LED-Fläche mit eingeschriebenem Kreisdurchmesser zwischen etwa 3 mm und 6 mm, damit der Lichtleitwert erfüllt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017167856 A1 [0003]
DE 102017115021 A1 [0003, 0047]
US 2017276923 A1 [0003]
US 2019146204 A1 [0004]

Claims

Mikroskopievorrichtung (90), die umfasst: - ein Objektiv (112) mit einer Eintrittspupillenebene, - ein Beleuchtungsmodul (111) mit mehreren Lichtquellen (121, 421-425, 621-631), die beabstandet von einander angeordnet sind und die eingerichtet sind, um Licht auszusenden, sowie mit mehreren Lichtleitern (400, 481-486), die eingerichtet sind, um das Licht von den Lichtquellen (121, 421-422, 425, 621-631) zu einem Streufilter (409) zu leiten, und - den Streufilter (409), der in einer zur Eintrittspupillenebene konjugierten Ebene (700) angeordnet ist.
Mikroskopievorrichtung (90) nach Anspruch 1, wobei die Lichtleiter (400) zumindest teilweise als Hohlräume zwischen reflektierenden Trennwänden (401-403) ausgebildet sind.
Mikroskopievorrichtung (90) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtleiter (481-486) zumindest teilweise als Glasfasern (481-486) ausgebildet sind.
Mikroskopievorrichtung (90) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Streufilter (409) als Streuplatte (409) ausgebildet ist.
Mikroskopievorrichtung (90) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Lichtleiter (400, 481-486) mindestens einen ersten Lichtleiter (400, 481-486) umfassen, der derart in Bezug auf die Streuplatte (409) angeordnet ist, dass das entsprechende Licht einen ersten Bereich (701) der Streuplatte (409) erhellt, wobei die mehreren Lichtleiter (400, 481-486) mindestens einen zweiten Lichtleiter (400, 481-486) umfassen, der derart in Bezug auf die Streuplatte (409) angeordnet ist, dass das entsprechende Licht einen zweiten Bereich (701) der Streuplatte (409) erhellt, wobei der zweite Bereich (701) größer ist, als der erste Bereich (701).
Mikroskopievorrichtung (90) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die mehreren Lichtleiter (400, 481-486) und/oder mehrere weitere Lichtquellen (621-631) zumindest teilweise derart angeordnet sind, dass das jeweilige Licht über eine Umfangsseite (409C) der Streuplatte (409) in die Streuplatte (409) eingekoppelt wird.
Mikroskopievorrichtung (90) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Streufilter (409) ein fluoreszierendes Material umfasst.
Mikroskopievorrichtung (90) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei mindestens einem Lichtleiter (400, 481-486) der mehreren Lichtleiter (400, 481-486) jeweils mehrere Lichtquellen (121, 421-424) zugeordnet sind, die unterschiedliche Lichtemissionsspektren aufweisen.
Mikroskopievorrichtung (90) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Streuplatte (409) reflektierende Strukturen (601) umfasst, die sich in lateraler Richtung erstrecken.
Mikroskopievorrichtung (90) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst: - einen Aktuator, der eingerichtet ist, um mindestens einen Lichtleiter (400, 481-486) der mehreren Lichtleiter (400, 481-486) relativ in Bezug auf den Streufilter (409) zu positionieren oder zu verformen.
Mikroskopievorrichtung (90), die umfasst: - ein Objektiv (112) mit einer Eintrittspupillenebene, - ein Beleuchtungsmodul (111) mit mehreren Lichtquellen (121, 421-425, 621-631), die beabstandet voneinander angeordnet sind und die eingerichtet sind, um Licht auszusenden, sowie mit mehreren Lichtleitern, die eingerichtet sind, um das Licht von den Lichtquellen (121, 421-422, 425, 621-631) zu einer zur Eintrittspupillenebene konjugierten Ebene (700) zu leiten, wobei die Lichtleiter (400, 481-486) eingerichtet sind, um eine Querkoppelung von Licht zu ermöglichen.
Mikroskopievorrichtung (90) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst: - eine Steuereinheit (115), die eingerichtet ist, um in Abhängigkeit von einem ausgewählten Betriebsmodus aus einer Vielzahl von Betriebsmodi unterschiedliche Lichtquellen (121, 421-425, 621-631) der mehreren Lichtquellen (121, 421- 425, 621-631) anzusteuern, wobei die Betriebsmodi der Vielzahl von Betriebsmodi ein oder mehrere der folgenden umfassen: Autofokus; Digitalkontrast; und Hellfeldmikroskopie.
Verfahren zur Steuerung einer Mikroskopievorrichtung (90) mit einem Objektiv (112), wobei das Verfahren umfasst: - Auswählen eines Betriebsmodus der Mikroskopievorrichtung (90) aus einer Vielzahl von Betriebsmodi, und - Ansteuern von mehreren Lichtquellen (121, 421-425, 621-631) eines Beleuchtungsmoduls (111) der Mikroskopievorrichtung (90), um jeweils wahlweise Licht auszusenden oder kein Licht auszusenden, wobei die mehreren Lichtquellen (121, 421-425, 621-631) beabstandet voneinander angeordnet sind und das Licht in eine zu einer Eintrittspupillenebene des Objektivs (112) konjugierte Ebene (700) geleitet wird, wobei die Betriebsmodi der Vielzahl von Betriebsmodi ein oder mehrere der folgenden umfassen: Autofokus; Digitalkontrast; und Hellfeldmikroskopie.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die mehreren Lichtquellen (121, 421-425, 621-631) in Abhängigkeit von Referenzbeleuchtungsmustern (501-508), die mit den verschiedenen Betriebsmodi der Mikroskopievorrichtung (90) assoziiert sind und die in der konjugierten Ebene (700) definiert sind, angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein ausgewähltes Referenzbeleuchtungsmuster (501-508) als Eingabe einer vordefinierten Beleuchtungsregel, die erhöhte Bereiche (701) in der konjugierten Ebene (700) den Lichtquellen (121, 421-422, 425, 621-631) zuordnet, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: - Kalibration der Beleuchtungsregel durch iteratives Durchschalten durch die mehreren Lichtquellen (121, 421-425, 621-631) und jeweils Erfassen eines zugehörigen Beleuchtungsprofils in der konjugierten Ebene (700).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, das weiterhin umfasst: - Auswahl eines Referenzbeleuchtungsmusters in Abhängigkeit vom Objektiv (112).