DE102020101548A1

DE102020101548A1 - Mikroskop sowie Verfahren zum Erzeugen eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe

Info

Publication number: DE102020101548A1
Application number: DE102020101548.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander GAIDUK
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2040-01-24
Also published as: DE102020101548B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Erzeugen eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe mithilfe eines Mikroskops. Das Mikroskop umfasst mindestens eine Linse und einen Bildsensor. Ein Abstand (11) zwischen der Linse und einer aufzunehmenden Probe (13) oder ein Abstand zwischen dem Bildsensor und einer aufzunehmenden Probe (13) ist manuell veränderbar. Eine Schwerkraft beaufschlagt die Linse bzw. den Bildsensor mit einer Kraft in Richtung der Probe (13). In einem Schritt des Verfahrens wird eine durch die Schwerkraft bewirkte Bewegung der Linse oder eine durch die Schwerkraft bewirkte Bewegung des Bildsensors in Richtung der Probe (13) freigegeben. Es werden mehrere mikroskopische Einzelbilder der Probe aufgenommen, während sich die Linse bzw. der Bildsensor in Richtung der Probe (13) bewegt, sodass die mikroskopischen Einzelbilder mit unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen werden. Die mehreren mikroskopischen Einzelbilder werden zu mindestens einem mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe verarbeitet. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Mikroskop.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Erzeugen eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe mithilfe eines Mikroskops. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Mikroskop mit mindestens einer optischen Linse zum Abbilden einer zu mikroskopierenden Probe.
Die DE 10 2014 006 717 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Information eines Objektes in einem Digitalmikroskop. Bei diesem Verfahren wird für jeweils eine Fokusposition ein Bild aufgenommen und mit der zugehörigen Fokusposition in einem Bildstapel abgelegt. Aus den aufgenommenen Bildern des Bildstapels wird ein Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe (Enhanced Depth of Field), ein so genanntes EDoF-Bild berechnet.
Die US 2015/0185462 A1 zeigt ein Mikroskop mit einem ersten motorisierten Antrieb in die z-Richtung zur Positionierung einer ein Objektiv und eine Kamera umfassenden Einheit und mit einem zweiten motorisierten Antrieb in die z-Richtung zur Positionierung eines Objekttisches zur Aufnahme einer Probe. Durch den ersten motorisierten Antrieb soll die Aufnahme von Bildern mit einer erweiterten Schärfentiefe ermöglicht werden.
Aus der US 8,581,996 B2 ist eine Bildaufnahmevorrichtung bekannt, mit welcher große Bereiche einer Probe aufgenommen und digitalisiert werden können und Bilder mit einer erweiterten Schärfentiefe ausgegeben werden können. Die Bildaufnahmevorrichtung umfasst einen beweglichen Objekttisch zur Aufnahme der Probe und eine Einheit zur Veränderung der Fokusposition.
Die US 2015/0185465 A1 lehrt ein digitales Mikroskop zur Aufnahme und Erzeugung von Bildern mit einer erweiterten Schärfentiefe. Das Mikroskop ist dazu ausgebildet, eine Positionierung in die z-Richtung, eine Bildaufnahme und eine Bildverarbeitung zur Erzeugung der Bilder mit erweiterter Schärfentiefe asynchron und parallel auszuführen.
Die digitalen Mikroskope der Typen „VHX2000“ und „VHX5000“ des Herstellers Keyence erlauben die Aufnahme von mikroskopischen Bildern mit einer erweiterten Schärfentiefe.
Das Mikroskop vom Typ „SmartZoom5“ des Herstellers Carl Zeiss Microscopy GmbH erlaubt die mikroskopische Aufnahme einer Probe mit einer Höhe von 10 mm durch einen Bildstapel mit etwa 60 Bildern in etwa 25 Sekunden, wobei eine darauffolgende Berechnung eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe etwa 19 Sekunden in Anspruch nimmt.
Die DE 10 2017 123 511 A1 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe mithilfe eines Mikroskops. Es werden mehrere mikroskopische Einzelbilder einer Probe mit unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen. Die mikroskopischen Einzelbilder werden zu einem mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe verarbeitet. Die Fokusposition wird während der Aufnahmen von zumindest einigen der mikroskopischen Einzelbilder mit einer veränderlichen Geschwindigkeit oder einer veränderlichen Beschleunigung kontinuierlich verändert.
Das Unternehmen Carl Zeiss Microscopy GmbH bietet eine modular aufgebaute Bildaufnahme-, Bildverarbeitungs- und Bildanalyse-Software für die digitale Mikroskopie unter der Bezeichnung „ZEN“ an. Diese Software umfasst ein Modul zur Erweiterung der Schärfentiefe unter Nutzung von Mikroskopen, bei welchen die Fokusposition lediglich manuell veränderbar ist.
Das Unternehmen Media Cybernetics, Inc. bietet eine Bildverarbeitungssoftware unter der Bezeichnung „Image-Pro Plus“ an. Diese Software umfasst ein Modul „Live Tiling and Live EDF“, mit welchem u. a. eine Erweiterung der Schärfentiefe für Bildaufnahmegeräte ermöglicht wird, bei denen die Fokusposition lediglich manuell veränderbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein mechanisch einfach aufgebautes Mikroskop, welches nicht motorisiert ist und bevorzugt komplett manuell bedienbar ist, zur Gewinnung eines Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe nutzen zu können.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Mikroskop gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 5.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Erzeugen eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe (Enhanced Depth of Field - EDoF), welches auch als EDoF-Bild bezeichnet wird. Hierzu dient ein Mikroskop, bei welchem es sich bevorzugt um ein digitales Mikroskop handelt.
Das Mikroskop umfasst bevorzugt ein Stativ, welches Komponenten des Mikroskops trägt. Das Mikroskop umfasst mindestens eine optische Linse zum optischen Abbilden einer Probe. Die mindestens eine optische Linse wird bevorzugt vom Stativ getragen. Die Linse bzw. die mehreren Linsen bilden bevorzugt ein Objektiv des Mikroskops. Das Objektiv wird bevorzugt vom Stativ getragen. Das Objektiv bildet bevorzugt eine Komponente einer optischen Einheit des Mikroskops, welche vom Stativ getragen wird. Das Mikroskop umfasst weiterhin einen Bildsensor zum Wandeln eines von der Linse bzw. dem Objektiv auf den Bildsensor unmittelbar oder mittelbar abgebildeten Bildes. Der Bildsensor bildet bevorzugt eine Komponente einer Kamera. Der Bildsensor bzw. die Kamera sowie das Objektiv bzw. die optische Einheit bilden bevorzugt eine bauliche Einheit, welche vom Stativ getragen wird. Alternativ bevorzugt bilden der Bildsensor bzw. die Kamera sowie das Objektiv bzw. die optische Einheit jeweils eine eigene bauliche Einheit.
Ein Abstand zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe oder ein Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe ist manuell veränderbar. Der Abstand zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe bzw. der Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe ist bevorzugt am Stativ manuell veränderbar. Das Stativ umfasst bevorzugt einen Probentisch bzw. Objekttisch. Der Probentisch kann fest am Stativ angeordnet sein. Der Probentisch ist bevorzugt fest mit einer Grundplatte des Stativs verbunden. Die Linse bzw. das Objektiv bzw. die durch das Objektiv und die Kamera gebildete bauliche Einheit oder der Bildsensor bzw. die den Bildsensor umfassende Kamera wird bevorzugt verschiebbar am Stativ getragen. Die Linse bzw. das Objektiv bzw. die durch das Objektiv und die Kamera gebildete bauliche Einheit oder der Bildsensor bzw. die den Bildsensor umfassende Kamera wird bevorzugt in einer Höhe verschiebbar am Stativ getragen. Die Linse bzw. das Objektiv bzw. die durch das Objektiv und die Kamera gebildete bauliche Einheit oder der Bildsensor bzw. die den Bildsensor umfassende Kamera sitzt bevorzugt auf einer in der Höhe verschiebbaren Plattform des Stativs. Die Plattform ist bevorzugt linear auf einer Säule des Stativs gelagert und verschiebbar. Die Säule ist bevorzugt vertikal ausgerichtet und ist bevorzugt an der Grundplatte befestigt. Aufgrund der vertikalen Ausrichtung kann die Säule auch als z-Säule bezeichnet werden. Alternativ bevorzugt ist der Abstand zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe dadurch veränderbar, dass die mindestens eine Linse innerhalb des Objektivs verschiebbar ist, sodass der Abstand zu der aufzunehmenden Probe und auch zu weiteren Linsen des Objektivs veränderbar ist.
Durch ein Verändern der Höhe der Linse bzw. des Objektivs bzw. der durch das Objektiv und die Kamera gebildeten baulichen Einheit bzw. der Plattform bzw. des Bildsensors bzw. der den Bildsensor umfassenden Kamera ändert sich der Abstand gegenüber dem Probentisch und der dort befindlichen Probe. Der Abstand zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe bzw. der Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe ist am Stativ insbesondere dadurch manuell veränderbar, dass ein mechanisches Bedienelement am Stativ manuell bedient wird. Das mechanische Bedienelement ist bevorzugt durch einen Bedienelement bzw. durch ein Bedienrad gebildet. Das Stativ umfasst bevorzugt ein Lineargetriebe zwischen der Plattform und der Säule, welches durch das Bedienelement antreibbar ist.
Eine Schwerkraft beaufschlagt die mindestens eine Linse bzw. das die Linse umfassende Objektiv bzw. die Linse innerhalb des Objektivs bzw. die durch das Objektiv und die Kamera gebildete bauliche Einheit bzw. den Bildsensor bzw. die den Bildsensor umfassenden Kamera mit einer Kraft in Richtung der Probe.
Hierfür ist die Linse bzw. der Bildsensor oberhalb des die Probe tragenden Probentisches angeordnet. Bei den mit der Plattform ausgestatteten Ausführungsformen wirkt die Schwerkraft auch auf die Plattform, sodass die Plattform gemeinsam mit der Linse bzw. dem die Linse umfassenden Objektiv bzw. der durch das Objektiv und die Kamera gebildeten baulichen Einheit bzw. dem Bildsensor bzw. der den Bildsensor umfassenden Kamera in Richtung der Probe gedrängt ist.
In einem Schritt des Verfahrens wird eine durch die Schwerkraft bewirkte Bewegung der mindestens einen Linse bzw. eine durch die Schwerkraft bewirkte Bewegung des Bildsensors in Richtung der Probe freigegeben, sodass sich die mindestens eine Linse bzw. der Bildsensor angetrieben durch die Schwerkraft in die Richtung der Probe bewegt, wodurch sich der Abstand zwischen der mindestens eine Linse und der Probe bzw. der Abstand zwischen dem Bildsensor und der Probe verändert; insbesondere verringert. Dieser Abstand kann auch als z-Koordinate beschrieben werden. Das Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung der mindestens einen Linse bzw. des Bildsensors erfolgt durch einen Bediener des Mikroskops. Das Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung der mindestens einen Linse bzw. des Bildsensors erfolgt bevorzugt dadurch, dass der Bediener des Mikroskops ein Bedienelement des Mikroskops bedient; insbesondere ein Bedienelement des Stativs. Durch das Freigeben bewegt sich bevorzugt die Plattform gemeinsam mit der Linse bzw. dem die Linse umfassenden Objektiv bzw. der durch das Objektiv und die Kamera gebildeten baulichen Einheit bzw. dem Bildsensor bzw. der den Bildsensor umfassenden Kamera in Richtung der Probe. Alternativ bevorzugt bewegt sich die Linse gegenüber den weiteren Linsen des Objektivs angetrieben durch die Schwerkraft in die Richtung der Probe.
Es werden mehrere mikroskopische Einzelbilder der Probe mit dem Mikroskop aufgenommen, während sich die mindestens eine Linse bzw. der Bildsensor in Richtung der Probe bewegt. Aufgrund dieser Bewegung werden die mikroskopischen Einzelbilder mit unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen. Die mikroskopischen Einzelbilder bilden einen Stapel. Die Einzelbilder des Stapels unterscheiden sich in der z-Koordinate ihrer Aufnahme, sodass sie in ihrer Gesamtheit auch als ein z-Stapel oder z-Stack bezeichnet werden können.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die aufgenommenen mehreren mikroskopischen Einzelbilder zu mindestens einem mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe verarbeitet. Hierzu werden, soweit dies möglich ist, nur scharf abgebildete Bereiche aus den einzelnen aufgenommenen mikroskopischen Einzelbildern verwendet, um daraus das mikroskopische Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe zu berechnen. Das zu berechnende mikroskopische Bild bildet die Probe mit einer erweiterten Schärfentiefe ab. Das Verarbeiten der mehreren mikroskopischen Einzelbilder zu dem mindestens einen mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe erfolgt bevorzugt in einer in der Kamera integrierten Bildverarbeitungseinheit oder in einem an den Bildsensor bzw. an die Kamera angeschlossenen PC.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es die einfache und schnelle Erzeugung eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe unter Nutzung eines Mikroskops erlaubt, welches keine automatisierte Einrichtung zum Verändern der Fokusposition umfasst. Stattdessen kann ein einfach ausgeführtes Mikroskop verwendet werden, bei welchem das Objektiv oder eine der Linsen des Objektivs oder die Kamera lediglich manuell und mechanisch in der Höhe verstellbar ist, da der ohnehin gegebene Effekt ausgenutzt wird, dass das Objektiv bzw. die Kamera aufgrund der Schwerkraft nach unten gedrängt ist und nach der Freigabe diese Bewegung ohne weiteren Antrieb nach unten ausführt. Entsprechend umfasst das Mikroskop bevorzugt keinen motorischen Antrieb zum Verändern des Abstandes zwischen der Linse bzw. dem Objektiv bzw. dem Bildsensor und der Probe. Alternativ bevorzugt dient ein motorischer Antrieb lediglich zum Heben der Linse bzw. des Bildsensors, während die Bewegung nach unten zumindest abschnittsweise nicht durch den motorischen Antrieb beeinflusst ist. Die Erzeugung eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe unter Nutzung eines solchen Mikroskops, bei welchem die Fokusposition lediglich manuell verändert werden kann, kann gemäß dem Stand der Technik dadurch erfolgen, dass der Nutzer zeitaufwändig bestimmte Fokuspositionen einstellt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Vergleich zu einem rein manuellen Mikroskop durch das Verfahren eine bessere Bildqualität erzielt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgenutzt, dass das Objektiv die Bewegung aufgrund der Schwerkraft von allein ausführt. Entsprechend besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass hardwareseitig ein einfach aufgebautes Mikroskop verwendet werden kann, welches als solches nicht für die Erzeugung eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe geeignet ist, jedoch in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches insbesondere durch Software realisiert wird, die Erzeugung eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe ermöglicht. Selbstverständlich können auch Mikroskope genutzt werden, die besondere Anpassungen an das erfindungsgemäße Verfahren und dessen bevorzugte Ausführungsformen aufweisen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung der mindestens einen Linse in Richtung der Probe bzw. das Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung des Bildsensors in Richtung der Probe dadurch, dass ein Bedienelement des Mikroskops zum Arretieren der Bewegung der mindestens einen Linse bzw. des Bildsensors gelöst wird. Bei diesem Bedienelement handelt es sich insbesondere um ein Bedienelement des Stativs. Das Bedienelement des Mikroskops dient insbesondere zum mechanischen Arretieren der Bewegung. Das Bedienelement wird vom Bediener bedient, sodass der Bediener die Bewegung auslöst. Das Bedienelement ist bevorzugt durch einen drehbaren Bedienknopf bzw. Bedienrad gebildet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung der mindestens einen Linse in Richtung der Probe bzw. das Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung des Bildsensors in Richtung der Probe dadurch, dass ein Bedienelement des Mikroskops zum manuellen Bewegen der mindestens einen Linse bzw. des Bildsensors losgelassen wird. Bei diesem Bedienelement handelt es sich insbesondere um ein Bedienelement des Stativs oder des Objektivs. Das Bedienelement dient insbesondere zum mechanischen Heben und Senken der mindestens einen Linse bzw. des Objektivs oder zum mechanischen Heben und Senken der mindestens einen Linse im Objektiv gegenüber anderen Linsen des Objektivs bzw. zum mechanischen Heben und Senken des Bildsensors bzw. der Kamera. Der Bediener lässt das Bedienelement los, sodass der Bediener die Bewegung freigibt.
Das Bedienelement ist bevorzugt durch einen drehbaren Bedienknopf bzw. Bedienrad gebildet. Nach dem Loslassen des Bedienknopfes dreht sich dieser angetrieben durch die Schwerkraft. Bei dem Bedienknopf bzw. Bedienrad handelt es sich bevorzugt um das Bedienrad zum Antreiben des Lineargetriebes zwischen der Plattform und der Säule.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Bedienelement des Mikroskops zum Bremsen bzw. Dämpfen der Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors bedient, um eine Geschwindigkeit der Bewegung der mindestens einen Linse bzw. des Bildsensors in Richtung der Probe einzustellen. Bei dem Bedienelement handelt es sich insbesondere um ein Bedienelement des Stativs. Dieses Bedienelement dient insbesondere zum Einstellen einer Bremskraft, welche gegen die Bewegung der Linse bzw. des Objektivs bzw. der Plattform bzw. des Bildsensors bzw. der Kamera wirkt. Diese Bremskraft kann durch das Bedienelement variiert, d. h. eingestellt oder vordefiniert werden, sodass sich die Geschwindigkeit der Bewegung der mindestens einen Linse bzw. des Bildsensors in Richtung der Probe ändert. Das Bedienelement des Mikroskops zum Bremsen der Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors bildet bevorzugt auch das oben genannte Bedienelement des Mikroskops zum Arretieren der Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors, da die Bremskraft so groß eingestellt werden kann, dass sich die mindestens eine Linse bzw. die Plattform bzw. des Bildsensors bzw. der Kamera nicht bewegt. Alternativ kann das Bedienelement zum Arretieren der Bewegung der Linse des Bildsensors so ausgebildet sein, dass die Bewegung der Linse bzw. der Plattform bzw. des Bildsensors entweder vollständig freigegeben oder vollständig arretiert ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Mikroskop ein Objektiv, welches die mindestens eine Linse und weitere Linsen umfasst. Die mindestens eine Linse ist gegenüber den weiteren Linsen verschiebbar, um den Abstand zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe zu verändern. Somit kann die Bewegung allein innerhalb des Objektivs erfolgen. Die Schwerkraft wirkt auf die mindestens eine Linse. Nach Freigabe der Bewegung bewegt sich die mindestens eine Linse gegenüber den weiteren Linsen und auch in Richtung der aufzunehmenden Probe nach unten.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Mikroskop einen motorischen Antrieb zum Anheben der Linse bzw. des Objektivs bzw. des Bildsensors bzw. der Kamera. Der motorische Antrieb kann beispielsweise elektrisch, magnetisch oder hydraulisch ausgebildet sein. Während die Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors in Richtung der Probe durch die Schwerkraft bewirkt wird, wird eine Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors entgegen der Richtung der Probe, d. h. entgegen der Schwerkraft nach oben durch den motorischen Antrieb bewirkt. Der motorische Antrieb wird bevorzugt auch dazu genutzt, die durch die Schwerkraft bewirkte Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors nach unten in Richtung der Probe zu bremsen, zu begrenzen und/oder zu unterbrechen, um beispielsweise die Linse bzw. den Sensor in eine fokussierte Position zu bringen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein mechanischer, elektromagnetischer oder magnetischer Anschlag am Stativ verschoben, um die Bewegung der Linse in Richtung der Probe zu begrenzen. Das Verschieben des Anschlages erfolgt, bevor die durch die Schwerkraft bewirkte Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors in Richtung der Probe freigegeben wird. Bevorzugt werden zwei der Anschläge am Stativ verschoben, um die Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors in Richtung der Probe zu begrenzen, nämlich einen oberen Anschlag und einen unteren Anschlag. Der untere Anschlag wird bevorzugt so verschoben, dass eine Beschädigung der Probe durch die Linse bzw. durch das Objektiv verhindert ist. Bei den Anschlägen kann es sich um Anbaukomponenten handeln, welche nachträglich an ein konventionelles Mikroskop angebaut wurden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abstand zwischen der mindestens einen Linse und der aufzunehmenden Probe bzw. der Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe laufend gemessen, um die z-Position laufen zu bestimmen. Den mikroskopischen Einzelbildern wird jeweils eine z-Position zugeordnet. Das Messen des Abstandes zwischen der mindestens einen Linse und der aufzunehmenden Probe bzw. des Abstandes zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe erfolgt bevorzugt mit einem Sensor, welcher am Stativ angeordnet ist. Mit dem Sensor ist bevorzugt der Abstand zwischen der mindestens einen Linse des Mikroskops und der aufzunehmenden Probe bzw. der Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe messbar. Mit dem Sensor ist bevorzugt der Abstand zwischen dem Objektiv des Mikroskops und der aufzunehmenden Probe bzw. der Abstand zwischen der den Bildsensor umfassenden Kamera und der aufzunehmenden Probe messbar. Mit dem Sensor ist alternativ bevorzugt die Stellung des Bedienelementes, insbesondere des drehbaren Bedienrades, messbar, mit welchem der Abstand zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe bzw. der Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe manuell veränderbar ist. Der Sensor kann als ein Zusatzmodul für das Mikroskop ausgebildet sein. Der Sensor kann beispielsweise auf einer kapazitiven, induktiven, magnetischen oder optischen Messung beruhen. Der Sensor kann in das Mikroskop integriert sein und zur Ausgabe eines kodierten Abstandes, insbesondere eines kodierten z-Wertes ausgebildet sein. Der Sensor kann auch als eine zusätzliche Komponente des Mikroskops ausgebildet sein; bevorzugt in Form einer Kamera zur Aufnahme der Stellung der Linse bzw. des Objektivs bzw. des Bildsensors oder des Bedienelementes, mit welchem die Fokusposition des Mikroskops manuell veränderbar ist. Die den mikroskopischen Einzelbildern jeweils zugeordneten z-Positionen werden bei der Verarbeitung der mehreren mikroskopischen Einzelbilder zu dem mindestens einen mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe genutzt.
Das Messen des Abstandes zwischen der mindestens einen Linse und der aufzunehmenden Probe bzw. des Abstandes zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe erfolgt alternativ bevorzugt dadurch, dass eine Zeit zwischen dem Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors und der Aufnahme des jeweiligen der mikroskopischen Einzelbilder gemessen wird.
Das Aufnehmen der mehreren mikroskopischen Einzelbilder der Probe beginnt bevorzugt, nachdem der Bediener den Aufnahmevorgang ausgelöst hat. Das Aufnehmen der mehreren mikroskopischen Einzelbilder der Probe beginnt alternativ bevorzugt, nachdem durch eine Software automatisch erkannt wurde, dass sich die Linse bzw. der Bildsensor in Richtung der Probe bewegt.
Das Verarbeiten der mehreren mikroskopischen Einzelbilder zu dem mindestens einen mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe beginnt bevorzugt, nachdem das erste der mikroskopischen Einzelbilder aufgenommen wurde und die weiteren der mikroskopischen Einzelbilder noch aufgenommen werden. Die Schärfentiefe des Bildes mit der erweiterten Schärfentiefe wird durch jedes weitere der aufgenommenen mikroskopischen Einzelbilder erweitert. Dieses veränderliche Bild mit der erweiterten Schärfentiefe wird bevorzugt laufend angezeigt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weitere Schritte ausgeführt, um das mindestens eine mikroskopische Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe zu bestimmen. Bevorzugt wird hierfür ein Kontrast der mikroskopischen Einzelbilder variiert. Bevorzugt wird hierfür eine Beleuchtung des Mikroskops variiert. Bevorzugt werden hierfür Reflexionen in den mikroskopischen Einzelbildern korrigiert. Bevorzugt wird hierfür ein in der Kamera oder in der optischen Einheit angeordnetes Mikrosystem mit beweglichen Mikrospiegeln angesteuert, um die Schärfentiefe ergänzend zu erweitern.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine mikroskopische Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe zu mindestens einem dreidimensionalen Bild verarbeitet. Hierfür werden bevorzugt ergänzend Tiefeninformationen an der Probe gemessen.
Das erfindungsgemäße Mikroskop ist bevorzugt digital ausgebildet und umfasst mindestens eine optische Linse zum vergrößerten optischen Abbilden einer Probe und bevorzugt ein Stativ. Das Stativ trägt bevorzugt die mindestens eine optische Linse. Die mindestens eine optische Linse bildet bevorzugt eine Komponente eines Objektivs des Mikroskops.
Das Mikroskop umfasst weiterhin einen Bildsensor zum Wandeln des von der Linse unmittelbar oder mittelbar auf den Bildsensor abgebildeten Bildes in ein elektrisches Signal.
Ein Abstand zwischen der mindestens einen Linse und der aufzunehmenden Probe oder ein Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe ist manuell veränderbar. Dieser Abstand ist bevorzugt am Stativ manuell veränderbar. Eine Schwerkraft beaufschlagt die Linse bzw. den Bildsensor mit einer Kraft in Richtung der Probe.
Das erfindungsgemäße Mikroskop umfasst weiterhin eine Bildverarbeitungseinheit, welche zur Ausführung mehrerer Schritte konfiguriert ist. In einem bevorzugt durchzuführenden Schritt wird erkannt, dass eine durch die Schwerkraft bewirkte Bewegung der Linse bzw. des Bildwandlers in Richtung der Probe freigegeben wurde. In einem weiteren Schritt werden mehrere mikroskopische Einzelbilder der Probe aufgenommen, während sich die Linse bzw. der Bildsensor in Richtung der Probe bewegt, sodass die mikroskopischen Einzelbilder mit unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen werden. In einem weiteren Schritt werden die mehreren mikroskopischen Einzelbilder zu mindestens einem mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe verarbeitet.
Die Bildverarbeitungseinheit ist bevorzugt auch zur Ausführung von Schritten konfiguriert, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben sind. Im Übrigen weist das erfindungsgemäße Mikroskop bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen bevorzugten Ausführungsformen angegeben sind.
Die Bildverarbeitungseinheit ist bevorzugt durch ein Field Programmable Gate Array (FPGA), durch ein Graphics-Processing-Unit-Modul (GPU-Modul), durch einen Personal Computer (PC), durch einen Mini-PC oder durch einen Laptop gebildet.
Die mindestens eine Linse bildet bevorzugt eine Komponente eines Objektivs oder einer optischen Einheit. Das Objektiv bzw. die optischen Einheit wird bevorzugt durch das Stativ getragen. Eine Höhe des Objektivs bzw. der optische Einheit ist bevorzugt durch Bedienen eines Bedienelementes des Stativs veränderbar. Die mindestens eine Linse ist alternativ bevorzugt innerhalb des Objektivs in ihrer Höhe gegenüber den anderen Linsen des Objektivs veränderbar.
Die Kamera bzw. die optische Einheit umfasst bevorzugt ein Mikrosystem mit beweglichen Mikrospiegeln zur weiteren Erhöhung der Schärfentiefe.
Das Stativ umfasst bevorzugt eine Dämpfungsvorrichtung zum Dämpfen bzw. Bremsen der Bewegung des Objektivs bzw. der optischen Einheit. Die Dämpfung ist durch ein Bedienelement am Stativ manuell einstellbar, sodass die Geschwindigkeit der Bewegung der Linse bzw. des Bildsensors in Richtung der Probe einstellbar ist. Die Dämpfung ist bevorzugt durch den motorischen Antrieb gebildet, jedoch kann die Dämpfung auch unabhängig davon sein.
Das Stativ umfasst bevorzugt mindestens einen mechanischen, elektromagnetischen oder magnetischen Anschlag zur Begrenzung der Bewegung des Objektivs bzw. der optischen Einheit bzw. der Kamera. Das Stativ umfasst bevorzugt zwei der Anschläge zur Begrenzung der Bewegung des Objektivs bzw. der optischen Einheit bzw. der Kamera, nämlich einen unteren Anschlag und einen oberen Anschlag. Der mindestens eine Anschlag ist bevorzugt verschiebbar. Der mindestens eine Anschlag umfasst bevorzugt einen Dauermagneten, einen Elektromagneten oder eine Feder, um ein sanftes Anschlagen zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Mikroskop ist bevorzugt mechanisch einfach aufgebaut und nicht motorisiert, sodass es bevorzugt komplett manuell bedienbar ist. Der Abstand zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe bzw. der Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe ist somit ausschließlich manuell veränderbar. Die oben angeführten Schritte, für welche die Bildverarbeitungseinheit konfiguriert ist, nämlich bevorzugt das Erkennen, dass eine durch die Schwerkraft bewirkte Bewegung der Linse bzw. des Bildwandlers in Richtung der Probe freigegeben wurde, das Aufnehmen mehrere mikroskopischer Einzelbilder der Probe und das Verarbeiten der mehreren mikroskopischen Einzelbilder zu mindestens einem mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe, sind durch eine Nachrüstsoftware für die Bildverarbeitungseinheit realisiert. Die Bildverarbeitungseinheit ist somit durch diese Nachrüstsoftware zur Ausführung dieser Schritte konfiguriert. Vor der Konfiguration durch diese Nachrüstsoftware, d. h. vor dem Nachrüsten, war ein einfach aufgebautes Mikroskop gegeben, welches als solches nicht für die Erzeugung eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe geeignet war. Es können beispielsweise einfache Mikroskope nachgerüstet werden, bei denen das Objektiv manuell verschiebbar ist und/oder eine Kamera manuell verschiebbar ist.
Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops. Das Mikroskop umfasst ein Stativ 01, welches eine Grundplatte 02, eine vertikale Säule 03 und eine in der Höhe verschiebbare Plattform 04 umfasst. Weiterhin weist das Stativ 01 zwei mechanische Anschläge 06 auf, welche die Verschiebung der Plattform 04 nach unten und oben begrenzen. Die mechanische Anschläge 06 sind verschiebbar und arretierbar. Das Stativ 01 umfasst ein Bedienrad 07, mit welchem eine Dämpfung der Verschiebungsbewegung der Plattform 04 gegenüber der Säule 03 einstellbar ist. Durch Veränderung dieser Dämpfung kann eine Geschwindigkeit einer durch eine Schwerkraft bewirkten Abwärtsbewegung der Plattform 04 eingestellt werden.
Das Mikroskop umfasst weiterhin eine optische Einheit 08 und eine Kamera 09, welche gemeinsam von der Plattform 04 getragen werden. Die optische Einheit 08 umfasst ein Objektiv (nicht gezeigt) mit mehreren Linsen (nicht gezeigt). An der optischen Einheit 08 ist beispielhaft eine Ringbeleuchtung 10 angebracht. Die optische Einheit 08 weist in einer Arbeitsentfernung 11 eine Schärfentiefe 12 auf.
Auf der Grundplatte 02 des Stativs 01 ist eine zu mikroskopierende Probe 13 angeordnet, welche durch die Ringbeleuchtung 10 beleuchtet wird. Die Probe weist eine Höhe 14 auf. Erfindungsgemäß bewegen sich die optische Einheit 08 und die Kamera 09 mit der Plattform 04 aufgrund ihrer Schwerkraft nach Bedienen des Bedienrades 07 nach unten, während mehrere mikroskopische Einzelbilder jeweils mit der Schärfentiefe 12 aufgenommen werden, welche zu einem mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe verarbeitet werden. Entsprechend stellt die Höhe 14 auch das Maß der maximal erzielbaren erweiterten Schärfentiefe dar.
Bezugszeichenliste

01: Stativ
02: Grundplatte
03: Säule
04: Plattform
05: -
06: mechanischer Anschlag
07: Bedienrad
08: optische Einheit
09: Kamera
10: Ringbeleuchtung
11: Arbeitsentfernung
12: Schärfentiefe
13: Probe
14: Höhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014006717 A1 [0002]
US 2015/0185462 A1 [0003]
US 8581996 B2 [0004]
US 2015/0185465 A1 [0005]
DE 102017123511 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines mikroskopischen Bildes mit einer erweiterten Schärfentiefe mithilfe eines Mikroskops; wobei das Mikroskop mindestens eine Linse und einen Bildsensor umfasst, wobei ein Abstand (11) zwischen der Linse und einer aufzunehmenden Probe (13) oder ein Abstand zwischen dem Bildsensor und einer aufzunehmenden Probe (13) manuell veränderbar ist, wobei eine Schwerkraft die Linse oder den Bildsensor mit einer Kraft in Richtung der Probe (13) beaufschlagt; und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Freigeben einer durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung der Linse oder einer durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung des Bildsensors in Richtung der Probe (13); - Aufnehmen mehrerer mikroskopischer Einzelbilder der Probe, während sich die Linse oder der Bildsensor in Richtung der Probe (13) bewegt, sodass die mikroskopischen Einzelbilder mit unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen werden; und - Verarbeiten der mehreren mikroskopischen Einzelbilder zu mindestens einem mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung der Linse in Richtung der Probe (13) dadurch erfolgt, dass ein Bedienelement (07) des Mikroskops zum Arretieren der Bewegung der Linse gelöst wird, oder dass das Freigeben der durch die Schwerkraft bewirkten Bewegung des Bildsensors in Richtung der Probe (13) dadurch erfolgt, dass ein Bedienelement (07) des Mikroskops zum Arretieren der Bewegung des Bildsensors gelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop ein Objektiv umfasst, welches die Linse und weitere Linsen umfasst, wobei die Linse gegenüber den weiteren Linsen verschiebbar ist, um den Abstand zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe (13) zu verändern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Linse oder des Bildsensors in Richtung der Probe (13) durch die Schwerkraft bewirkt wird, wobei eine Bewegung der Linse oder des Bildsensors entgegen der Richtung der Probe (13) durch einen motorischen Antrieb des Mikroskops bewirkt wird.
Mikroskop; umfassend: - einen Bildsensor; - mindestens eine optische Linse zum Abbilden einer zu mikroskopierenden Probe (13), wobei ein Abstand (11) zwischen der Linse und der aufzunehmenden Probe (13) oder ein Abstand zwischen dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe (13) manuell veränderbar ist, und wobei eine Schwerkraft die Linse oder den Bildsensor mit einer Kraft in Richtung der Probe (13) beaufschlagt; und - eine Bildverarbeitungseinheit, welche zur Ausführung folgender Schritte konfiguriert ist: o Aufnehmen mehrerer mikroskopischer Einzelbilder der Probe (13), während sich die Linse oder der Bildsensor in Richtung der Probe (13) bewegt, sodass die mikroskopischen Einzelbilder mit unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen werden; und o Verarbeiten der mehreren mikroskopischen Einzelbilder zu mindestens einem mikroskopischen Bild mit einer erweiterten Schärfentiefe.
Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop ein Stativ (01) umfasst, wobei die Linse eine Komponente eines Objektivs bildet, welches durch das Stativ (01) getragen wird, wobei eine Höhe (11) des Objektivs durch Bedienen eines Bedienelementes des Stativs (01) veränderbar ist.
Mikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stativ (01) eine Dämpfungsvorrichtung zur Dämpfung der Bewegung des Objektivs umfasst, wobei die Dämpfung durch ein Bedienelement (07) am Stativ (01) manuell einstellbar ist.
Mikroskop nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stativ (01) mindestens einen mechanischen, elektromagnetischen oder magnetischen Anschlag (06) zur Begrenzung der Bewegung des Objektivs umfasst.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stativ (01) eine in der Höhe (11) verschiebbare Plattform (04) umfasst, welche linear auf einer Säule (03) des Stativs (01) gelagert ist, wobei das Stativ (01) weiterhin ein Lineargetriebe zwischen der Plattform (04) und der Säule (03) umfasst, welches durch ein Bedienelement antreibbar ist, und wobei das Objektiv auf der Plattform (04) sitzt.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (11) zwischen der Linse oder dem Bildsensor und der aufzunehmenden Probe (13) ausschließlich manuell veränderbar ist, wobei die Bildverarbeitungseinheit durch eine Nachrüstsoftware konfiguriert ist.