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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Abbildungsvorrichtung und ein Computerprogrammprodukt.
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Hintergrund
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Mikroskope sind optische Instrumente zur Beobachtung von Proben. Ein optisches Erfassungssystem eines Mikroskops umfasst in der Regel ein Objektiv, das auf die Probe gerichtet ist, um Erfassungslicht von der Probe zu sammeln. Das gesammelte Erfassungslicht wird dann über eine Tubuslinse des optischen Erfassungssystems in ein Okular geleitet, durch das der Benutzer die Probe beobachten kann. Zur Erzeugung digitaler Bilder kann eine Digitalkamera verwendet werden. Der Sensor der Digitalkamera umfasst in der Regel eine rechteckige Anordnung von Fotosensoren. Diese Fotosensoren werden als Pixel bezeichnet, da sie die Pixel in dem von der Digitalkamera erzeugten digitalen Bild betreffen. Die physische Größe der Fotosensoren wird als Pixelgröße oder Pixelabstand bezeichnet. Je kleiner die Pixelgröße ist, desto höher ist die Auflösung der Digitalkamera bei gleichbleibender Sensorfläche. Eine kleinere Pixelgröße bedeutet aber auch, dass die Fläche pro Pixel kleiner ist, und somit, dass die einzelnen Pixel weniger lichtempfindlich sind und das Signal-Rausch-Verhältnis geringer ist.
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Die Digitalkamera ersetzt entweder das Okular, oder der vom Objektiv ausgehende Strahlengang wird in einen Strahlengang, der zum Okular führt, und einen weiteren Strahlengang, der zur Digitalkamera führt, aufgeteilt. In beiden Fällen wird in der Regel ein Kameraadapter verwendet, um die Digitalkamera am Mikroskop zu befestigen. Der Kameraadapter kann vergrößernd oder verkleinernd wirken, um ein vom optischen Abbildungssystem erzeugtes optisches Bild an die physischen Sensorabmessungen der Digitalkamera anzupassen. Die Anpassung der Digitalkamera an das Mikroskop und die spezifische Anwendung erfordert jedoch Erfahrung und Vertrautheit mit dem optischen Erfassungssystem des Mikroskops und der Digitalkamera, was für einen unerfahrenen Benutzer schwierig ist.
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Die
DE 102 14 191 A1 offenbart ein Mikroskopsystem. Abhängig von einem elektronischen Zoomvergrößerungsfaktor wird ein Teilbereich eines lösbaren CCD-Sensors ausgelesen.
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Die
DE 10 2009 010 448 A1 offenbart einen Kameraadapter für ein Operationsmikroskop mit einer mechanischen und/oder elektronischen Justageeinheit.
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Die
DE 10 2020 101 879 A1 offenbart ein Stereo-Mikroskop, bei dem ein Objekt in den beiden Stereo-Kanälen mit unterschiedlich großen Bildfeldern auf den jeweiligen Bildsensor abgebildet wird.
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Zusammenfassung
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Es ist daher eine Aufgabe, eine Abbildungsvorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Abbildungsvorrichtung bereitzustellen, die sehr einfach zu bedienen sind, insbesondere durch einen unerfahrenen Benutzer.
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Die vorgenannte Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung definiert.
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Die vorgeschlagene Abbildungsvorrichtung zum Abbilden einer Probe umfasst ein Bildsensorelement mit einer Sensorfläche zum Empfangen von Erfassungslicht von der Probe, das ausgebildet ist, ein Bild aus dem von einer aktiven Fläche empfangenen Erfassungslicht zu erzeugen, wobei die aktive Fläche zumindest ein Teil der Sensorfläche des Bildsensorelements ist. Das Abbildungssystem umfasst ferner einen Kameraadapter, der ausgebildet ist, das Bildsensorelement zu befestigen, und eine Steuerung. Die Steuerung ist ausgebildet, eine Vergrößerung des Kameraadapters zu bestimmen, die Größe der Sensorfläche des Bildsensorelements zu bestimmen und die Größe der aktiven Fläche auf der Grundlage der Vergrößerung des Kameraadapters und auf der Grundlage der Größe der Sensorfläche einzustellen.
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Die Abbildungsvorrichtung sammelt das von der Probe emittierte Erfassungslicht und erzeugt ein optisches Bild der Probe in einer Ebene, die koplanar mit der Sensorfläche ist, im Folgenden auch Erfassungsebene genannt. Das in der Erfassungsebene erzeugte optische Bild wird vom Bildsensorelement in ein elektronisches Signal umgewandelt, zum Beispiel in Form eines digitalen Bildes. Typischerweise wird die Vergrößerung des Kameraadapters in Abhängigkeit von der Größe der Sensorfläche so gewählt, dass die Größe des in der Erfassungsebene erzeugten optischen Bildes am besten zur Größe der Sensorfläche passt. Auf diese Weise wird die Sensorfläche optimal ausgenutzt, sodass die Probe mit einer hohen Auflösung abgebildet werden kann, während ein schwarzer Rand in dem von dem Bildsensorelement erzeugten Bild.
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Es wurde jedoch erkannt, dass es vorteilhaft ist, die Vergrößerung der Kamera stattdessen entsprechend der spezifischen Anwendung zu wählen, für die das Abbildungsgerät verwendet wird. Zum Beispiel wird durch die Verwendung eines verkleinernden Kameraadapters, d.h. eines Kameraadapters mit einer Vergrößerung von weniger als 1x, mehr Licht auf ein einzelnes Pixel des Bildsensorelements gebündelt. Dadurch wird die effektive Pixelgröße des Bildsensorelements erhöht, d. h. die Größe der Fläche der Probe, die auf ein einzelnes Pixel abgebildet wird. Dies erhöht das Signal-Rausch-Verhältnis und kann z. B. bei Fluoreszenz-Abbildungsanwendungen, bei denen die Photonenzahl typischerweise sehr niedrig ist, sehr effektiv genutzt werden. Außerdem hat man erkannt, dass es von Vorteil ist, Bildsensorelemente mit einer großen Pixelgröße und einer großen Sensorfläche zu verwenden. Die Pixelgröße steht in direktem Zusammenhang mit dem Dynamikbereich des Bildsensorelements. So führt eine große Pixelgröße nicht nur zu einer höheren Lichtempfindlichkeit, sondern auch zu einem hohen Dynamikbereich, der eine höhere Bildqualität ermöglicht. Eine große Sensorfläche kann mehr Pixel aufnehmen, was zu einer höheren Auflösung führt. Es ist daher wünschenswert, die Vergrößerung des Kameraadapters und die Größe der Sensorfläche unabhängig voneinander zu wählen.
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Die Steuerung der vorgeschlagenen Abbildungsvorrichtung passt die Größe der aktiven Fläche der Sensorfläche, d. h. der Fläche, die ausgelesen wird, um z. B. das digitale Bild zu erzeugen, automatisch an die Vergrößerung des Kameraadapters an. Wird zum Beispiel ein verkleinernder Kameraadapter verwendet, wählt die Steuerung eine kleinere aktive Fläche, um einen schwarzen Rand um das Bild zu vermeiden. Wird ein vergrößernder Kameraadapter verwendet, wählt die Steuerung eine größere aktive Fläche aus, um die Sensorfläche optimal zu nutzen und ein hochauflösendes Bild zu erzeugen. Mit der vorgeschlagenen Abbildungsvorrichtung kann der Benutzer die Vergrößerung des Kameraadapters und die Größe der Sensorfläche je nach den Anforderungen einer bestimmten Anwendung frei wählen. Die Steuerung wählt automatisch die optimale Größe der aktiven Fläche aus, sodass die Abbildungsvorrichtung sehr einfach zu bedienen ist, insbesondere für einen unerfahrenen Benutzer. Mit anderen Worten, die Steuerung stellt automatisch die bestmögliche optische Lösung vor, die die Abbildungsvorrichtung bieten kann. Diese Automatisierung bietet eine große Freiheit bei der Anpassung der Abbildungsvorrichtung an bestimmte Anwendungen. So können beispielsweise hochauflösende großformatige Bildsensorelemente für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Größe der aktiven Fläche derart einzustellen, dass die aktive Fläche dem aktuellen Sichtfeld der Abbildungsvorrichtung entspricht. Das aktuelle Sichtfeld der Abbildungsvorrichtung kann kreisförmig sein, und die aktive Fläche kann rechteckig sein. Die Steuerung kann insbesondere ausgebildet sein, die Größe einer Diagonale der aktiven Fläche so einzustellen, dass die aktive Fläche einem Durchmesser des aktuellen Sichtfeldes der Abbildungsvorrichtung entspricht. Im vorliegenden Dokument ist unter dem aktuellen Sichtfeld der Abbildungsvorrichtung das von der Abbildungsvorrichtung in der Erfassungsebene erzeugte optische Bild zu verstehen, im Gegensatz zu einer Fläche in der Probe, die gerade von der Abbildungsvorrichtung abgebildet wird. Dementsprechend ist unter dem Durchmesser des aktuellen Sichtfeldes der Durchmesser des optischen Bildes zu verstehen, das von der Abbildungsvorrichtung in der Erfassungsebene erzeugt wird. In dieser Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Größe der aktiven Fläche an die Größe des in der Erfassungsebene erzeugten optischen Bildes anzupassen. Dadurch wird verhindert, dass ein schwarzer Rand im Bild entsteht, weil ein Teil der Sensorfläche ausgelesen wird, in der kein Bild erzeugt wird, während die Sensorfläche optimal genutzt wird. Auf diese Weise kann die Abbildungsvorrichtung zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Bilder der Probe verwendet werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Abbildungsvorrichtung einen ersten Kameraanschluss mit einem ersten Sichtfeld. Der erste Kameraanschluss ist ausgebildet, den Kameraadapter aufzunehmen, sodass, wenn der Kameraadapter zwischen dem ersten Kameraanschluss und dem Bildsensorelement angeordnet ist, das aktuelle Sichtfeld der Abbildungsvorrichtung durch das erste Sichtfeld definiert ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Abbildungsvorrichtung einen zweiten Kameraanschluss mit einem zweiten Sichtfeld, wobei der zweite Kameraanschluss ausgebildet ist, den Kameraadapter aufzunehmen, sodass, wenn der Kameraadapter zwischen dem zweiten Kameraanschluss und dem Bildsensorelement angeordnet ist, das aktuelle Sichtfeld der Abbildungsvorrichtung durch das zweite Sichtfeld definiert ist. Die Steuerung ist ausgebildet, die Größe der aktiven Fläche basierend darauf einzustellen, ob der Kameraadapter an dem ersten Kameraanschluss oder an dem zweiten Kameraanschluss angeordnet ist. Der Durchmesser des optischen Bildes, das von der Abbildungsvorrichtung in der Erfassungsebene erzeugt wird, kann für jeden Kameraanschluss unterschiedlich sein. Indem berücksichtigt wird, an welchem Kameraanschluss das Bildsensorelement angebracht ist, wird dementsprechend die Erzeugung eines schwarzen Randes im Bild verhindert, während die Sensorfläche optimal genutzt wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, einen Wechsel des Kameraadapters zu erfassen und bei einem erfassten Wechsel des Kameraadapters die Größe der aktiven Fläche auf der Grundlage des gewechselten Kameraadapters einzustellen. Die Steuerung kann auch ausgebildet sein, einen Wechsel des Bildsensorelements zu erfassen und bei einem erfassten Wechsel des Bildsensorelements die Größe der aktiven Fläche auf der Grundlage des gewechselten Bildsensorelements einzustellen. Die Steuerung erkennt automatisch, wenn der Kameraadapter und/oder das Bildsensorelement gewechselt wird, und bestimmt die Größe der aktiven Fläche neu, z. B. auf der Grundlage der Vergrößerung des neuen Kameraadapters bzw. der Größe der Sensorfläche des neuen Bildsensorelements. Die Steuerung führt die Neubestimmung der Größe der aktiven Fläche automatisch durch, wodurch die Bedienung der Abbildungsvorrichtung noch einfacher wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Abbildungsvorrichtung ein optisches Erfassungssystem, das ausgebildet ist, das Erfassungslicht von der Probe zu empfangen und das Erfassungslicht über den Kameraadapter auf die Sensorfläche des Bildsensorelements zu richten. Das optische Erfassungssystem kann ein Objektiv umfassen, das auf die Probe gerichtet ist, und eine Tubuslinse, die zwischen dem Objektiv und dem Kameraadapter angeordnet ist. Das optische Erfassungssystem umfasst die optischen Elemente zum Einfangen des Erfassungslichts von der Probe und zur Erzeugung des optischen Bildes der Probe in der Erfassungsebene.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Größe der aktiven Fläche auf der Grundlage eines optischen Parameters des optischen Erfassungssystems einzustellen. Der optische Parameter ist insbesondere eine Vergrößerung des Kameraadapters und/oder des Objektivs. Die Steuerung kann ausgebildet sein, den optischen Parameter beispielsweise über die Benutzereingabeeinheit zu empfangen. Alternativ kann der optische Parameter in einem Speicherelement gespeichert sein. Das Speicherelement kann in der Abbildungsvorrichtung oder in dem Element angeordnet sein, dem der optische Parameter zugeordnet ist, z. B. dem Kameraadapter oder dem Objektiv. Durch die Berücksichtigung des optischen Parameters bei der Größe der aktiven Fläche wird ein schwarzer Rand im Bild vermieden und die Sensorfläche optimal ausgenutzt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, eine Änderung des optischen Parameters des optischen Erfassungssystems zu erfassen und bei einer Änderung des optischen Parameters des optischen Erfassungssystems die Größe der aktiven Fläche auf der Grundlage des geänderten optischen Parameters einzustellen. In dieser Ausführungsform erkennt die Steuerung automatisch eine Änderung im optischen Erfassungssystem und bestimmt die Größe der aktiven Fläche auf der Grundlage des neuen Werts des geänderten optischen Parameters neu. Der Benutzer braucht nicht zu wissen, ob eine Neubestimmung der Größe der aktiven Fläche erforderlich ist. Dadurch wird die Benutzung der Abbildungsvorrichtung noch einfacher.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Abbildungsvorrichtung eine Benutzereingabeeinheit, die ausgebildet ist, eine Benutzereingabe zu empfangen. Die Steuerung kann ausgebildet sein, die Vergrößerung des Kameraadapters und/oder die Größe der Sensorfläche des Bildsensorelements auf der Grundlage der Benutzereingabe zu bestimmen. Die Steuerung kann auch ausgebildet sein, die optischen Parameter des optischen Erfassungssystems auf der Grundlage der Benutzereingabe zu bestimmen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Abbildungsvorrichtung ein Gehäuse, wobei der Kameraadapter ausgebildet ist, das Bildsensorelement am Gehäuse der Abbildungsvorrichtung zu befestigen. Vorzugsweise ist der Kameraadapter ein C-Mount-, F-Mount- oder T-Mount-Adapter. C-Mounts, F-Mounts und T-Mounts sind standardisierte Elemente, die in der Mikroskopie und angrenzenden Bereichen weit verbreitet sind. Dies bedeutet, dass die Abbildungsvorrichtung mit leicht erhältlichen Teilen kompatibel ist, was die Abbildungsvorrichtung sehr vielseitig macht.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform hat der Kameraadapter eine Vergrößerung im Bereich von 0,25x bis 2x. Der Bereich gemäß dieser Ausführungsform bietet eine ausreichende Vergrößerung oder Verkleinerung, um das in der Erfassungsebene erzeugte optische Bild der Probe an das Bildsensorelement anzupassen. Kameraadapter mit einer Vergrößerung in diesem Bereich sind leicht erhältlich, was die Herstellung der Abbildungsvorrichtung kostengünstiger macht.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Abbildungsvorrichtung für die Fluoreszenzabbildung ausgebildet. Bei der Fluoreszenzabbildung werden in der Probe befindliche Fluorophore zur Abgabe von Fluoreszenzlicht angeregt. Das von der Probe emittierte Fluoreszenzlicht wird dann verwendet, um ein Bild der Probe zu erzeugen. In der Regel ist die Photonenzahl, d. h. die Menge des Fluoreszenzlichts, die das Bildsensorelement bei Fluoreszenzabbildungsexperimenten empfängt, sehr gering. Ein einzelnes Pixel des Bildsensorelements kann nur 10 bis 50 Photonen des Fluoreszenzlichts erfassen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, das Signal-Rausch-Verhältnis in Abbildungsvorrichtungen für die Fluoreszenzabbildung zu erhöhen. Das vorgeschlagene Abbildungssystem kann sehr einfach mit einem Verkleinerungskameraadapter verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen, ohne dass weitere Einstellungen durch den Benutzer erforderlich sind. Dadurch ist die Abbildungsvorrichtung gut für die Fluoreszenzabbildung geeignet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Abbildungsvorrichtung ein Mikroskop. Die Abbildungsvorrichtung ist jedoch nicht auf ein Mikroskop beschränkt. Die Abbildungsvorrichtung kann beispielsweise auch ein Slide-Scanner, ein Durchflusszytometer, ein DNA-Sequenzierer oder eine andere Abbildungsvorrichtung sein, die einen Adapter für ein Bildsensorelement wie eine Digitalkamera umfasst.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung einer Abbildungsvorrichtung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bestimmen einer Vergrößerung eines Kameraadapters, an dem ein Bildsensorelement der Abbildungsvorrichtung befestigt ist. Bestimmen der Größe einer Sensorfläche des Bildsensorelements. Einstellen der Größe einer aktiven Fläche des Bildsensorelements auf der Grundlage der Vergrößerung des Kameraadapters und der Größe der Sensorfläche; wobei die aktive Fläche zumindest ein Teil der Sensorfläche des Bildsensorelements ist.
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Das Verfahren hat die gleichen Vorteile wie die oben beschriebene Abbildungsvorrichtung und kann durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche, die auf die Abbildungsvorrichtung gerichtet sind, ergänzt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode umfasst, der ausgebildet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Prozessor ausgeführt wird.
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Das Computerprogrammprodukt hat die gleichen Vorteile wie die oben beschriebene Abbildungsvorrichtung und das oben beschriebene Verfahren und kann durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche, die auf die Abbildungsvorrichtung bzw. das Verfahren zur Steuerung einer Abbildungsvorrichtung gerichtet sind, ergänzt werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Nachfolgend werden spezifische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
- 1 eine schematische Ansicht einer Abbildungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform ist;
- 2 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Abbildungsvorrichtung gemäß 1 ist;
- 3 die Größe eines Sichtfeldes des Abbildungssystems gemäß 1 im Vergleich zur Größe von zwei Sensorflächen zeigt;
- 4 die Größe eines weiteren Sichtfeldes des Abbildungssystems nach 1 im Vergleich zur Größe der beiden Sensorflächen zeigt; und
- 5 die Größe des Sichtfeldes gemäß 4 im Vergleich zur Größe einer zweiten Sensorfläche und zur Größe einer aktiven Fläche der zweiten Sensorfläche zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist eine schematische Ansicht einer Abbildungsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform.
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Die Abbildungsvorrichtung 100 gemäß 1 ist beispielhaft als Mikroskop ausgebildet und umfasst ein optisches Erfassungssystem 102 zur Erzeugung eines optischen Bildes einer Probe 104. Das optische Erfassungssystem 102 umfasst ein auf die Probe 104 gerichtetes Objektiv 106 und eine im Strahlengang hinter dem Objektiv 106 angeordnete Tubuslinse 108. Das Objektiv 106 ist so ausgebildet, dass es Erfassungslicht von der Probe 104 sammelt. Das gesammelte Erfassungslicht wird dann über die Tubuslinse 108 zu einer Erfassungsebene 110 geleitet, wo das optische Bild der Probe 104 gebildet wird. Dieses optische Bild der Probe 104, das in der Erfassungsebene 110 entsteht, wird auch als das aktuelle Sichtfeld der Abbildungsvorrichtung 100 bezeichnet, da es den Bereich umfasst, der für die Abbildungsvorrichtung 100 derzeit sichtbar ist.
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Die Abbildungsvorrichtung 100 umfasst ferner ein Bildsensorelement 112. Das Bildsensorelement 112 hat eine Sensorfläche 114, die in der Erfassungsebene 110 angeordnet ist und eine zweidimensionale Fläche von Fotosensoren umfasst. Die Fotosensoren werden auch als Pixel bezeichnet und wandeln das Erfassungslicht in ein elektronisches Signal um. Da die Sensorfläche 114 in der Erfassungsebene 110 angeordnet ist, wandelt das Bildsensorelement 112 das in der Erfassungsebene 110 gebildete optische Bild der Probe 104 in ein elektronisches Signal um, beispielsweise in Form eines digitalen Bildes. Der Teil der Sensorfläche 114, der aktiv ausgelesen wird, um das elektronische Signal zu erzeugen, wird als aktive Fläche 116 bezeichnet. Die aktive Fläche 116 kann genauso groß sein wie die gesamte Sensorfläche 114.
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Das Bildsensorelement 112 ist über einen Kameraadapter 120 an einem Gehäuse 118 der Abbildungsvorrichtung 100 befestigt. Beispielhaft ist das Bildsensorelement 112 an einem ersten Kameraanschluss 121a der Abbildungsvorrichtung 100 befestigt. Die Abbildungsvorrichtung 100 umfasst auch einen zweiten Kameraanschluss 121b. Die Größe des optischen Bildes der Probe 104, das in der Erfassungsebene 110 gebildet wird, kann davon abhängen, an welchem der Kameraanschlüsse 121a, 121b das Bildsensorelement 112 angebracht ist.
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Der Kameraadapter 120 umfasst optische Elemente 122, die in 1 der Übersichtlichkeit halber als Einzellinse dargestellt sind. Die optischen Elemente 122 des Kameraadapters 120 sind für die Anpassung des Bildsensorelements 112 an das optische Erfassungssystem 102 ausgebildet. Insbesondere bieten die optischen Elemente 122 des Kameraadapters 120 eine Vergrößerung oder Verkleinerung, typischerweise im Bereich zwischen 0,25x und 2x. Die Vergrößerung des Kameraadapters 120 kann verwendet werden, um die Größe des vom optischen Erfassungssystem 102 erzeugten optischen Bildes an die Größe der Sensorfläche 114 anzupassen, indem die Größe des optischen Bildes in der Erfassungsebene 110 vergrößert oder verkleinert wird. Der Kameraadapter 120 kann auch verwendet werden, um eine effektive Pixelgröße des Bildsensorelements 112 einzustellen. Bei der effektiven Pixelgröße handelt es sich um die Größe einer Fläche der Probe 104, die vom optischen Erfassungssystem 102 auf ein einzelnes Pixel der Sensorfläche 114 abgebildet wird, was typischerweise durch ihren Durchmesser ausgedrückt wird. Mit zunehmender effektiver Pixelgröße verringert sich die Auflösung der Abbildungsvorrichtung 100, da eine größere Fläche der Probe 104 auf ein einzelnes Pixel des Bildsensorelements 112 abgebildet wird.
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Eine Erhöhung der effektiven Pixelgröße erhöht jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis, was bei Anwendungen von Vorteil ist, bei denen nur eine geringe Lichtmenge erfasst wird, wie etwa bei der Fluoreszenzmikroskopie. Der Kameraadapter 120 ist beispielsweise ein 1x-Kameraadapter, d. h. der Kameraadapter 120 bietet weder eine Vergrößerung noch eine Verkleinerung, das Objektiv 106 hat eine Vergrößerung von 63x, und die Pixelgröße des Bildsensorelements 112 beträgt 4,5 µm. In diesem Beispiel beträgt die effektive Pixelgröße etwa 71 nm pro Pixel, d. h. eine Fläche mit einem Durchmesser von etwa 71 nm wird auf ein Pixel des Bildsensorelements 112 abgebildet. In einer beispielhaften Anwendung der Fluoreszenzmikroskopie bei schwachem Licht werden etwa 20 Photonen von einer Fläche dieser Größe emittiert. Dementsprechend detektiert jedes Pixel etwa 20 Photonen. Geht man von einem Ausleserauschen von 2 e- aus, so ergibt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis von 10/1. In einem anderen Beispiel wird stattdessen ein 0,7x-Kameraadapter als Kameraadapter 120 verwendet. In diesem Beispiel wird die effektive Pixelgröße auf 102 nm pro Pixel erhöht. Bei einer typischen Anwendung der Fluoreszenzmikroskopie werden von einer Fläche dieser Größe etwa 41 Photonen emittiert. Dementsprechend detektiert jedes Pixel etwa 41 Photonen, was bedeutet, dass das Signal-Rausch-Verhältnis auf 20/1 erhöht wird. Wie aus diesen beiden Beispielen ersichtlich wird, kann ein verkleinernder Kameraadapter, d.h. ein Kameraadapter mit einer Vergrößerung von weniger als 1, verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen, insbesondere bei Anwendungen wie der Fluoreszenzmikroskopie, bei denen die Photonenzahl sehr gering ist.
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Die Abbildungsvorrichtung 100 umfasst außerdem eine Steuerung 124 und eine Eingabevorrichtung 126. Die Eingabevorrichtung 126 ist mit der Steuerung 124 verbunden und ist beispielhaft als Tastatur dargestellt. Die Steuerung 124 ist so ausgebildet, dass sie eine Benutzereingabe über die Eingabevorrichtung 126 empfängt. Die Steuerung 124 ist ferner so ausgebildet, dass sie das optische Erfassungssystem 102 und das Bildsensorelement 112 steuert, um die Probe 104 abzubilden. Insbesondere ist die Steuerung 124 so ausgebildet, dass sie die Größe der aktiven Fläche 116 der Sensorfläche 114 auf der Grundlage der Vergrößerung des Kameraadapters 120 einstellt. Ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung der Abbildungsvorrichtung 100 durch Einstellen der Größe der aktiven Fläche 116, das von der Steuerung 124 durchgeführt werden kann, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 beschrieben.
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2 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Abbildungsvorrichtung 100 gemäß 1.
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In Schritt S200 wird der Prozess gestartet. In Schritt S202 ermittelt die Steuerung 124 die Vergrößerung des Kameraadapters 120, an dem das Bildsensorelement 112 gerade am Gehäuse 118 der Abbildungsvorrichtung 100 befestigt ist. Wenn das Abbildungssystem 100 mehr als einen Kameraanschluss 121a, 121b umfasst, ermittelt die Steuerung 124 auch, an welchem Kameraanschluss 121a, 121b das Bildsensorelement 112 gerade befestigt ist. Die Steuerung 124 kann die Vergrößerung des Kameraadapters 120 über eine Benutzereingabe erhalten. Die Vergrößerung kann direkt vom Benutzer eingegeben werden. Der Benutzer kann auch eine Kennung, z. B. eine Modellbezeichnung, des Kameraadapters 120 eingeben, und die Steuerung 124 kann die Vergrößerung anhand der Kennung bestimmen. Die Steuerung 124 kann auch ausgebildet sein, die Vergrößerung und/oder die Kennung aus einem Speicherelement des Kameraadapters 120 auszulesen. In Schritt S204 bestimmt die Steuerung 124 die Größe der Sensorfläche 114 des Bildsensorelements 112. Die Größe der Sensorfläche 114 kann direkt von einem Benutzer eingegeben oder aus einem Speicherelement des Bildsensorelements 112 ausgelesen werden. Die Größe der Sensorfläche 114 kann auch anhand einer Kennung des Bildsensorelements 112 bestimmt werden, die entweder vom Benutzer eingegeben oder aus dem Speicherelement des Bildsensorelements 112 ausgelesen wird.
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In einem optionalen Schritt S206 bestimmt die Steuerung 124 mindestens einen optischen Parameter des optischen Erfassungssystems 102, der die Größe des optischen Bildes in der Erfassungsebene 110 beeinflusst, zum Beispiel eine Vergrößerung des Objektivs 106. Wie die Vergrößerung des Kameraadapters 120 kann der optische Parameter direkt vom Benutzer eingegeben werden oder von der Steuerung 124 aus einer Kennung eines optischen Elements abgeleitet werden, das dem optischen Parameter zugeordnet ist. Die Steuerung 124 kann auch so ausgebildet sein, dass sie den optischen Parameter und/oder die Kennung aus einem Speicherelement des zugehörigen optischen Elements oder der Abbildungsvorrichtung 100 ausliest. Die Schritte S202, S204 und S206 können gleichzeitig oder aufeinanderfolgend in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Die Steuerung kann ferner so ausgebildet sein, dass sie eine Änderung der Systemkonfiguration der Abbildungsvorrichtung 100 erkennt. Beispielsweise kann die Steuerung so ausgebildet sein, dass sie erkennt, ob der Kameraadapter 120, das Bildsensorelement 112 oder das Objektiv 106 gewechselt wurden. Die Steuerung kann dann jeden der Schritte S202, S204 und S206 erneut durchführen, um die aktuellen Werte der in diesen Schritten ermittelten Parameter zu erhalten.
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In Schritt S208 bestimmt die Steuerung 124 die Größe des optischen Bildes, das von der optischen Erfassungsebene 110 in der Erfassungsebene 110 gebildet wird, auf der Grundlage der in den Schritten S202, S204 und S206 bestimmten Informationen. Da die Elemente des optischen Erfassungssystems 102 typischerweise symmetrisch um ihre jeweilige optische Achse angeordnet sind, ist das in der Erfassungsebene 110 erzeugte optische Bild kreisförmig. Die Größe des in der Erfassungsebene 110 gebildeten optischen Bildes ist daher durch seinen Durchmesser gegeben. In Schritt S210 stellt die Steuerung 124 die Größe der aktiven Fläche 116 der Sensorfläche 114 so ein, dass sie der Größe des in der Erfassungsebene 110 gebildeten optischen Bildes entspricht. Mit anderen Worten, die Steuerung 124 passt die Größe der aktiven Fläche 116 an das aktuelle Sichtfeld der Abbildungsvorrichtung 100 an. Die aktive Fläche 116 ist rechteckig, und die Größe der aktiven Fläche 116 wird durch ihre Diagonale und ihr Seitenverhältnis bestimmt. Die Steuerung 124 stellt daher die Diagonale der aktiven Fläche 116 so ein, dass sie dem Durchmesser des in der Erfassungsebene 110 erzeugten optischen Bildes entspricht. Da die Sensorfläche 114 aus Pixeln einer endlichen Größe besteht, ist es möglicherweise nicht möglich, die Diagonale der aktiven Fläche 116 perfekt an den Durchmesser des optischen Bildes anzupassen. In einem solchen Fall wird die Diagonale der aktiven Fläche 116 so gewählt, dass sie so groß wie möglich und gleichzeitig kleiner als der Durchmesser des optischen Bildes ist, um die Bildung eines schwarzen Randes im Bild zu verhindern. Das Seitenverhältnis der aktiven Fläche 116 kann frei gewählt werden. Es gibt jedoch bestimmte Standardformate, z. B. 1:1, 4:3, 14:9, 16:10, 16:9 usw., aus denen der Benutzer gemäß der vorliegenden Anwendung wählen kann. In Schritt S210 wird der Prozess gestoppt. Das Verfahren wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 näher erläutert.
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3 zeigt die Größe eines Sichtfeldes 300 des Abbildungssystems gemäß 1 im Vergleich zur Größe zweier Sensorflächen 302, 304.
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Das Sichtfeld 300 des Abbildungssystems ist kreisförmig und in 3 als ein mit einer durchgezogenen schwarzen Linie gezeichneter Kreis dargestellt. Die Größe des Sichtfeldes 300 wird durch die optischen Parameter des optischen Erfassungssystems 102 und durch die Vergrößerung des Kameraadapters 120 bestimmt. In 3 beträgt die Vergrößerung des Kameraadapters 120 1x, und der Durchmesser des Sichtfelds 300 beträgt etwa 17,6 mm.
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Eine erste Sensorfläche 302 umfasst 2,8 Millionen Pixel, wobei jedes Pixel eine Größe von 4,5 µm hat. Die erste Sensorfläche 302 hat eine Diagonale von 10,9 mm.
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Dementsprechend ist die erste Sensorfläche 302 kleiner als das Sichtfeld 300. Ein von der ersten Sensorfläche 302 aufgenommenes Bild umfasst nur einen Teil des Sichtfeldes 300.
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Eine zweite Sensorfläche 304 umfasst 7 Millionen Pixel, wobei jedes Pixel eine Größe von 4,5 µm hat. Die zweite Sensorfläche 304 hat eine Diagonale von 17,6 mm, die dem Durchmesser des Sichtfelds 300 entspricht. Ein von der zweiten Sensorfläche 304 aufgenommenes Bild umfasst einen großen Teil des Sichtfelds 300 und ist größer als das vom ersten Sensorelement aufgenommene Bild.
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4 zeigt die Größe eines weiteren Sichtfeldes 400 des Abbildungssystems gemäß 1 im Vergleich zur Größe der beiden Sensorflächen 302, 304.
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In 4 beträgt die Vergrößerung des Kameraadapters 120 0,76x. Durch diese Verkleinerung verringert sich die Größe des in der Erfassungsebene 110 erzeugten optischen Bildes um 0,76. Dementsprechend beträgt der Durchmesser des Sichtfelds 400 etwa 13,4 mm. Während die erste Sensorfläche 302 noch in das Sichtfeld 400 passt, erstreckt sich die zweite Sensorfläche 304 außerhalb des Sichtfeldes 400. In den Teilen der zweiten Sensorfläche 304, die außerhalb des Sichtfelds 400 liegen, wird kein Erfassungslicht von der Probe 104 empfangen, was zu einem schwarzen Rand um das Bild führt. Um diesen schwarzen Rand zu vermeiden, wird das oben unter Bezugnahme auf 2 beschriebene Verfahren durchgeführt. Dies wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 erläutert.
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5 zeigt die Größe des Sichtfeldes 400 gemäß 4 im Vergleich zur Größe der zweiten Sensorfläche 304 und zur Größe einer aktiven Fläche 500 der zweiten Sensorfläche 304.
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Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß 2 stellt die Steuerung 124 die aktive Fläche 500 der zweiten Sensorfläche 304 so ein, dass sie dem Sichtfeld 400 entspricht. Das Ergebnis der Anpassung ist in 5 dargestellt. Die aktive Fläche 500 hat eine Diagonale von etwa 13,4 mm und passt damit in das Sichtfeld 400. Mit anderen Worten, die aktive Fläche 116 ist auf die Größe des Sichtfelds 400 zugeschnitten. Wenn ein Bild von der zweiten Sensorfläche 304 aufgenommen wird, entsteht kein schwarzer Rand.
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Identische oder ähnlich wirkende Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der hier verwendete Begriff „und/oder“ umfasst alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Elemente und kann mit „/“ abgekürzt werden. Einzelne Merkmale der Ausführungsformen und alle Kombinationen einzelner Merkmale der Ausführungsformen untereinander sowie in Kombination mit einzelnen Merkmalen oder Merkmalsgruppen der vorangehenden Beschreibung und/oder Ansprüche gelten als offenbart.
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Obwohl einige Aspekte im Rahmen einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einer Funktion eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Rahmen eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder einer Eigenschaft einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Abbildungsvorrichtung
- 102
- optisches Erfassungssystem
- 104
- Probe
- 106
- Objektiv
- 108
- Tubuslinse
- 110
- Erfassungsebene
- 112
- Bildsensorelement
- 114
- Sensorfläche
- 116
- aktive Fläche
- 118
- Gehäuse
- 120
- Kameraadapter
- 121a, 121b
- Kameraanschluss
- 122
- optisches Element
- 124
- Steuerung
- 300
- Sichtfeld
- 302, 304
- Sensorfläche
- 400
- Sichtfeld
- 500
- aktive Fläche
