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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Mikroskop mit einem Optiksystem, das ein Objekt auf einen Bildsensor
abbildet, und einem Bildschirm, der vom Bildsensor abgegebene Bilddaten
als Bild anzeigt und das einzige Ausgabemedium für eine visuelle Betrachtung
des Objektes ist.
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Solche elektronischen Mikroskope,
die ein Objekt mittels Optiken auf einen elektronischen Bildgeber
abbilden, sind bekannt. Der Verzicht auf einen direkten optischen
Einblick ermöglicht
dabei eine kleine kompakte Bauform des Mikroskops und die Minimierung
des Bedarfs an optischen Komponenten. Sie sind diesbezüglich herkömmlichen
Mikroskopen mit zusätzlich
angebrachter einen Bildschirm speisenden Kamera, wie sie beispielsweise
aus der
US 4.202.037 oder
US 5.694.242 bekannt sind,
deutlich überlegen,
wie beispielsweise die gattungsbildenden
DE 196 09 288 A1 , bei der
ein Mikroskop in den Einbauschacht eines Computers integriert wird,
zeigt. Gleiches gilt für
ein gattungsgemäßes Mikroskop
wie es von Olympus unter der Produktbezeichnung EV10 angeboten wird.
Diese bekannten Lösungen
verwenden jedoch sehr aufwendige Optiken; hier besteht Bedarf für Vereinfachungen
bzw. Produktionskostenreduktion.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, ein Mikroskop der eingangs genannten Art dahingehend zu
vereinfachen, daß der
optische Aufwand so gering wie möglich
gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Mikroskop der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Abbildungsleistung
des Optiksystems und die Auflösung
A des Bildsensors dem Zusammenhang F × N/M ≤ 0,5 A genügt, wobei F einen Faktor, N
die numerische Apertur des Optiksystems, M den Vergrößerungsfaktor
des Optiksystems und A die Auflösung
des Bildsensors in Pixel pro Millimeter angeben.
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Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, die dem
Bildsensor vorgeschaltete Optik und die Auflösung des Sensors aneinander
anzupassen. Im Stand der Technik wurden elektronische Mikroskope meist
durch einfach Kombinationen einer bekannten Mikroskopoptik mit einem
Bildsensor erhalten. Dabei ist jedoch in aller Regel das Optiksystem
hinsichtlich seiner Auflösung
gegenüber
dem Bildsensor „überdimensioniert", d.h. es wird unnötiger Aufwand
beim Optiksystem betrieben. Der erfindungsgemäße Zusammenhang zwischen Auflösung von
Optiksystem und Bildsensor erlaubt es, diesen unnötigen Aufwand zu
vermeiden, was sich nicht nur auf den endgültig möglichen Verkaufspreis eines
Gerätes,
sondern auch auf die Baugröße auswirkt.
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Der erfindungsgemäße Zusammenhang zwischen numerischer
Apertur und Vergrößerung des Optiksystems
sowie Auflösung
des Bildsensors geht überraschenderweise
in Abkehr von dem im Stand der Technik verfolgten Ansatz nunmehr
davon aus, daß auch
der Bildsensor ein auflösungsbegrenzendes
Element sein kann, wie die Ungleichung zeigt. Ein optimales Zusammenspiel
ist dann erreicht, wenn die linke Seite und die rechte Seite der
erfindungsgemäßen Bemessungsregel
möglichst
gleich sind.
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Damit kann einerseits die vom Bildsensor
erreichbare Auflösung
optimal ausgenutzt werden, und es ist sichergestellt, daß kein unnötiger optischer
Aufwand betrieben wird. Das Optiksystem wird andererseits vom Bildsensor
hinsichtlich der Auflösung
voll ausgenutzt. Insgesamt ist damit eine kostensparende Produktion
des Gerätes
erreichbar. Aufwendige Optiksysteme, die einen Informationsgewinn
in Form von Auflösung
erzeugen, der letztlich vom Bildsensor gar nicht verwertet werden
könnte,
ist vermieden. Es kann mit minimalem optischem Aufwand das maximale
Resultat erreicht werden.
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Dieser Gesichtspunkt wird insbesondere
bei dem sich zur Zeit stetig steigernden Auflösungsvermögen von CCD-Bildsensoren wichtig,
da mitunter der Fall eintreten kann, daß in Zukunft das Optiksystem
mehr und mehr das auflösungsbegrenzende
Element wird, wogegen derzeit die optische Leistung des Bildsensors
bestimmend für
das Gesamtsystem ist.
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Der in der erfindungsgemäßen Bemessungsregel
enthaltene Faktor ist vorzugsweise wellenlängenabhängig und sorgt dafür, daß die linke
Seite des erfindungsgemäßen Zusammenhangs
im wesentlichen die vom Optiksystem wiedergegebene Auflösung angibt.
Im sichtbaren Strahlungsbereich ist dabei ein Faktor von etwa 3000
zweckmäßig, da dann
die linke Seite des Zusammenhangs die optische Auflösung einer
Mikroskopoptik besonders exakt wiedergibt. Möchte man in einer noch genaueren Annäherung die
Wellenlängenabhängigkeit
der Auflösung
berücksichtigen,
sollte F = 10/(0,61 L) eingehalten werden, wobei L eine in Millimeter
angegebene Wellenlänge
der vom Optiksystem erfaßten
und auf den Bildsensor fokussierten optischen Strahlung ist. Bei
der Wellenlänge
L kann es sich dabei insbesondere um die mittlere Wellenlänge der
verwendeten optischen Strahlung handeln. Für Licht kann hierbei der Wert
0,00582 mm Verwendung finden.
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Der Faktor F dient aber nicht nur
dazu, eine etwaige Wellenlängenabhängigkeit
der. Auflösungsleistung
eines Optiksystems widerzuspiegeln, sondern soll auch eine geringe
Abweichung von der oben erwähnten
optimalen Anpassung berücksichtigen,
wie sie beispielsweise durch fertigungstechnische Rahmenbedingungen
gegeben sein kann.
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Die Erfindung ermöglicht nun eine Anpassung sowohl
derart, daß die
Optik an den Bildsensor angepaßt
werden kann, als auch umgekehrt. Ebenso ist eine beiderseitige Abstimmung
möglich.
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Einen besonderen Vorteil erreicht
die Erfindung in einer Weiterbildung dadurch, daß bei einem Optiksystem mit
verstellbarer Vergrößerung die
wirksame Auflösung
des Bildsensors mittels einer Steuereinrichtung an den Vergrößerungsfaktor
des Optiksystems angepaßt
wird. Durch diese Anpassung bleibt sichergestellt, daß Auflösung von
Optiksystem und Bildsensor auch bei veränderlichen Vergrößerungsfaktoren
zueinander passen d.h. daß keine „leere" Vergrößerung,
die keinen zusätzlichen
Informationsgewinn bringt, auftritt. Dieses Vorgehen ermöglicht es,
auch bei veränderlicher
Vergrößerung mit
minimalem optischen bzw. bildsensortechnischen Aufwand ein maximales
Ergebnis zu erzielen.
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Ein besonders einfach zu realisierendes System
zur Anpassung der wirksamen Auflösung des
Bildsensors ist eine Wechselvorrichtung mit mehreren Bildsensoren,
die unterschiedliche Auflösungen
haben und in den Strahlengang des Mikroskops geschaltet werden können. Die
Wechselvorrichtung kann beispielsweise als umschaltbare Optikeinheit
ausgebildet werden, die wahlweise einen von mehreren Bildsensoren
in den Strahlengang des Optiksystems bringt. Beispielsweise kann
ein mehrere Bildsensoren tragendes Wechselrad verwendet werden,
das die Bildsensoren zur Anpassung der Auflösung umschaltet.
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Alternativ kann auch eine elektronische
Veränderung
der wirksamen Auflösung
des Bildsensors erfolgen, indem jeweils mehrere Pixel des Bildsensors
zu größeren Einheiten
zusammengeschaltet werden. Dies ist dem Fachmann als Pixel-Binning
bekannt. Die Zusammenschaltung kann dabei entweder direkt auf Sensorebene
oder durch eine nachgeschaltete Bildverarbeitung in der Steuereinrichtung, die
beispielsweise als Computer ausgebildet sein kann, erfolgen. Die
erwähnten
Ansätze
zum Anpassen der Auflösung
des Bildsensors können
natürlich nicht
nur einzeln sondern auch in Kombination eingesetzt werden.
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Alternativ oder zusätzlich zur
Anpassung der Auflösung
des Bildsensors kann auch eine Sehfeldanpassung erfolgen, wobei
das Sehfeld durch das Optiksystem jeweils so auf den Bildsensor
abgebildet wird, daß ein
Teil des Bildsensors belichtet wird, der der gewünschten Auflösung des
Sehfeldes entspricht. Es ist deshalb bevorzugt, daß das Optiksystem
eine verstellbare Vergrößerung aufweist
und daß eine
Vorrichtung zur Veränderung
der numerischen Apertur des Optiksystems sowie eine Steuervorrichtung
vorgesehen ist, die die numerische Aperfur an die Vergrößerung des
Optiksystems und/oder die wirksame Auflösung anpaßt, um den eingangs erwähnten Zusammenhang
möglichst
einzuhalten.
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Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht ein
sehr kompaktes Mikroskop. Es ist deshalb bevorzugt, daß ein Gehäuse vorgesehen
ist, in das das Optiksystem und die Steuereinrichtung integriert sind.
Die kompakte Bausweise ermöglicht
dabei, daß als
Volumen für
das zu untersuchende Objekt ein nahezu unbegrenzter Halbraum zur
Verfügung
steht. Diesbezüglich
ist es deshalb bevorzugt, daß das
Gehäuse
eine an der Gehäuseoberseite
gelegene Objektauflage sowie eine im Gehäuse integrierte Auflichtquelle,
die unterhalb der Gehäuseoberseite
liegt, aufweist, um das Objekt zu beleuchten.
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Um die erwähnte „leere", d.h. keinen weiteren Informationsgewinn
bringende Auflösung
ro vermeiden, ist es zu bevorzugen, daß die Auflösung des Bildsensors größer oder
gleich der Auflösung
des Bildschirmes ist. Auch hier findet sich wieder die der Erfindung
zugrundeliegende Erkenntnis, daß der Bildsensor
das bestimmende Element für
die Gesamtauflösung
des Systems sein kann und vorteilhafterweise auch sein sollte. Natürlich kann
der Bildschirm mit zur Vergrößerung beitragen.
Für die
Gesamtvergrößerung,
mit der ein Bild des Objektes auf den Bildschirm dargeboten wird,
ist natürlich
die Bildschirmgröße wesentlich.
Für starke
Vergrößerungen ist
deshalb ein möglichst
großer
Bildschirm zu bevorzugen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Strahlengangs in einem Mikroskop,
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2 ein
elektronisches Mikroskop,
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3 das
Mikroskop der 1 mit teilweise aufgeschnitten
dargestellten Gehäuse,
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4 eine
im Mikroskop der 1 verwendete
Wechseleinheit mit mehreren Bildsensoren und
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5-7 alternative Ausgestaltungen
der Wechseleinheit der 4.
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In 1 ist
ein Mikroskop 1 schematisch dargestellt. In einem Strahlengang 2 wird
dabei mittels eines Objektivs 3 und eines als Zoomoptik 4 ausgebildeten
Okulares ein Objekt 5 vergrößert auf einen CCD-Sensor 6 abgebildet.
Ein optischer Einblick ist für
das Mikroskop 1 nicht vorgesehen.
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2 zeigt
das Mikroskop 1 in perspektivischer Darstellung. Auf einem
Tisch 7 ist ein Gehäuse 8 des
Mikroskops angeordnet, in dem sich sowohl die Optik als auch die
Steuerungselektronik in Form eines Computers befindet. Ein Bild
des im Mikroskop 1 zu untersuchenden Objektes wird auf
einem LCD-Bildschirm 9 dargestellt. Das Gehäuse weist eine
Oberseite 10 auf, auf der sich eine Objektauflage 11 befindet.
Mittels eines Handrades 12 zur Fokussierung sowie eines
Bedienpultes 13 wird das Mikroskop 1 bedient.
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Im Gehäuse 8 befindet sich,
wie 3 zeigt, ein Bauraum 14 für die in 1 schematisch dargestellte
Optik sowie den CCD-Sensor 6; diese sind jedoch der Übersichtlichkeit
halber in 3 nicht dargestellt.
Unterhalb des Bauraumes 14 befindet sich ein als Computer
ausgebildetes Steuergerät 15,
das einen Prozessor sowie Speichereinheiten und Schnittstellen für Ein/Ausgabe
von Daten enthält. Insbesondere
liefert das Steuergerät 15 die
erforderlichen Bilddaten an den LCD-Bildschirm 9.
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Die Auflösung von Objektiv 3 und
Zoomoptik 4 des Mikroskops 1 ist an die Auflösung des
Bildsensors 6 gemäß folgendem
Zusammenhang angepaßt: F × N/M s
0,5 A, wobei F einen Faktor, N die numerische Apertur des Optiksystems,
M den Vergrößerungsfaktor
des Optiksystems und A die Auflösung des
Bildsensors in Pixel pro Millimeter angeben; der Faktor F liegt
dabei für
ein Lichtmikroskop zwischen 2.800 und 3.200. Für ein Mikroskop, daß optische Strahlung
außerhalb
oder am Rande des sichtbaren Bereiches verwendet, gilt F = 10/(0,61
L), wobei die Wellenlänge
der verwendeten Strahlung in Millimeter angibt. Natürlich kann
die Gleichung für
F auch bei Verwendung von Licht zugrundegelegt werden, jedoch ist
hier die Bemessung gemäß obigem
Intervall einfacher.
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Unter der Objektauflage 11 befindet
sich ein Schacht, in dem das Objektiv 3 angeordnet ist.
Es ist dabei über
einen Verschluß lösbar befestigt,
so daß das
Mikroskop 1 durch einen Objektivwechsel an unterschiedliche
Aufgaben angepaßt
werden kann. Um den erwähnten
Zusammenhang möglichst
als Gleichung auch bei einem Austausch des Objektivs oder bei einer
Verstellung der Zoomoptik 4 einzuhalten, ist im Bauraum 14 eine
Wechselvorrichtung zum Austausch des Bildsensors vorgesehen. In
einer ersten Ausführungsform
dieser Wechselvorrichtung, die in 4 dargestellt
ist, wird ein Wechselrad 16 verwendet, das auf einer Achse 17 drehbar
gelagert ist und mehrere Sensoren 6, 6', 6'' und 6''' trägt. Das
Wechselrad 16 wird so in den Strahlengang 3 des
Mikroskops 1 gedreht, daß der Bildsensor mit der gewünschten
Auflösung
verwendet wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung,
die in 5 gezeigt ist,
ist das Wechselrad als Ringscheibe ausgebildet, die über mehrere
Anne 18 mit der Achse 7 verbunden sind. Diese
Bauweise ermöglicht
es, die Zahl der Sensoren 6 nochmals zu erhöhen.
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Alternativ zur Verwendung eines Wechselrades 16 kann
auch ein gewinkelter Strahlengang 19 verwendet werde, bei
dem der Strahlengang 2 mittels eines Umlenkspiegels 20 zu
einem Bildsensor 6 umgelenkt wird. Durch gegenüberliegende
Anordnung von Umlenkspiegel 20 und CCD-Sensor 6 ist
erreicht, daß eine
Drehung des Wechselrades 16 den aktiven CCD-Sensor austauscht.
Diese Bauweise ist gegenüber
der Bauweise der 4 platzsparender,
da die CCD-Sensoren parallel zur Achse 17 liegen. In der
in 6 dargestellte Bauweise
stehen sie senkrecht auf dem Wechselrad 16.
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7 zeigt
eine weitere Alternative für
die Wechselvorrichtung, bei der die Zahl an beweglichen Bauteilen
minimiert ist. Das Wechselrad 16 steht fest, und auf der
Drehachse ist als drehbare Umlenkeinheit ein Umlenkprisma 21 angebracht,
das den gewinkelten Strahlengang 19 auf den jeweils ausgewählten CCD-Sensor 6 lenkt.
Mit dieser Bauform kann bei platzsparendem Aufbau eine besonders große Anzahl
an CCD-Sensoren 6 verwendet werden. Gleichzeitig können diese
CCD-Sensoren 6 fest verdrahtet werden, da sie selbst nicht
beweglich sein müssen.
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Alternativ oder zusätzlich zum
Wechseln des CCD-Sensoren 6 kann auch eine Sehfeldanpassung erfolgen,
bei der das Sehfeld durch die Zoomoptik 4 jeweils so auf
den CCD-Sensor abgebildet wird, daß das Sehfeld denjenigen Teil
des CCD-Sensors 6 belichtet, der der Auflösung entspricht,
die zum Einhalten obigen Zusammenhangs erforderlich ist. Es wird also
die numerische Apertur des aus Objektiv 3 und Zoomoptik 4 gebildeten
Optiksystems an die veränderte
Vergrößerung angepaßt. Die
nicht auf dem CCD-Sensor ausgeleuchteten Pixel werden von der Steuereinrichtung 15 ausgeblendet
und nicht auf dem LCD-Bildschirm 9 dargestellt.