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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 A oder der
US 5 694 242 A bekannt sind, deutlich überlegen, wie beispielsweise die gattungsbildende
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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Die Erfindung ist im Anspruch 1 definiert.
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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 einfache 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 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, sind 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 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, soll 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 optischem bzw. bildsensortechnischem 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 Apertur 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 Bauweise 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 zu 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 ≤ 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 L die Wellenlänge der verwendeten Strahlung in Millimeter angibt. Natürlich kann die Gleichung für F auch bei Verwendung von Licht zugrunde gelegt 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 Arme 18 mit der Achse 17 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.
