DE19941167A1 - Abbildungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Abbildungseinrichtung zum Abbilden der Gesamtfläche eines Probenträgers (100) durch eine Abbildungseinrichtung (10) zur Speicherung von Abbildungsobjekten, die in dem Probenträger eine Tiefenrichtung aufweisen, wird ein Parallaxenfehler mit geringem Kostenaufwand dadurch vermieden, daß eine Fresnel-Linse (50) mit einer sich abhängig vom Abstand zwischen dem Probenträger und der Abbildungseinrichtung ändernden Brechkraft Licht aus nahezu derselben Richtung wie der Tiefenrichtung der die Abbildungsobjekte aufnehmenden Mulden (110) des Probenträgers (100) auf einen CCD-Sensor 11 fokussiert. Beispielsweise wird durch Anregungslicht stimulierte Fluoreszenz aus den Mulden (110) für die Abbildungsobjekte in einer Mikrotiterplatte (100) in der gleichen Richtung wie der Tiefenrichtung der Mulden über die Fresnel-Linse von einem Kameraobjektiv (12) auf den CCD-Sensor (11) abgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung, speziell eine Ab­ bildungsvorrichtung zum Abbilden eines ein Abbildungsobjekt tragenden Probenträgers zum Messen der Dichte oder der Farbe des Abbildungs­ objekts oder zum Nachweisen des Vorhandenseins von Lichtemission aus dem Objekt.

Auf dem Gebiet der Biochemie und der Molekularbiologie ist es üblich, gemäß Fig. 2 Abbildungsobjekte 200, bei denen es sich um Proben handelt, jeweils in einer Mulde 110 einer Mikrotiterplatte 100 aufzuneh­ men und sie in eine Abbildungsvorrichtung einzubringen, die gemäß Fig. 5 eine Abbildungseinrichtung 10 besitzt. Die gesamte Mikrotiter­ platte 100 wird mit einem Mal abgebildet, und die Dichte und Farbe jedes Abbildungsobjekts 200 in den einzelnen Mulden 110 oder die Intensität von Chemilumineszenz oder Fluoreszenz wird unter Zugrunde­ legung dieses Aufnahmebildes gemessen.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besitzt jede Mulde oder Ausneh­ mung 110 der Mikrotiterplatte 100 eine bestimmte Tiefe in Dickenrich­ tung (Tiefenrichtung) der Mikrotiterplatte 100. Andererseits steht die Abbildungseinrichtung 10 des Abbildungsgeräts der Platte 100 unter einem fixen Abbildungswinkel gegenüber, demzufolge gemäß Fig. 6 A in die Abbildungseinrichtung 10 aus solchen Mulden 110 optische Infor­ mation entlang dem optischen Weg durch die obere Öffnung der Mulden 110 gelangt, die sich in der Nachbarschaft der optischen Achse X der Abbildungseinrichtung 10 befinden. Die Tiefe des in der Mulde 110 aufgenommenen Abbildungsobjekts 200 entspricht also der optischen Weglänge beim Abbildungsobjekt 200, so daß sich dieses anhand der in die Abbildungseinrichtung 10 gelangenden Information exakt messen läßt. Was allerdings die Mulden 110 am Rand der Platte 100 angeht, so gelangt optische Information, die über den optischen Weg durch die obere Öffnung der Mulde 110 zum Boden der Mulde führt, aufgrund des Parallaxenfehlers nicht in die Abbildungseinrichtung 10, vergleiche Fig. 6B. Bezüglich der Mulden 110 am Rand der Platte 100 ergibt sich also das Problem, daß dort keine Messung der in die Abbildungsein­ richtung 10 gelangenden Information mit ausreichender Genauigkeit möglich ist.

Dieses Problem ergibt sich nicht nur in Verbindung mit einer Abbildung einer Mikrotiterplatte, sondern auch bei der Abbildung eines Proben­ trägers zur Ausführung von Elektrophorese bei einem Abbildungsobjekt unter Einsatz eines Gels mit einer gewissen Dicke (zum Beispiel einer Dicke von 5 mm oder darüber) und einer Petrischale für Kulturen. In diesem Fall wird das Abbildungsobjekt in Dickenrichtung des Gels eingetaucht, so daß der eingetauchte Bereich des Abbildungsobjekts am Rand des Probenträgers aufgrund des Parallaxenfehlers als Klecks in Erscheinung tritt.

Um diesen Parallaxeneffekt zu beheben, kann man daran denken, zwischen die Abbildungseinrichtung und den Probenträger der Mikroti­ terplatte oder dergleichen ein telezentrisches Objektiv mit einer Mehr­ zahl von Linsen und Blenden anzuordnen.

Allerdings ist der Aufbau des telezentrischen Objektivs umfangreich und kostenintensiv, so daß eine Steigerung der Kosten der Abbildungsvor­ richtung unvermeidbar ist.

Die vorliegende Erfindung stammt aus der Weiterentwicklung der obigen Betrachtungen und soll eine Abbildungsvorrichtung zur Beseitigung des Parallaxeneffekts schaffen, wobei die Kosten beschränkt werden und ein Bild zur hochgenauen Bildanalyse aufgenommen wird.

Die erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung besitzt eine einzige Lin­ senanordnung zum Beseitigen des Parallaxeneffekts zwischen der Ab­ bildungseinrichtung und einem eine gewisse Dicke aufweisenden Ab­ bildungsobjekt.

Die erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung dient zum Abbilden eines Probenträgers, auf dem zahlreiche Abbildungsobjekte mit einer Tiefe in einer gewissen Richtung in einer Ebene senkrecht zu der vorerwähnten Richtung angeordnet sind, wobei eine Abbildungseinrichtung in einem Abstand gegenüber dem Probenträger installiert ist. Eine einzelne Linse mit einer von dem Abstand zwischen Probenträger und Abbildungsein­ richtung abhängigen Brechkraft befindet sich an einer Stelle in der Nachbarschaft des Probenträgers zwischen diesem Probenträger und der Abbildungseinrichtung, so daß Licht entlang etwa der gleichen Richtung wie der vorerwähnten Richtung aus dem Probenträger auf die Abbil­ dungsfläche der Abbildungseinrichtung fokussiert wird.

In diesem Fall wird als die erwähnte einzelne Linse vorzugsweise eine Fresnel-Linse mit geringer Dicke und geringen Kosten verwendet. Als Probenträger kommt eine Mikrotiterplatte oder ein Gel mit einer Dicke von etwa 3 mm oder darüber in Betracht. Außerdem ist die An­ wendung in Verbindung mit einer Kulturen-Petrischale möglich.

Bei der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung kommt eine einzelne Linse mit einer Brechkraft zum Einsatz, welche von dem Abstand zwischen dem Probenträger und der Abbildungseinrichtung abhängt. Diese einzelne Linse befindet sich in der Nähe des Probenträgers zwischen dem Probenträger und der Abbildungseinrichtung. Daher wird Licht, welches nahezu in die gleiche Richtung läuft, wie es der Tiefen­ richtung des Abbildungsobjekts entspricht, aus dem Probenträger auf die Abbildungsfläche der Abbildungseinrichtung fokussiert. Dies hat die Wirkung, als würde ein Bild von einem Abbildungsobjekt in unendliche Entfernung von der Abbildungseinrichtung erzeugt (Beseitigung des Parallaxenfehlers). Selbst wenn ein Abbildungsobjekt sich am Rand des Probenträgers befindet, läßt sich optisch Information abbilden, die ins­ gesamt der Tiefenrichtung des Objekts entspricht. Mit einer solchen Eingangsinformation kann die Abbildungseinrichtung eine exakte Bild­ analyse ermöglichen. Als Einzellinse kommen Linsen in Betracht, die sich preislich deutlich von den teuren telezentrischen Objektiven unter­ scheiden. Solche Einzellinsen sind weit verbreitet, ihr Einsatz verteuert die Kosten der gesamten Vorrichtung kaum. Wird als die Einzellinse eine Fresnel-Linse verwendet, läßt sich auch die Dicke der Linse derart steuern, daß man den Freiheitsgrad bezüglich der Anordnung in dem Gerät erweitern kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Abbildungsvorrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung eines Beispiels einer in der Abbildungsvor­ richtung nach Fig. 1 eingesetzte Mikrotiterplatte,

Fig. 3 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Abbildungsvorrichtung,

Fig. 4 eine Darstellung der zweiten Ausführungsform einer Abbil­ dungsvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung einer konventionellen Abbildungsvorrichtung, und

Fig. 6 A und 6B zeichnerische Darstellungen zum Erläutern des Parallaxeneffekts.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abbildungs­ vorrichtung, Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine in Fig. 1 verwendete Mikrotiterplatte.

In der in der Zeichnung dargestellte Mikrotiterplatte 100 sind zahlreiche Mulden 110 in einem transparenten oder farblosen Material vorbestimm­ ter Dicke ausgebildet. Die einzelnen Mulden enthalten Abbildungsobjek­ te 200 und besitzen in Dickenrichtung der Platte eine gewisse Tiefe. Die in den Mulden 110 aufgenommenen Abbildungsobjekte 200 sind nicht immer gleich oder ähnlich, zum Beispiel kann es sich um Abbildungs­ objekte handeln, die mit einem Fluoreszenzmaterial markiert sind, welches bei Bestrahlung mit Anregungslicht Fluoreszenz erzeugt, oder es kann sich um Abbildungsobjekte handeln, die nicht markiert sind und bezüglich Fluoreszenz betrachtet werden.

Die in der Zeichnung dargestellte Abbildungsvorrichtung hat einen solchen Aufbau, daß eine Beleuchtungslichtquelle 30 aus einer LED- Anordnung zum Erzeugen von Anregungslicht mit einer Mittenwellen­ länge von 470 nm zum Anregen des vorerwähnten fluoreszierenden Materials und zum Erzeugen von Fluoreszenz von oberhalb der Mikroti­ terplatte 100 auf diese Platte gegeben wird, wobei eine Abbildungsein­ richtung 10 zum gleichzeitigen Abbilden der Gesamtfläche dieser Platte 100 in einem Abstand von etwa 300 mm gegenüber der Platte 100 an­ geordnet ist. Ein Fluoreszenzfilter 40 zum Durchlassen der Fluoreszenz ist in der Nachbarschaft der Platte 100 zwischen der Abbildungseinrich­ tung 10 und der Platte 100 angebracht. In der Nachbarschaft der Platte 100 zwischen der Platte und der Abbildungseinrichtung 10 befindet sich eine Fresnel-Linse 50.

Die Abbildungseinrichtung 10 enthält einen Farb-CCD-Sensor 11, in welchem Bildaufnahmeelemente zweidimensional angeordnet sind, und ein Sammel- oder Kameraobjektiv 12 mit einer Brennweite von 20 mm. Außerdem ist eine Bildverarbeitungseinrichtung vorgesehen, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, jedoch an den CCD-Sensor 11 ange­ schlossen ist.

Die Mikrotiterplatte 100 besitzt eine Breite in seitlicher Richtung der Zeichnung von 130 mm und eine Tiefe für jede Mulde 110 von 11 mm bei einer Gesamtstärke von 14 mm. Die Fresnel-Linse 50 ist in einem Abstand von lediglich 0 bis 30 mm (bei einem Abstand von 0 mm be­ rührt sie die Oberseite der Platte) oberhalb der Platte 100 angeordnet ist. Die Brechkraft der Fresnel-Linse ist so beschaffen, daß die Linse Licht aus nahezu der gleichen Richtung wie der Tiefenrichtung der Mulden 110 von der Seite der Platte 100 auf den CCD-Sensor 11 über das Ab­ bildungsobjektiv 12 lenkt, wobei ihre Brennweite 290 mm beträgt. Die Beleuchtungslichtquelle 30 ist nicht auf die vorerwähnte LED-An­ ordnung und die Wellenlänge des Anregungslichts beschränkt. Die Wel­ lenlänge des Anregungslichts kann in einem Bereich von 400 bis 900 nm liegen, abhängig von dem anzuregenden fluoreszierenden Material. Anstelle der Beleuchtung der Gesamtfläche der Platte 100 in einem einmaligen Vorgang kann man auch mit Abtastungslicht arbeiten.

Im folgenden wird die Arbeitsweise dieser Vorrichtung näher erläutert.

Zunächst wird die Mikrotiterplatte 100 mit den darauf in den einzelnen Mulden 110 aufgenommenen Abbildungsobjekten 200 an einer vorbe­ stimmten Stelle der in Fig. 1 gezeigten Abbildungsvorrichtung plaziert, und auf die so eingestellte Platte 100 wird aus der Beleuchtungslicht­ quelle 30 Anregungslicht mit einer Mittenwellenlänge von 470 nm auf­ gestrahlt.

Das auf die Platte 100 gestrahlte Anregungslicht bestrahlt die in den einzelnen Mulden 110 der Platte 100 aufgenommenen Abbildungsobjekte 200, und von diesen Abbildungsobjekten 200 emittieren solche Abbil­ dungsobjekte, die mit einem fluoreszierenden Material vorbehandelt wurden, aufgrund der Anregung durch das Beleuchtungslicht Fluores­ zenz. Andererseits emittieren die nicht mit Fluoreszenzmaterial markier­ ten Abbildungsobjekte 200 auch bei Bestrahlung mit dem Anregungslicht keine Fluoreszenz.

Die aus den Mulden 110 austretende Fluoreszenz tritt in die Fresnel- Linse 50 ein, wird von dieser Fresnel-Linse 50 gebrochen, durchläuft das Fluoreszenzfilter 40, wird von dem Aufnahme- oder Kameraobjektiv 12 weiter gebrochen, fällt auf den CCD-Sensor 11 und wird photoelek­ trisch detektiert. Von den Oberflächen der Platte 100 und den Abbil­ dungsobjekten 200 reflektiertes Anregungslicht wird ebenfalls aus jeder Mulde 110 emittiert, von der Fresnel-Linse 50 genauso wie die Fluo­ reszenz gebrochen, um auf die Abbildungseinrichtung gelenkt zu werden, allerdings wird es von dem Fluoreszenzfilter 40 gesperrt, so daß es nicht auf den CCD-Sensor 11 fällt.

Im Ergebnis detektieren nur solche Sensorelemente Fluoreszenz, die den Mulden 110 entsprechen, welche von sämtlichen Mulden 110 Fluores­ zenz emittieren. Da der Parallaxenfehler in dem auf den CCD-Sensor 11 fallenden Fluoreszenzlicht durch die Fresnel-Linse 50 beseitigt ist, wird auch Fluoreszenz aus den Mulden 110 am Rand der Platte 100, die gegen die Innenwand der jeweiligen Mulden 110 geworfen und dort reflektiert wird, nicht fehlerhaft als von anderen Mulden 110 emittierte Fluoreszenz erfaßt.

Wie oben erläutert, wird durch die Abbildungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform aus den Mulden 110 am Rand der Platte 100 emittierte Fluoreszenz in der gleichen Weise abgebildet wie Fluoreszenz aus den Mulden 110 in der Mitte der Platte, so daß Bildinformation für eine genaue Bildanalyse ohne Parallaxenfehler gewonnen wird.

Die durch diese Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung gewonnene Bildinformation wird verschiedenen Bildverarbeitungsprozessen unter­ zogen, darunter eine Abschattungskorrektur, die mit Hilfe einer nicht dargestellten Bildverarbeitungsvorrichtung durchgeführt wird.

Außerdem läßt sich diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung zum Abbilden von Objekten 200 in Verbindung mit Chemilumineszenz oder Biolumineszenz ohne Anregungslicht reali­ sieren. Werden als Abbildungsobjekte 200 solche Objekte verwendet, wird bevorzugt, den in Fig. 3 dargestellten Aufbau zu verwenden, bei dem die Beleuchtungslichtquelle 30 zum Emittieren von Anregungslicht ebenso wie das Fluoreszenzfilter 40 fehlt.

Fig. 4 ist eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Abbildungsvorrichtung. Diese Ausführungsform dient für solche Abbildungsobjekte, bei denen eine Bildanalyse bezüglich Dichte und Farbe erfolgen soll.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Abbildungsvorrichtung ist eine Durch­ lichtquelle 20 als Quelle zum Abgeben von weißem Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 700 nm von unterhalb der Mikrotiterplatte 100 vorgesehen anstelle der bei der anderen Ausführungsform vorhandenen Lichtquelle 30 und des Fluoreszenzfilters 40. Soll die Bildanalyse auf der Grundlage einer spezifischen Farbe der Abbildungsobjekte 200 erfol­ gen, so kann man ein entsprechendes Filter einfügen, welches lediglich diese spezielle Farbe durchläßt.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ab­ bildungsvorrichtung ist im wesentlichen die gleiche wie bei der Aus­ führungsform nach Fig. 1. Während bei der Ausführungsform nach Fig. 1 das von den Abbildungsobjekten 200 emittierte Licht Fluores­ zenz ist, die durch die nach unten gestrahlte Beleuchtungsquelle 30 angeregt wird, ist bei dieser Ausführungsform die Arbeitsweise praktisch die gleiche, nur daß das von den Abbildungsobjekten 200 emittierte Licht weißes Licht ist, welches von der Durchlichtquelle 20 unterhalb der Platte 100 kommt und durch die Abbildungsobjekte 200 gelangt. Da bei der Abbildungsvorrichtung sämtliche oben erläuterte Ausfüh­ rungsformen die Abbildungsobjekte in der eine gewisse Dicke aufwei-, senden Mikrotiterplatte aufgenommen sind, besitzen sie in Belichtungs­ richtung eine gewisse Tiefe. Zusätzlich dazu ist der Einsatz für die Elektrophorese unter Verwendung eines Elektrophorese-Gels mit einer Dicke von 3 mm oder darüber möglich. Auch wenn die Abbildungs­ objekte eine Tiefe in Dickenrichtung (Belichtungsrichtung) des Gels haben, können sie in der gleichen Weise günstig abgebildet werden.

Claims (3)

1. Abbildungsvorrichtung zum Abbilden eines Probenträgers (100) mit mehreren abzubildenden Objekten (200), die senkrecht zu der Ebene, in der sie angeordnet sind, eine Tiefenrichtung aufweisen, mit einer Ab­ bildungseinrichtung (10) an einer von dem Probenträger (100) beabstan­ deten Stelle, wobei eine Einzel-Linse (50) mit einer von dem Abstand zwischen dem Probenträger und der Abbildungseinrichtung abhängigen Brechkraft an einer Stelle in der Nachbarschaft des Probenträgers (100) zwischen diesem Probenträger und der Abbildungseinrichtung (10) an­ geordnet ist, so daß Licht in nahezu der gleichen Richtung wie die Tiefenrichtung auf die Abbildungsfläche der Abbildungseinrichtung fokussiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einzel-Linse eine Fresnel- Linse ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Probenträger eine Mikrotiterplatte (100) ist.