DE3810639C2 - Durchlichtmikroskopanordnung zur optoelektronischen Fourieranalyse - Google Patents
Durchlichtmikroskopanordnung zur optoelektronischen FourieranalyseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Durchlichtmikroskopanordnung zur optoelektronischen
Fourieranalyse von Objektvorlagen. Sie ist besonders geeignet zur automatischen
Objektklassifizierung von Objekten in Mikropräparaten, so z. B. zur Blutbildanalyse,
Metaphasenplattensuche, für Aufgaben des Gewässer- und Umweltschutzes usw.
Auf dem Gebiet der biologischen und medizinischen Wissenschaften hat die
automatische Bildverarbeitung von Mikroskopbildern zunehmend an Bedeutung
gewonnen. Auf dem internationalen Markt sind eine Reihe automatisierter Mikroskope
mit elektronischer Bildverarbeitung präsent.
Auch in der Fachliteratur wurden in zunehmenden Maße
Anordnungen und Verfahren zur kohärent-optischen Fouriertransformation für die
Bildverarbeitung von Mikroskopbildern beschrieben. Trotz der teilweise nachgewiesenen
guten Klassifikationsergebnisse (wie z. B. bei der Methaphasenplattensuche)
hat sich die kohärent-optische Mikroskopanalyse bislang nicht in technischen
Mikroskopen durchgesetzt.
Die zwei wesentlichen Gründe dafür sind in dem großen
gerätetechnischen Aufwand für die kohärent-optische Bildverarbeitung und in der
Notwendigkeit der Unterdrückung bzw. Minimierung des entstehenden kohärenten
Rauschens zu suchen (GB 1409731, US 3 482 102).
Neben den kohärent-optischen Bildverarbeitungsprozessen haben die inkohärent-op
tischen Lösungen zunehmend an Bedeutung gewonnen (GB 12 81 075, US 32 88 018,
US 33 90 257). Die vorgeschlagenen Anordnungen kommen allerdings nicht
ohne einen erheblichen optischen Aufwand aus, erfordern teilweise einen erheblichen
mathematischen Aufwand zur elektronischen Nachverarbeitung oder sind nur auf
eindimensionale Objektvorlagen sinnvoll anwendbar.
In der DE 35 38 413 A1 wird eine Anordnung zur Auswertung zweidimensionaler
Objektvorlagen mittels optischer Fourieranalyse auf Basis einer sogenannten
inkohärenten strukturzonalen Auswertung vorgeschlagen, die eine optische
Fourieranalyse mittels inkohärentem Beleuchtungsstrahl vorgegebener Form und Fläche
beschreibt, wobei ein Einzelempfänger in der Ortsfrequenzebene eines Fourierobjektivs,
die zugleich eine Objektebene für die Abbildung des Ausgangs der Beleuchtungseinheit
darstellt, angeordnet ist. Diese Anordnung zur Auswertung zweidimensionaler
Bildvorlagen ist dazu geeignet, als kompletter "Bildverarbeitungsmodul" an übliche
Mikroskope angesetzt oder als separate Auswertestation für Fotoaufnahmen von den
Mikropräparaten genutzt zu werden, wobei für die Ankopplung eines Ergänzungs
moduls zusätzlich ein Bildwandler und weitere technische Mittel, die das reelle,
vergrößerte Bild des Mikropräparates in die Ebene des Bildwandlers abbilden,
notwendig sind. Eine Möglichkeit zur visuellen Betrachtung des Mikropräparates - wie in
der Mikroskopie üblich und von den Anwendern automatisierter Mikroskope gefordert -
wäre aber in einer solchen Anordnung nicht mehr gegeben.
Weiterhin ist aus der DE 34 09 657 A1 eine Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung für
Mikroskope bekannt geworden, die sich mit einer modifizierten Auflichtmikroskopie
variante beschäftigt, mit der in Richtung des Beleuchtungsstrahlenbündels azimutal zum
Objekt einstellbar ist. Dabei werden mittels einer zwischen Lichtquelle und Kondensor
angeordneten Sektorblende quasikontinuierlich einzelne Sektoren des ringförmigen
Strahlenbündels ausgeblendet, so daß zwei diametral gegenüberliegende
Strahlenbündel, deren Breite variabel ist, erzeugt und zur Optimierung des
Signalrauschverhältnisses an das zu untersuchende Objekt angepaßt werden. Wegen
der Vorschrift der diametral gegenüberliegenden Teilstrahlenbündel und ihrer
azimutalen Ausrichtung ist eine Verwendung dieser Art einer strukturierten Beleuchtung
jedoch nur für die Auflichtmikroskopie zum effektiveren Nachweis von Kanten geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikroskopanordnung anzugeben, die
unter Ausnutzung des Grundaufbaus und der optischen Baugruppen von kommerziell
verfügbaren Mikroskopen eine inkohärente optoelektronische Fourieranalyse bei
gleichzeitiger visueller Betrachtung der vergrößerten Abbildung der Objektvorlage
ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit einer Durchlichtmikroskopanordnung gemäß
Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhaft wird im Falle der Ausbildung der Blenden als Flüssigkristalldisplay dem
Flüssigkristalldisplay ein Polarisator vor- und ein Analysator nachgeordnet.
Bei breitbandigem Licht der Lichtquelle ist es günstig, ein Farbfilter zur
Kontrasterhöhung dem Polarisator vorzuordnen.
Wird statt eines Flüssigkristalldisplays eine Blendenplatte als sehr einfache Variante der
Erzeugung einer Leuchtzone verwendet und die Leuchtzone in ihrer Größe, Form
oder/und Lage zeitlich nacheinander durch Austausch von Blendenplatten oder
Bewegung der Blendenplatte gegenüber der optischen Achse erzeugt, erweist es sich
als vorteilhaft, daß die Blendenplatte zur visuellen Betrachtung der Objektvorlage aus
dem Strahlengang herausnehmbar ist, um die Objektvorlage ausreichend stark zu
beleuchten.
Zur Realisierung der Leuchtzonen durch einen flächigen Eigenstrahler wird zweckmäßig
ein Elektrolumineszenzdisplay eingesetzt, dessen Lumineszenzflächen wahlweise
angesteuert werden.
Soll zur inkohärenten optoelektronischen Fourieranalyse nur ein Teil der Objektvorlage
wirksam werden, ordnet man vorteilhaft eine Tubusblende in einer zur Objektebene
konjugierten Ebene vor der dem Empfängerelement vorgeordneten Linse an.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn dem Empfängerelement eine Lochblende direkt
vorgeordnet ist, wodurch die wirksame Fläche des Empfängerelements durch die
Blendenöffnung genau festgelegt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Durchlichtmikroskopanordnung wird einerseits die
Objektvorlage in bekannter Weise vergrößert abgebildet, so daß sie zur visuellen
Betrachtung zur Verfügung steht. Andererseits wird eine in der Aperturblendenebene
des Kondensors angeordnete Leuchtzone, die entweder durch einen innerhalb seiner
Fläche strukturierten Eigenstrahler oder durch eine beleuchtete Blende mit
unterschiedlich wählbarer Lichtdurchlaßöffnung erzeugt wird, auf ein
optoelektronisches Empfängerelement abgebildet. Die auf das Empfängerelement
treffende Lichtmenge liefert einen Meßwert, der beeinflußt wird durch die Größe,
Fläche und Lage der Leuchtzone sowie durch das Beugungsverhalten der Mikroobjekte
in der Objektvorlage. Mehrere Messungen bei Verwendung von Leuchtzonen
unterschiedlicher Größe, Form oder/und Lage liefern eine Meßreihe, die als Träger der
Objektinformation eine Klassifikation und Identifikation von Mikroobjekten in der
Objektvorlage erlaubt.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ausschließlich mikroskoptypische
optische Bauelemente und -gruppen verwendet werden, kein zusätzliches Fourier
transformationsobjektiv und kein gesonderter Bildwandler notwendig sind, um eine
inkohärente optoelektronische Fourieranalyse zu realisieren. Die Beleuchtungs
einrichtung und der Hauptteil der optischen Baugruppen werden sowohl für die
Abbildung zur visuellen Betrachtung, als auch für die Durchführung der optischen
Fourieranalyse genutzt, so daß ein mit der erfindungsgemäßen Anordnung realisiertes
Gerät die Größe eines herkömmlichen Durchlichtmikroskopes kaum überschreitet.
Insbesondere können herkömmliche Polarisationsmikroskope auf einfache Weise
nachgerüstet werden, indem einer vorhandenen Bertrandlinse die neue Funktion einer
permanent genutzten Linse vor dem optoelektronischen Empfängerelement zugeordnet
wird.
Nachfolgend soll anhand von drei Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert
werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: eine erfindungsgemäße Durchlichtmikroskopanordnung mit einer Blenden
platte, die mit ihrer Lichtdurchlaßöffnung eine Leuchtzone definiert,
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Flüssigkristalldisplay als
elektrisch steuerbare Blende,
Fig. 3: eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem flächigen Eigenstrahler als
Beleuchtungseinheit in der Aperturblendenebene des Mikroskopes,
Fig. 4: eine Beleuchtungseinheit mit einer Blendenplatte, die eine keilförmige
Leuchtzone mit veränderlicher Lage realisiert.
Die in Fig. 1 dargestellte Durchlichtmikroskopanordnung umfaßt eine Lichtquelle 1
beliebiger Art, einen Kollektor 2, eine Blendenplatte 3, die in der Brennebene eines
Kondensors 4 steht, eine Objektvorlage 5, ein Objektiv 6, einen Strahlteiler 7, der das
aus dem Objektiv 6 austretende Strahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel aufspaltet,
sowie ein Okular 8, dessen optische Achse mit dem Achsstrahl des einen
Teilstrahlenbündels zusammenfällt und eine Linse 9 auf der Achse des anderen
Teilstrahlenbündels, der ein Empfängerelement 10 nachgeordnet ist. Das
Empfängerelement 10 steht dabei in einer konjugierten Ebene zur Blendenplatte 3. Die
von der Lichtquelle 1 kommende Strahlung beleuchtet die Objektvorlage 5, welche über
das Objektiv 6, den Strahlteiler 7 und das Okular 8 visuell betrachtbar ist. Zum Zweck
der inkohärenten optoelektronischen Fourieranalyse erfolgt eine Abbildung der
Blendenplatte 3, die als Aperturblende wirkt, über den Kondensor 4, das Objektiv 6, den
Strahlteiler 7 und die Linse 9 auf das Empfängerelement 10. Die auf das
Empfängerelement 10 treffende Lichtmenge wird bestimmt durch die Struktur und die
Transparenz der einzelnen Mikroobjekte in der Objektvorlage 5 und die Größe, Form
oder/und Lage der Leuchtzone der Blendenplatte 3.
Um eine objekttypische Meßreihe zu erhalten, werden verschiedene Blendenplatten 3 in
den optischen Strahlengang gebracht, oder man ändert ihre Lage bezüglich der
optischen Achse. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Blendenplatte 3 eine
geschwärzte Platte mit einer ringförmigen transparenten Leuchtzone.
Entsprechend der Anzahl der gewünschten Meßwerte werden nacheinander Blenden
platten 3 mit unterschiedlichen Durchmessern der transparenten Strukturzonen in den
optischen Strahlengang eingebracht. Es sind auch beliebige andere Leuchtzonenformen
geeignet. Als besonders vorteilhaft bietet sich eine keilförmige Leuchtzone an (Fig. 4).
Hier kann man beliebig viele Meßwerte erhalten allein durch die schrittweise Drehung
der Blendenplatte 3 um die optische Achse. Zur visuellen Betrachtung wird die Blenden
platte 3 zweckmäßigerweise aus dem Strahlengang herausgenommen.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier wird als Blende keine
Blendenplatte 3 wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet, sondern ein
Flüssigkristalldisplay 11, bei dem die angesteuerten Flüssigkristallzonen die
Polarisationsebene des Lichtes um 90° drehen. Dadurch erspart man sich den
Fertigungsaufwand für verschiedene Blendenplatten 3. Zusätzlich zu den im ersten
Ausführungsbeispiel beschriebenen Bauelementen und -gruppen, die hier in gleicher
Weise angeordnet sind, ist das Einfügen eines Polarisators 1 3 vor und eines Analysators
14 hinter dem Flüssigkristalldisplay 11 erforderlich. Stehen der Polarisator 13 und der
Analysator 14 senkrecht zueinander, so wird die durch die angesteuerten Elemente des
Flüssigkristalldisplays 11 erzeugte Lichtdurchlaßöffnung auf dem Empfängerelement 10
abgebildet. Das durchgelassene Strahlenbündel beleuchtet außerdem die Objektvorlage
5 für die visuelle Betrachtung. Ist diese Beleuchtung zur visuellen Betrachtung
unzureichend, kann z. B. durch Abschalten des Flüssigkristalldisplays 11 und
Parallelstellung des Polarisators 13 und Analysators 14 zueinander oder durch
Ausschwenken des Polarisators 13 oder/und des Analysators 14 aus dem Strahlengang,
die gesamte, über den Kollektor 2 abgebildete Lichtmenge zur Beleuchtung genutzt
werden.
Der gleiche Effekt wird erzielt bei Senkrechtstellung des Polarisators 13 zum Analysator
14 und der Ansteuerung des gesamten Flüssigkristalldisplays 11. Die visuelle
Betrachtung der Objektvorlage 5 ist dann nicht zeitgleich mit der optoelektronischen
Fourieranalyse möglich.
Verwendet man zur Beleuchtung eine Lichtquelle 1 mit großer Bandbreite, ist es von
Vorteil z. B. vor den Polarisator 13 ein Farbfilter 12 anzuordnen, um einen höheren
Kontrast zu erzielen.
Das vorteilhafteste Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Im Gegensatz zu den in
Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispielen, wo die Beleuchtungseinheit eine
Lichtquelle 1, einen Kollektor 2 und eine strukturierte Blende umfaßt, stellt die
Beleuchtungseinheit hier ein Elektrolumineszenzdisplay 15 dar, das in der Brennebene
des Kondensors 4 angeordnet ist. Die nachfolgenden Bauelemente und -gruppen, das
sind der Kondensor 4, die Objektvorlage 5, das Objektiv 6, der Strahlteiler 7, das Okular
8, die Linse 9 und das Empfängerelement 10 sind in bereits beschriebener Weise
angeordnet. Zusätzlich befindet sich eine Tubusblende 16 in einer Bildebene der
Objektvorlage 5, der Linse 9 unmittelbar vorgeordnet. Mit ihr ist es möglich, die
Abbildung so abzuschatten, daß nur ein bestimmter Ausschnitt der Objektvorlage 5 den
optoelektronischen Meßwert bestimmt. Das ist z. B. dann sinnvoll, wenn die
Objektvorlage 5 mehrere gleiche Objekte beinhaltet, die identifiziert bzw. klassifiziert
werden sollen.
Eine weitere Blende 17 ist dem Empfängerelement 10 direkt vorgeordnet. Dadurch läßt
sich die wirksame Fläche des Empfängerelements 10 genau festlegen. Zum Beispiel wird
diese Fläche bei der Verwendung einer Lochblende auf einen winzigen Kreis auf der
optischen Achse der Mikroskopanordnung begrenzt, so daß die Größe der
Integrationszone im Fourierspektrum, aus der der empfangene Meßwert resultiert,
ausschließlich durch Größe, Form oder/und Lage des Strahlenbündels in der
Aperturblendenebene bestimmt wird. Strahlenbündel unterschiedlicher Größe, Form
und/oder Lage werden zur Erlangung mehrerer Meßwerte durch die Ansteuerung
unterschiedlicher Lumineszenzflächen erreicht.
Bei einem auf unendlich korrigierten Objektiv 6 ist es notwendig, diesem eine Tubuslinse
18 nachzuordnen.
Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuer- und Auswerteelektronik synchronisiert
die Arbeitsweise des Elektrolumineszenzdisplays 15 und des Empfängerelements 10,
und wertet die erhaltene Meßreihe aus.
Die Auswertung ist für alle Ausführungsbeispiele gleich. Eine größere Anzahl von
Meßwerten führt bei der Objektklassifizierung zu einer höheren Sicherheit. Zur
Objektklassifizierung werden in der Auswerteeinheit die Meßwerte mit dort
abgespeicherten Werten von Musterobjekten verglichen, die zuvor aus der gleichen
Folge von in Form, Größe sowie Lage gegenüber der optischen Achse variierten
Leuchtzonen gewonnen wurden.
Die Auswertung erfolgt in der gleichen Weise wie bei den bekannten Anordnungen zur
kohärenten optoelektronischen Fourieranalyse, allerdings mit dem Unterschied, daß die
integralen Meßwerte seriell anfallen und dieser Sachverhalt entsprechend berücksichtigt
werden muß, ggf. durch Zwischenspeicherung. Prinzipiell wird jedoch nach den von
CASASENT, D., und SHARMA, V., in der Veröffentlichung "Fourier-Transform Feature-
Space Studies" (Proceedings of SPIE; Vol. 440, Nov. 1983, pp. 2-8), vorgestellten
Auswertemethoden verfahren.
Bezugszeichenliste
1 Lichtquelle
2 Kollektor
3 Blendenplatte
4 Kondensor
5 Objektvorlage
6 Objektiv
7 Strahlteiler
8 Okular
9 Linse
10 Empfängerelement
11 Flüssigkristalldisplay
12 Farbfilter
13 Polarisator
14 Analysator
15 Elektrolumineszenzdisplay
16 Tubusblende
17 Lochblende
18 Tubuslinse
2 Kollektor
3 Blendenplatte
4 Kondensor
5 Objektvorlage
6 Objektiv
7 Strahlteiler
8 Okular
9 Linse
10 Empfängerelement
11 Flüssigkristalldisplay
12 Farbfilter
13 Polarisator
14 Analysator
15 Elektrolumineszenzdisplay
16 Tubusblende
17 Lochblende
18 Tubuslinse
Claims (8)
1. Durchlichtmikroskopanordnung zur optoelektronischen Fourieranalyse,
- - mit einer auf der optischen Achse angeordneten Beleuchtungseinheit, einer Objektvorlage (5) mit zu untersuchenden Mikroobjekten und einem Objektiv (6),
- - mit einer in die Beleuchtungseinheit integrierten, inkohärenten Lichtquelle (1), welche die Objektvorlage (5) über einen Kondensor (4) homogen ausleuchtet,
- - wobei die Beleuchtungseinheit in der dem Kondensor (4) vorgeordneten Aperturblendenebene Leuchtzonen aufweist, die
- - entweder durch von- der Lichtquelle (1) beleuchtete Blenden (3, 11), die Lichtdurchlaßöffnungen mit unterschiedlicher Form und/oder Fläche besitzen,
- - oder durch einen flächigen Eigenstrahler (15) mit ansteuerbaren Strahlerzonen unterschiedlicher Form und/oder Fläche definiert und aufeinanderfolgend aktivierbar sind, und
- - mit einem einzelnen, auf der Objektivachse konjugiert zu der Aperturblen denebene angeordneten Empfängerelement (10), das für jede Leuchtzone einen Meßwert der Objektvorlage (5) registriert und bei aufeinanderfolgender Aktivierung unterschiedlicher Leuchtzonen eine Meßreihe erzeugt,
- - wobei eine unbekannte Objektvorlage (5) durch Vergleich von Meßreihen dieser unbekannten Objektvorlage (5) mit Meßreihen von Mustervorlagen rechnerisch klassifizierbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß dem Objektiv (6) ein Strahlteiler (7) nachgeordnet ist, der das von der Leuchtzone kommende und an der Objektvorlage (5) gebeugte Licht in Transmission zu einer dem Empfängerelement (10) vorgeordneten Linse (9) passieren läßt, in deren Brennebene das Empfängerelement (10) angeordnet ist, und der Licht zur visuellen Beobachtung der Objektvorlage in Reflexion zu einem Okular (8) auskoppelt, und
- - daß die Leuchtzonen außerhalb der optischen Achse liegen und
- - entweder im Fall ihrer Erzeugung mittels Blenden
- - die Blenden (3) als Blendenplatten in den Beleuchtungsstrahlengang der Beleuchtungseinheit einschiebbar oder schrittweise um die optische Achse rotierbar sind, oder
- - als Flüssigkristalldisplay (11), bei dem einzelne Bereiche als Lichtdurchlaßöffnungen gezielt transparent schaltbar sind, ausgebildet sind
- - oder im Fall ihrer Erzeugung mittels eines flächigen Eigenstrahlers (15) als einzelne Strahlerzonen gezielt einschaltbar sind.
2. Durchlichtmikroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im Fall einer Ausbildung der Blenden als Flüssigkristalldisplay (11) dem
Flüssigkristalldisplay (11) ein Polarisator (13) vor- und ein Analysator (14)
nachgeordnet ist.
3. Durchlichtmikroskopanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Polarisator (13) ein Farbfilter (12) zur Kontrasterhöhung vorgeordnet
ist.
4. Durchlichtmikroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blendenplatten (3) zur visuellen Betrachtung der Objektvorlage aus dem
Strahlengang herausnehmbar sind.
5. Durchlichtmikroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Eigenstrahler als Elektrolumineszensdisplay (15) ausgebildet ist, dessen
Lumineszenzflächen wahlweise ansteuerbar sind.
6. Durchlichtmikroskopanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet,
daß vor der dem Empfängerelement (10) vorgeordneten Linse (9) eine zur
Objektebene konjugiert liegende Tubusblende (16) angeordnet ist.
7. Durchlichtmikroskopanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet,
daß dem Empfängerelement (10) eine Lochblende (17) direkt vorgeordnet ist.
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