DE602004003638T2

DE602004003638T2 - Konfokales Mikroskop

Info

Publication number: DE602004003638T2
Application number: DE602004003638T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Kei; Kenji Hachiya; Kenta Mikuriya
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: EP1498759A3; EP1498759B1; US20050012989A1; DE602004003638D1; US6982824B2; EP1498759A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein dreidimensionales konfokales Mikroskopsystem und genauer gesagt auf Verbesserungen, die durchgeführt wurden, um konsistente konfokale Scheiben-Bilder (sliced confocal images) von Proben zu erhalten.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Mit einem konfokalen Mikroskop ist es möglich, Scheiben-Bilder einer Probe zu erhalten, ohne die Probe in kleine Segmente zu Zerteilen, und ein genaues dreidimensionales Bild aus diesen Scheiben-Bildern aufzubauen. Als Ergebnis wird das konfokale Mikroskop für physiologische Reaktionsbeobachtung oder für morphologische Beobachtung von lebenden Zellen auf den Gebieten der Biologie und Biotechnologie oder für die Oberflächenbeobachtung von LSI-Vorrichtungen in dem Halbleitermarkt (sh. beispielsweise Patentdokument 1) verwendet.
Es sei bemerkt, dass in einigen Fällen bei diesen Probenobservationsmodi ultratiefe Bilder (auch als omnifokale Bilder bezeichnet) mit richtiger Fokussierung über die Proben erforderlich sind. In diesen Fällen werden zuerst mehrere Scheiben-Bilder an den jeweiligen Fokuslagen der Probe erhalten, dann werden die Bilder einer Bildverarbeitung zur Synthese unterzogen, so dass schließlich ein ultratiefes Bild erhalten wird (sh. beispielsweise das Nicht-Patentdokument 1).

Patentdokument 1 Japanische offengelegte Patentanmeldung 2002-72102
Nicht-Patentdokument 1 Ein Katalog, der das VK-9500 ultratiefe 3D-Farbbildgebungs/Formmessmikroskop von Keyence Corporation vorstellt (nachgeprüft bei der folgenden URL durch eine Internetsuche am 14. August 2003) <URL:http://www.keyence.co.jp/microscope/product/VK9500/index.html>

1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration des in dem Patentdokument 1 beschriebenen konfokalen Mikroskops darstellt.
Eine Video-Rate-Kamera 1, ein konfokaler Scanner 2, ein Mikroskop 3, ein Aktuator 4 und eine Objektivlinse 5 sind alle auf der gleichen optischen Achse ausgerichtet. Der konfokale Scanner 2 umfasst eine Nipkow-Platte mit einer Vielzahl von Lochblenden und ein dieser Platte zugeordnetes Mikrolinsen-Array. Der konfokale Scanner ist somit vom Compact-Add-on-Typ, der aus einem einfachen optischen System zusammengesetzt ist, das das Nipkow-Plattenverfahren benutzt.
Dieser konfokale Scanner 2 ist am Kameraanschluss des Mikroskops 3 angebracht. Mit Laserlicht gibt das konfokale Mikroskop Bilder der Probe durch die Objektivlinse 5, den Aktuator 4 und das Mikroskop 3 in den konfokalen Scanner 2 aus. Der konfokale Scanner 2 empfängt konfokale Bilder der Probe und gibt sie in eine Video-Kamera (video rate camera) 1 ein.
2 ist ein Timing-Diagramm verschiedener Signale, mit denen das in 1 dargestellte konfokale Mikroskop umgeht. Die Video-Kamera 1 wandelt die konfokalen Bilder in das Videosignal 101 um und gibt das Signal in die Signaleingangsanschlüsse des konfokalen Scanners 2 und der Synchronisierungs-Schnittstellenbox 9 und in den Video- Eingangsanschluss der Bildverarbeitungseinheit 6 ein. Der konfokale Scanner 2 ist für die Rotations-Synchronisationssteuerung der Nipkow-Platte synchron mit dem Videosignal 101 verantwortlich.
Bei einer Anwendung, bei der ein Videobanddeck bei der Bildverarbeitungseinheit 6 benutzt wird, zeichnet das Videobanddeck gleichzeitig sowohl das Videosignal 101, das von dem Video-Eingangsanschluss eingegeben wird, als auch das Startsignal 103, das von dem Audio-Eingangsanschluss eingegeben wird, auf einem Longplay-Videoband auf. Auf dem Videoband werden konfokale Bilder in einem Echtzeitvariationszustand und die Timings, um das Abtasten der Fokuslagen der Objektivlinse 5 zu starten, gleichzeitig aufgezeichnet.
Die Synchronisations-Schnittstellenbox 9 wählt entweder den geradzahligen Impulszug oder der ungeradzahligen Impulszug des Videosignals 101 aus, um ein internes Signal A zu erzeugen. Ein Generator für beliebigen Signalverlauf 7 erzeugt ein Triggersignal 102, das ein Impulssignal im H-Zustand ist, und gibt dann das Triggersignal in den Triggereingangsanschluss der Synchronisations-Schnittstellenbox 9 ein, so dass das Triggersignal für das Timing verwendet wird, um das Abtasten der in Frage kommenden Brennebene zu starten.
Die Synchronisations-Schnittstellenbox 9 erzeugt ein internes Signal B synchron mit den abfallenden Flanken des Triggersignals 102. Dieses interne Signal B umfasst eine Impulsbreite im H-Zustand von ungefähr 35 ms, was geringfügig breiter als durch den Videotakt der Video-Kamera 1 festgelegt wird. Die Synchronisations-Schnittstellenbox 9 erzeugt das Startsignal 103 durch Durchführen einer logischen UND-Operation an dem invertierten Signal des internen Signals A und internen Signals B und gibt das Startsignal in die Synchronisations-Eingangsanschlüsse der Bildverarbeitungseinheit 6 und des Generators für beliebigen Signalverlauf 7 ein.
Die Bildverarbeitungseinheit 6 beginnt eine Bilderfassung, bei der das Videosignal 101 in Bilddaten umgewandelt und synchron mit der ansteigenden Flanke des Startsignals 103 aufgezeichnet wird, das durch den Synchronisations-Eingangsanschluss eingegeben wird. Gemäß dem durch den Signal-Eingangsanschluss eingegebenen Videosignal 101 synchronisiert die Synchronisations-Schnittstellenbox 9 die gesamte Rotationssynchronisationssteuerung der Nipkow-Platte für den konfokalen Scanner 2, das Timing für die Bildverarbeitungseinheit 6, um mit dem Erhalten von Videosignalen zu beginnen, und das Timing für das optische Steuersystem, um mit dem Abtasten der Fokuslagen der Objektivlinse zu beginnen. Der Generator für beliebigen Signalverlauf 7 beginnt das Abtasten der Fokuslagen der Objektivlinse 5 synchron mit der ansteigenden Flanke des Startsignals 103 unter Verwendung des optischen Steuersystems. Außerdem erzeugt der Generator für beliebigen Signalverlauf 7 das Abtastsignal 104 und gibt es in den Controller 8 ein. Das Abtastsignal 104 ist ein Sägezahnsignal, das linear von einem L-Zustand in einen H-Zustand über eine vorgegebene Zeitspanne ansteigt. Der Controller 8 gibt das Abtastsignal 104 in den Aktuator 4 ein. Das Aktuatorpositionssignal 105 ist das Positionssignal eines tatsächlichen Aktuators, der nach vollständigem Anstieg auf den ursprünglichen Pegel in einen Zug zurückfällt, worauf ein Überschwingen folgt, wobei die Periode des Überschwingens einem Totband entspricht.
Der Aktuator 4 ist zwischen dem Objektivlinsenrevolver des Mikroskops 3 und der Objektivlinse 5 installiert. Die Länge des Aktuators 4 in der Brennpunktrichtung der Bilder wird durch den piezoelektrischen Antrieb proportional zu dem Pegel des Abtastsignals 104 geändert, um die Fokuslage der Objektivlinse 5 zu steuern. Das konfokale Mikroskop erhält Scheiben-Bilder der Probe durch Abtasten der Fokusebene davon gemäß dem Abtastsignal 104.
Gemäß der oben beschriebenen Systemkonfiguration werden die Rotationssynchronisationssteuerung der Nipkow-Platte, das Timing für die Bildverarbeitungseinheit, um mit dem Erhalten von Videosignalen zu beginnen, und das Timing für das optische Steuersystem, um mit dem Abtasten der Fokuslagen der Linse zu starten, alle mit dem Videosignal synchronisiert. Folglich nimmt die Positionsgenauigkeit der konfokalen Bilder zu, wodurch Variationen in der Zeit beseitigt werden, die benötigt wird, um jedes Scheiben-Bild zu erhalten, wenn mehrere Scheiben-Bilder erhalten werden, und sehr zuverlässige Scheiben-Bilder werden bereitgestellt.
Bei dem herkömmlichen konfokalen Mikroskop wird jedoch eine Rampenwelle (rechteckige Dreieckwelle) als der Abtastsignalverlauf für den Aktuator verwendet, um die Fokusebene der Objektivlinse abzutasten. Aus diesem Grund findet eine enorme Beschleunigung in dem Aktuator bei jedem Wendepunkt eines Signalverlaufs statt, und eine verlängerte Zeitspanne ist erforderlich, damit sich eine derartige Beschleunigung stabilisiert. Da genaue Bilder während dieser Stabilisierungszeit nicht erhalten werden können, wurde das herkömmliche konfokale Mikroskop dadurch behindert, dass die Anzahl von effektiven Bilder, die zur Beobachtung verwendet werden können, verringert wird.
Außerdem kann eine derartige enorme Beschleunigung zu Vibrationen bzw. Schwingung führen, und Resonanz kann auftreten, wenn die Schwingungsfrequenz mit der natürlichen Schwingungsfrequenz des Aktuators selbst und des Mikroskopgehäuses übereinstimmt. Dies würde zu dem Problem führen, dass die Oberflächen der Probe instabil werden und dadurch nicht korrekt beobachtet werden können.
Das JP 2002 072 102 offenbart ein konfokales Mikroskop, das ein Bild einer Probe in eine Video-Kamera durch eine Objektivlinse eingibt, und das einen Aktuator, ein Mikroskop und einen konfokalen Scanner umfasst. Die Video-Kamera gibt ein Videosignal in den konfokalen Scanner, eine synchrone Schnittstellenbox und eine Bildverarbeitungsvorrichtung ein. Ein Generator für beliebigen Signalverlauf erzeugt ein Triggersignal. Diese synchrone Schnittstellenbox gibt ein Startsignal, das basierend auf dem Videosignal und dem Triggersignal erzeugt wird, in die Bildverarbeitungsvorrichtung und den beliebigen Signalverlaufgenerator ein. Die synchrone Rotationssteuerung des konfokalen Scanners, das Start-Timing für die Videosignalerfassung durch die Bildverarbeitungsvorrichtung und das Start-Timing zum Abtasten des Brennpunkts bzw. Fokus der Objektivlinse sind vollständig synchronisiert.
Insoweit offenbart dieses Dokument ein Verfahren zum Erhalten von Scheiben-Bildern gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein dreidimensionales konfokales Mikroskop gemäß Anspruch 8 erreicht. Die abhängigen Ansprüche sind auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung gerichtet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines herkömmlichen konfokalen Mikroskops darstellt.
2 ist ein Timing-Diagramm von Signalen, die das in 1 dargestellte konfokale Mikroskop bewältigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des dreidimensionalen konfokalen Mikroskopsystems in Übereinstimmung mit der Erfindung darstellt.
4 ist ein Timing-Diagramm von Signalen in Übereinstimmung mit der Erfindung.
5 ist ein graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Abtastsignalverläufen und Beschleunigung darstellt.
6 ist eine graphische Darstellung, die Schrittsignalverläufe darstellt.
7 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Schrittsignalverläufen und Beschleunigung darstellt.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform des dreidimensionalen konfokalen Mikroskopsystems in Übereinstimmung mit der Erfindung darstellt.
9 ist ein weiteres Timing-Diagramm von Signalen in Übereinstimmung mit der Erfindung.
10 ist ein Timing-Diagramm für den Fall, dass die Periode einen Abtastsignalverlauf auf ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des vertikalen Synchronisationssignals eines Videosignals verlängert wird.
11 ist ein Blockdiagramm, das noch eine weitere Ausführungsform des dreidimensionalen konfokalen Mikroskopsystems in Übereinstimmung mit der Erfindung darstellt.
12 ist noch ein weiteres Timing-Diagramm von Signalen in Übereinstimmung mit der Erfindung.
13 ist ein Timing-Diagramm, das die Art und Weise darstellt, mit der die Beschleunigung eines Aktuators gesteuert wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird nachstehend ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
(Ausführungsform 1)
3 ist ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform des dreidimensionalen konfokalen Mikroskopsystems in Übereinstimmung mit der Erfindung darstellt. Es sei bemerkt, dass Elemente, die identisch mit jenen in den vorhergehenden Figuren gezeigten sind, genauso bezeichnet und von der Beschreibung ausgeschlossen werden.
In 3 bezeichnet die Nummer 10 einen Signalcontroller, die Nummer 11 eine Signalverlaufberechnungseinheit, die Nummer 12 einen Aktuatortreiber und die Nummer 20 eine Probe.
Der Signalcontroller 10 empfängt ein von der Video-Kamera 1 (hier nachstehend einfach als Kamera 1 bezeichnet) ausgegebenes Videosignal, gibt das Videosignal aus, wie es ist, während gleichzeitig vertikale Synchronisationssignale extrahiert werden, und erzeugt verschiedene Triggersignale entsprechend den vertikalen Synchronisationssignalen.
Der Generator für beliebigen Signalverlauf 7a erzeugt bei Empfang eines Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignals von dem Signalcontroller 10 eine Dreieckwelle oder Schrittwelle, die zuvor von der Signalverlauf- Berechnungseinheit 11 gesendet und gespeichert wurde, und sendet die Welle an den Aktuatortreiber 12.
Aus der Abtastperiode und dem Abtastabstand der optischen Achse der Objektivlinse 5, der angewendet wird, wenn die Probe 12 beobachtet wird, berechnet die Signalverlauf-Berechnungseinheit 11 eine Dreieckwelle oder Schrittwelle, wodurch es möglich ist, den Aktuator 4 und das Mikroskopgehäuse daran zu hindern, zu Schwingen. Die Signalverlauf-Berechnungseinheit gibt dann die Welle an den Generator für beliebigen Signalverlauf 7a als den Abtastsignalverlauf ein.
Der Aktuatortreiber 12 erzeugt ein Treibersignal zum Treiben des Aktuators 4 gemäß dem von dem Generator für beliebigen Signalverlauf 7a ausgegebenen Abtastsignalverlaufsignal.
Es sei hier bemerkt, dass der Block, der aus der Signalverlauf-Berechnungseinheit 11, dem Generator für beliebigen Signalverlauf 7a, dem Aktuatortreiber 12 und dem Signalcontroller 10 besteht, als ein Steuermittel bezeichnet wird.
Nun wird das Verhalten des wie oben konfigurierten, konfokalen Mikroskopsystems, mit Bezug auf das in 4 dargestellte Timing-Diagramm von Signalen beschrieben. Wenn das in 4A dargestellte Videosignal (das vertikale Synchronisationssignale trägt) von der Kamera 1 zu dem Signalcontroller 10 gesendet wird, sendet der Signalcontroller das Videosignal zu der Bildverarbeitungseinheit 6, wie es ist, während gleichzeitig vertikale Synchronisationssignale von dem Videosignal extrahiert und an den konfokalen Scanner 2 gesendet werden, der dann verschiedene Triggersignale, d.h. ein Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignal (4C) und ein Bilderfassungs-Triggersignal (4E), erzeugt.
Der Signalcontroller 10 sendet bei Empfang des in 4B dargestellten Bilderfassungsstartsignals das erste vertikale Synchronisationssignal, das angetroffen wird, nachdem das Bilderfassungsstartsignal auf L abgefallen ist, zu dem Generator für beliebige Signalverläufe 7a als das Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignal (4C), während gleichzeitig das vertikale Synchronisationssignal an die Bildverarbeitungseinheit 6 als das in 4E dargestellte Bilderfassungs-Triggersignal gesendet wird. Es sei bemerkt, dass das Bilderfassungsstartsignal ein Signal ist, das ein Bediener zu jeder gewünschten Zeit von einem Controller höherer Ordnung (beispielsweise einem Personalcomputer) in den Signalcontroller eingibt, und dass die Impulsbreite dieses Signal doppelt oder so breit oder noch breiter als die Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals ist.
Der Generator für beliebigen Signalverlauf 7a erzeugt bei Empfang des Abtastsignalverlauferzeugungs-Triggersignals von dem Signalcontroller 10 die in 4D dargestellte Dreieckwelle oder die in 4F dargestellte Schrittwelle, die zuvor von der Signalverlaufberechnungseinheit 11 eingegeben und gespeichert wurde, und sendet die Welle an den Aktuatortreiber 12.
Der Aktuator 4, der durch ein Treibersignal von dem Aktuatortreiber 12 angetrieben wird, tastet die Objektivlinse 5 in der optischen Achsenrichtung gemäß dem in 4D oder 4F dargestellten Signalverlauf ab. Die Bildverarbeitungseinheit 6 erhält kontinuierlich Scheiben-Querschnittsbilder der Probe 20 synchron mit diesem Abtasten.
Als nächstes werden Abtastsignalverläufe, die bei der Signalverlaufberechnungseinheit 11 erzeugt werden, nachstehend erläutert. 5 ist eine graphische Darstellung, die einen Vergleich zwischen dem herkömmlichen konfokalen Mikroskopsystem, das eine normale Dreieckwelle als den Abtastsignalverlauf der Objektivlinse verwendet (5A), und dem konfokalen Mikroskopsystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, das einen dreieckförmigen Signalverlauf (5B) verwendet, angibt. Es sei bemerkt, dass schwarze Punkte in diesen Figuren die Datenpunkte jeweiliger Signalverläufe sind.
Mit der normalen Dreieckwelle ändert sich der Betrag der Verschiebung an den Wendepunkten des Signalverlaufs drastisch. Folglich tritt ein hoher Beschleunigungswert in diesen Momenten auf, der dazu führt, dass Schwingungen verursacht werden. Im Gegensatz dazu wurde bei der Erfindung die Welle korrigiert, so dass der Betrag der Verschiebung durch quadratische Funktionen an Punkten dargestellt wird, bei denen die Signalverlaufänderung diskontinuierlich ist, d.h. den Wendepunkten des Signalverlaufs. Somit wurde die Welle umgeformt, so dass sie keine plötzlichen Beschleunigungsänderungen verursacht (die Größe der Beschleunigung ist niedrig und praktisch konstant).
Bei der Erfindung wurde das System ausgestaltet, so dass die nachstehende Bezugsgleichung (1) zwischen dem Abtasthub S der Objektivlinse, der Zeit T der nach unten gerichteten Steigung des dreieckförmigen Signals und der Beschleunigung a an den Wendepunkten gilt: a = S/T2 (1)wobei der Hub S eine Variable ist, die durch einen Beobachter eingestellt wird, und die Zeit T als ganzzahliges Vielfaches der Teilbild-Aufnahme-Rate der Kamera angenommen wird. Folglich wird die Verschiebung S an den Wendepunkten durch die folgende Gleichung angegeben und graphisch als der in 5B veranschaulichte Signalverlauf dargestellt.
Demgemäß ist es möglich, zu verhindern, das die Objektivlinse 5 und das Mikroskopgehäuse Vibrationen bzw. Schwingungen unterworfen werden; s = a·t2/2 (2)wobei t die abgelaufene Zeit ist.
6 ist eine vergleichende graphische Darstellung, bei der der Abtastsignalverlauf der Objektivlinse 5 als eine Schrittwelle festgelegt wird. 6A zeigt einen beim Stand der Technik verwendeten Signalverlauf, wohingegen 6B einen bei der Erfindung verwendeten Signalverlauf zeigt. Es sei bemerkt, dass die Teile des Signalverlaufs, bei dem das Signal von dem Vollhubpunkt zu dem Nullpunkt der Abtastung zurückkehrt, die gleichen sind, wie bei der in 5 dargestellten Dreieckwelle.
Im Fall der bei 6A veranschaulichten Schrittwelle ist die Größe der Beschleunigung aufgrund plötzlicher Änderungen in der Verschiebung hoch, wenn sich der Schritt ändert, was zu Schwingungen führt. Bei der in 6B in Übereinstimmung mit der Erfindung veranschaulichten Schrittwelle nimmt jedoch das Signal Formen an, die von den quadratischen Funktionen von Gleichung (2) resultieren, wobei sich der Schritt ändert. Somit sind die Änderungen sanft und glatt, wobei lediglich eine niedrige Beschleunigungsgröße beteiligt ist. Daher ist es auch im Fall von Schrittsignalverläufen möglich, zu verhindern, dass die Objektivlinse 5 und das Mikroskopgehäuse Vibrationen bzw. Schwingungen unterworfen werden.
7 ist eine graphische Darstellung, die die Verschiebung und Beschleunigung für einen Schrittsignalverlauf zwischen dem konfokalen Mikroskopsystem des Stands der Technik (7A) und dem konfokalen Mikroskopsystem in Übereinstimmung mit der Erfindung (7B) vergleicht.
Wie oben beschrieben ist, ist es erfindungsgemäß möglich, Abtastsignalverläufe automatisch zu berechnen, die weniger anfällig sind, Schwingungen zu verursachen, und durch Treiben des Aktuators mit den berechneten Signalverläufen ohne Weiteres die Fokuslagen der Objektivlinse in der optischen Achsenrichtung abzutasten, während die Schwingungen auf einem Minimum gehalten werden.
(Ausführungsform 2)
8 ist ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführungsform des dreidimensionalen konfokalen Mikroskopsystems in Übereinstimmung mit der Erfindung veranschaulicht.
Es sei bemerkt, dass Elemente, die mit denen in den vorhergehenden Figuren gezeigten identisch sind, genauso bezeichnet und von der Beschreibung ausgenommen werden.
Der Signalcontroller 10 empfängt ein von der Kamera 1 ausgegebenes Videosignal, gibt das Videosignal unverändert aus, während gleichzeitig vertikale Synchronisationssignale extrahiert werden, und erzeugt verschiedene Triggersignale entsprechend den vertikalen Synchronisationssignalen.
Der Generator für beliebigen Signalverlauf 7b erzeugt bei Empfang eines Abtastsignalverlauferzeugungs-Triggersignal von dem Signalcontroller 10 eine in ein gleichschenkliges Dreieck geformte Welle, die zuvor von der Signalverlauf-Berechnungseinheit 11a gesendet und gespeichert wurde, und sendet die Welle zu dem Aktuatortreiber 12.
Aus der Abtastperiode und dem optischen Achsenabtastabstand der Objektivlinse 5, die angewendet werden, wenn die Probe 20 beobachtet wird, berechnet die Signalverlauf-Berechnungseinheit 11a eine in ein gleichschenkliges Dreieck geformte Welle und gibt die Welle an den Generator für beliebigen Signalverlauf 7b als den Abtastsignalverlauf aus.
Der Aktuatortreiber 12 erzeugt ein Treibersignal zum Treiben des Aktuators 4 gemäß dem von dem Generator für beliebigen Signalverlauf 7b ausgegebenen Abtastsignalverlaufsignal.
Es sei hier bemerkt, dass der aus der Signalverlauf-Berechnungseinheit 11a, dem Generator für beliebigen Signalverlauf 7b, dem Aktuatortreiber 12 und dem Signalcontroller 10 bestehende Block als Steuermittel bezeichnet wird.
Nun wird das Verhalten des konfokalen Mikroskopsystems, das wie oben konfiguriert ist, mit Bezug auf das in 9 dargestellte Timing-Diagramm von Signalen beschrieben. Wenn das in 9A veranschaulichte Videosignal (das vertikale Synchronisationssignale enthält) von der Kamera 1 zu dem Signalcontroller 10 gesendet wird, sendet der Signalcontroller 10 das Videosignal unverändert zu der Bildverarbeitungseinheit 6a, während gleichzeitig vertikale Synchronisationssignale von dem Videosignal extrahiert und an den konfokalen Sender 2 gesendet werden, und erzeugt verschiedene Triggersignale, d.h. ein Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignal (9C) und ein Bilderfassungs-Triggersignal (9E).
Der Signalcontroller 10 sendet bei Empfang des in 9B dargestellten Bilderfassungsstartsignals das erste vertikale Synchronisationssignal, das angetroffen wird, nachdem das Bilderfassungsstartsignal auf L abgefallen ist, an den Generator für beliebigen Signalverlauf 7b als das Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignal (9C), während gleichzeitig das vertikale Synchronisationssignal an die Bildverarbeitungseinheit 6a als das in 9E dargestellte Bilderfassungstriggersignal gesendet wird. Es sei bemerkt, dass das Bilderfassungsstartsignal ein Signal ist, das ein Bediener zu jeder gewünschten Zeit von einem Controller höherer Ordnung (beispielsweise einem Personalcomputer) in den Signalcontroller eingibt, und dass die Impulsbreite dieses Signals doppelt so breit oder breiter als die Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals ist.
Der Generator für beliebigen Signalverlauf 7b erzeugt bei Empfang des Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignals von dem Signalcontroller 10 die in 9D veranschaulichte, in ein gleichschenkliges Dreieck geformte Welle, die zuvor von der Signalverlaufberechnungseinheit 11a eingegeben und gespeichert wurde, und sendet das Signal an den Aktuatortreiber 12.
Der Aktuator 4, der durch ein Treibersignal von dem Aktuatortreiber 12 angetrieben wird, tastet die Objektivlinse 5 in der optischen Achsenrichtung gemäß dem in 9D veranschaulichten Signalverlauf ab. Die Bildverarbeitungseinheit 6a erhält ultratiefe Bilder der Probe 20 synchron mit dieser Abtastung.
Da die Bildaufnahmegeschwindigkeit der Kamera 1 je Teilbild in Relation auf das Abtasten der Objektivlinse 2 ausreichend gering ist, werden die Scheiben-Bilder der Probe, die an den jeweiligen Fokuslagen abgetastet werden aufgenommen; wobei die Bilder einander überlagern. Die Bildverarbeitungseinheit 6a wandelt ein Videosignal dieser Bilder in Bilddaten um, womit ultratiefe Bilder bereitgestellt werden.
Bei der oben erläuterten Reihe von Maßnahmen gibt es drei in ein gleichschenkliges Dreieck geformte Wellen ( 9D), die den Abtastsignalverlauf für den treibenden Aktuator 4 umfassen, innerhalb einer einzigen Periode des Videosignals (9A) (Frameperiode der Kamera 1). Mit diesen Wellen ist es möglich, alle Querschnitte der Probe innerhalb eines einzigen Teilbildes oder Frame des Videosignals zu belichten, wodurch ultratiefe Bilder als ein Einzelbild bereitgestellt werden.
Da die Verschiebung durch den treibenden Aktuator 4 mit den in ein gleichschenkliges Dreieck geformten Wellen in Relation zu der Zeit linear ist, ist die Belichtungszeit für die jeweiligen Querschnitte der Probe gleichmäßig und die Helligkeitsinformation der resultierenden ultratiefen Bilder genau.
Es sei bemerkt, dass es erforderlich ist, dass mindestens eine in ein gleichschenkliges Dreieck geformte Welle in einer einzelnen Periode des Videosignals existieren muss. Die Beziehung zwischen der Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals und der Periode der in ein gleichschenkliges Dreieck geformten Welle ist wie folgt:
Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals = n × Periode der in ein gleichschenkliges Dreieck geformten Welle (wobei n eine ganze Zahl ist).
Ein weiterer bemerkenswerter Punkt ist, dass die Signalverlauf-Berechnungseinheit 11 Berechnungen basierend auf einer S-Kurvensteuerung durchführt, um die Beschleunigung an den Wendepunkten der in ein gleichschenkliges Dreieck geformten Welle konstant zu halten. Folglich ist es möglich, in ein gleichschenkliges Dreieck geformte Wellen zu erzeugen, die im Stande sind, zu verhindern, dass der Aktuator 4 und das Mikroskopgehäuse Schwingungen ausgesetzt werden.
10 ist ein Timing-Diagramm für den Fall, dass die Periode eines Abtastsignalverlaufs auf ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des vertikalen Synchronisationssignals eines Videosignals verlängert wird.
In 10 sind die Rollen der einzelnen Signale mit jenen der oben mit Bezug auf 9 erläuterten Signale identisch. Bei diesem Timing-Diagramm wird die Periode des in ein gleichschenkliges Dreieck geformten Abtastsignals (10D, mit dem der Aktuator 4 manipuliert wird, in ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals verlängert (10A), so dass Scheiben-Bilder für jeweilige Fokuslagen während einer einzigen Abtastung des Aktuators 4 erhalten werden. Ultratiefe Bilder können dann erhalten werden, indem die Bildverarbeitungseinheit 6a Bilddaten integriert oder mittelt, die aus mehreren Frames dieser Scheiben-Bilder zusammengesetzt sind. Mit anderen Worten ist es möglich, eine Echtzeitbeobachtung von integrierten oder gemittelten Bildern durchzuführen, da die Helligkeitsinformation der Querschnitte der Probe gleichmäßig ist. Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft, wenn dunkle (niedrige Reflektanz) Proben beobachtet werden.
Wie oben beschrieben ist, besteht ein durch die Erfindung bereitgestellter Vorteil darin, dass mindestens ein Abtastsignalverlauf zum Treiben des Aktuators innerhalb der Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals existiert. Folglich ist es möglich, ein dreidimensionales konfokales Mikroskopsystem zu verwirklichen, wodurch ultratiefe Bilder der Probe in Echtzeit durch Abtasten der Objektivlinse mit Geschwindigkeiten, die höher als die Bildgebungsgeschwindigkeit der Kamera sind, erhalten werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, da die Verschiebung in Relation zu der Zeit durch Treiben des Aktuators mit den in ein gleichschenkliges Dreieck geformten Wellen linearisiert wird, die Belichtungszeit für jeweilige Querschnitte der Probe gleichmäßig und die Helligkeitsinformation der resultierenden ultratiefen Bilder genau ist.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine S-Kurvensteuerung an Wendepunkten der in ein gleichschenkliges Dreieck geformten Welle durchgeführt wird, so dass die Beschleunigung konstant gehalten wird, womit verhindert wird, dass der Aktuator und das Mikroskopgehäuse Schwingung unterworfen werden.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Periode des in ein gleichschenkliges Dreieck geformten Abtastsignals, mit dem der Aktuator betätigt wird, auf ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals verlängert wird, so dass Scheiben-Bilder von jeweiligen Fokuslagen während einer einzigen Abtastung des Aktuators 4 erhalten werden. Ultratiefe Bilder können dann durch Integrieren oder Mitteln von Bilddaten erhalten werden, die aus mehreren Frames bzw. Teilbildern dieser Scheiben-Bilder zusammengesetzt sind. Mit anderen Worten ist es möglich, eine Echtzeitbeobachtung von integrierten oder gemittelten Bildern durchzuführen, da die Helligkeitsinformation der Querschnitte der Probe gleichmäßig ist. Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft, wenn dunkle (niedrigere Reflektanz) Proben beobachtet werden.
Demgemäß kann das konfokale Mikroskopsystem der Erfindung das Problem des Stands der Technik des Fehlens von Echtzeitfähigkeit lösen, das auf der Tatsache beruht, dass, wie in dem Nicht-Patentdokument 1 beschrieben ist, die Objektivlinse in der Z-Achsenrichtung mit einem Linsenbewegungsmechanismus, wie beispielsweise einem Aktuator, bewegt wird, und dass alle erhaltenen Scheiben-Bilder an jeweiligen Fokuslagen erfasst werden, bevor die Bilder überlagert werden, um ein ultratiefes Bild zu erzeugen.
(Ausführungsform 3)
11 ist ein Blockdiagramm, das eine dritte Ausführungsform des dreidimensionalen konfokalen Mikroskopsystems in Übereinstimmung mit der Erfindung veranschaulicht.
In 11 empfängt der Signalcontroller 10a ein von der Kamera 1 ausgegebenes Videosignal, gibt das unveränderte Videosignal aus, während gleichzeitig vertikale Synchronisationssignale extrahiert werden, und erzeugt verschiedene Triggersignale entsprechend den vertikalen Synchronisationssignalen.
Der Generator für beliebigen Signalverlauf 7c erzeugt bei Empfang eines Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignals von dem Signalcontroller 10a ein Signal in gleichschenkliger Dreieckform, das zuvor von der Signalverlauf-Berechnungseinheit 11b gesendet und gespeichert wurde, und sendet das Signal an den Aktuatortreiber 12a.
Aus der Abtastperiode und dem optischen Achsenabtastabstand der Objektivlinse 5, die verwendet werden, wenn die Probe 20 beobachtet wird, berechnet die Signalverlauf-Berechnungseinheit 11a eine Dreieckwelle oder Schrittwelle und gibt die Welle in den Generator für beliebigen Signalverlauf 7c als den Abtastsignalverlauf ein.
Der Aktuatortreiber 12a erzeugt ein Treibersignal zum Treiben des Aktuators 4 gemäß dem von dem Generator für beliebigen Signalverlauf 7b ausgegebenen Abtastsignalverlaufsignal.
Der Aktuator 4 tastet die Objektivlinse 5 in der optischen Achsenrichtung gemäß dem ausgegebenen Signalverlauf des Generators für beliebigen Signalverlauf 7c ab, und die Bildverarbeitungseinheit 6b erhält kontinuierlich Scheiben-Querschnittsbilder der beobachteten Probe synchron mit der Abtastung.
Außerdem ist der Aktuator 4 mit einem Verschiebungssensor (in der Figur nicht dargestellt) zum Abfühlen der Verschiebung des Aktuators selbst ausgestattet. Dieser Verschiebungssensor gibt ein Verschiebungssignal aus, um es zurück zu dem Aktuatortreiber 12b zu führen, so dass der Aktuator 4 einer Positionssteuerung unterzogen wird. An diesem Punkt kann ein Fehler zwischen der Zielposition (geschätzte Position) und der tatsächlichen Position auftreten.
Der Aktuatortreiber 12a gibt das erhaltene Verschiebungssignal an den A/D-Wandler 13 aus. Der A/D-Wandler 13 wandelt das Verschiebungssignal synchron mit einem Bilderfassungstrigger um, um Verschiebungsdaten zu erzeugen, die den Betrag der Verschiebung des Aktuators 4 oder genauer gesagt den Betrag der Verschiebung der Objektivlinse 5 in der Richtung der optischen Achse darstellt.
Die Bildverarbeitungseinheit 6b bestimmt die genauen Positionen für die optische Achse der Scheiben-Bilder aus diesen Verschiebungsdaten und synthetisiert die Scheiben-Bilder, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen, womit ein hochgenaues dreidimensionales Bild bereitgestellt wird.
Es sei hier bemerkt, dass der aus der Signalverlauf-Berechnungseinheit 11b, dem Generator für beliebigen Signalverlauf 7c, dem Aktuatortreiber 12a, dem Signalcontroller 10a und dem A/D-Wandler 13 bestehende Block als das Steuermittel bezeichnet wird.
Nun sei das Verhalten des konfokalen Mikroskopsystems, das wie oben erläutert konfiguriert ist, mit Bezug auf das in 12 veranschaulichte Timing-Diagramm von Signalen beschrieben.
Wenn das in 12A veranschaulichte Videosignal (das vertikale Synchronisationssignale enthält) von der Kamera 1 zu dem Signalcontroller 10a gesendet wird, sendet der Signalcontroller 10a das Videosignal an die Bildverarbeitungseinheit 6b wie es ist, während gleichzeitig vertikale Synchronisationssignale aus dem Videosignal extrahiert und an den konfokalen Scanner 2 gesendet werden, und erzeugt dann verschiedene Triggersignale, d.h. ein Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignal (12C) und ein Bilderfassungs-Triggersignal (12E).
Der Signalcontroller 10a sendet bei Empfang des in 12B veranschaulichten Bilderfassungsstartsignal das erste vertikale Synchronisationssignal, das angetroffen wird, nachdem das Bilderfassungsstartsignal auf L abgefallen ist, an den Generator für beliebigen Signalverlauf 7a als das Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignal (12C), während gleichzeitig das vertikale Synchronisationssignal an die Bildverarbeitungseinheit 6b als das in 12E veranschaulichte Bilderfassungs-Triggersignal gesendet wird. Es sei bemerkt, dass das Bilderfassungsstartsignal (12B) ein Signal ist, das ein Bediener zu einer gewünschten Zeit von einem Controller höherer Ordnung (beispielsweise einem Personalcomputer) in den Signalcontroller eingibt, und dass die Impulsbreite dieses Signals doppelt so breit oder breiter als die Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals ist.
Der Generator für beliebigen Signalverlauf 7c erzeugt bei Empfang des Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignals von dem Signalcontroller 10a die in 12D veranschaulichte Schrittwelle, die zuvor von der Signalverlaufberechnungseinheit 11b eingegeben und gespeichert wurde, und sendet die Welle an den Aktuatortreiber 12a.
Es sei bemerkt, dass, obwohl eine Schrittwelle, deren Spannung schrittweise zunimmt, wenn die Zeit abläuft, und zu der ursprünglichen Spannung zurückkehrt, wenn der vorgeschriebene Spannungspegel erreicht ist, als der Abtastsignalverlauf verwendet wird, wie in 12D veranschaulicht ist, es möglich ist, eine Dreieckwelle anstatt des Abtastsignalverlaufs zu verwenden.
Der Aktuator 4, der durch ein Treibersignal von dem Aktuator 12a angetrieben wird, tastet die Objektivlinse 5 in der optischen Achsenrichtung gemäß dem in 12D veranschaulichten Signalverlauf ab. Die Bildverarbeitungseinheit 6b erhält Bilder der Probe 20 synchron mit dieser Abtastung.
Bei der Reihe der oben erläuterten Maßnahmen gibt der in dem Aktuator 4 bereitgestellte Verschiebungssensor Verschiebungssignale für die einzelnen Schritte (Z1, Z2, ... Zn) der Schrittwelle aus. Diese Verschiebungssignale werden durch den A/D-Wandler 13 A/D-umgewandelt, um Verschiebungsdaten zu erzeugen. Diese Verschiebungsdaten werden verwendet, um die tatsächlichen Positionen der Scheiben-Bilder in Bezug zu der beobachteten Probe zu bestimmen und ein dreidimensionales Bild zu synthetisieren, womit ein hochgenaues dreidimensionales Bild bereitgestellt wird.
Als nächstes wird eine Erläuterung der Steuerung der Beschleunigung durchgeführt, wenn der Aktuator verschoben wird.
Die Signalverlaufberechnungseinheit 11b berechnet den Absolutwert der Beschleunigung, der während einer Periode des Abtastsignalverlaufs erreicht wird, aus den durch den A/D-Wandler 13 ausgegebenen Verschiebungsdaten. Wenn der absolute Beschleunigungswert einen voreingestellten Wert überschreitet, wird die Beschleunigung gesteuert, so dass deren Absolutwert unter dem voreingestellten Wert gehalten wird.
Die Beschleunigung wird mit den folgenden Gleichungen berechnet: Geschwindigkeit V = lineare Ableitung der Verschiebung = dz/dt Beschleunigung a = lineare Ableitung von = dv/dtwobei z die Verschiebung und t die Zeit ist.
Nun wird das Verhalten des konfokalen Mikroskopsystems, das wie oben erläutert konfiguriert ist, mit Bezug auf das in 13 veranschaulichte Timing-Diagramm der einzelnen Signale beschrieben. 13 ist ein Timing-Diagramm, das die Art und Weise veranschaulicht, mit der die Beschleunigung eines Aktuators gesteuert wird.
In 13 gibt 13A ein von der Kamera 1 an den Signalcontroller 10a gesendetes vertikales Synchronisationssignal (Videosignal) an. 13B gibt einen treppenähnlichen Abtastsignalverlauf an, der durch die Signalverlauf-Berechnungseinheit 11b berechnet wurde.
Der Schrittsignalverlauf ändert sich synchron mit den abfallenden Flanken des vertikalen Synchronisationssignals. Eine S-Kurvensteuerung wird an diesen diskontinuierlichen Änderungspunkten durchgeführt, um die Beschleunigung zu verringern. Somit wird die Amplitude der Beschleunigung an diesen Punkten konstant gehalten, und die Beschleunigung ändert sich in rechteckiger Form, wie in 13C gezeigt ist. 13C ist eine graphische Darstellung der Beschleunigung, die aus den Verschiebungsdaten und der Zeit bestimmt wird.
Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Beschleunigung bei der S-Kurvensteuerung wird durch die folgenden Gleichungen dargestellt: Verschiebung z = (1/2)·A·t2 Geschwindigkeit v = lineare Ableitung der Verschiebung z = A·t Beschleunigung a = lineare Ableitung der Geschwindigkeit v = Awobei t die Zeit und A < (2πf)² ist.
Wenn der berechnete Absolutwert der Beschleunigung einen voreingestellten Wert überschreitet, führt das konfokale Mikroskopsystem eine Steuerung für den Zweck des Verringerns des Absolutwerts durch. Da genauer gesagt die Beschleunigung ein Maximum ist, wenn der Aktuator 4 von dem Punkt der maximalen Verschiebung zu dem Punkt der minimalen Verschiebung zurückkehrt, wird die Zeit erhöht, die für den Aktuator 4 erforderlich ist, um zu der minimalen Verschiebung zurückzukehren, wie in 13D gezeigt ist, so dass der Absolutwert der Beschleunigung nicht überschritten wird. Zu diesem Zeitpunkt muss, sogar wenn zu dem Punkt der minimalen Verschiebung während der Erfassung der Kamera irgendeines der einzelnen Frames zurückgekehrt wird, der Aktuator warten, bis die Kamera beginnt, das nächste Frame oder Teilbild zu erfassen. Daher ist es möglich, wenn die Zeit, die für den Aktuator erforderlich ist, um von dem Maximalverschiebungspunkt zu dem Minimalverschiebungspunkt zurückzukehren, als ein ganzzahliges Vielfaches (zweifach im Fall von 13D) der Periode des vertikalen Synchronisationssignals festgelegt wird, eine Rückkehrzeit einzustellen, die die Frame-Aktualisierungszeit effektiv nutzt.
Es sei bemerkt, dass, obwohl eine Schrittwelle, deren Spannung schrittweise mit Ablauf der Zeit zunimmt, und zu der ursprünglichen Spannung (minimale Verschiebung) zurückkehrt, wenn der vorgeschriebene Spannungspegel (maximale Verschiebung) erreicht ist, als der in 13B veranschaulichte Abtastsignalverlauf verwendet wird, es möglich ist, eine Dreieckwelle anstatt des Abtastsignalverlaufs zu verwenden. Die S-Kurvensteuerung wird an diesen diskontinuierlichen Änderungspunkten (Wendepunkten) durchgeführt, um die Beschleunigung zu verringern.
Wie es oben beschrieben ist, ist es möglich, die Beschleunigung, d.h. die Schwingung, dramatisch zu verringern, wie es in 13E gezeigt ist, und gleichmäßige Bilder zu erhalten.
Es sei bemerkt, dass es möglich ist, die Bildverarbeitungseinheit 6b und die zuvor erwähnte Signalverlauf-Berechnungseinheit 11b durch Verwenden von Personalcomputern zu implementieren.
Wie oben beschrieben besteht ein durch die Erfindung bereitgestellter Vorteil darin, dass es möglich ist, die Verschiebung des Aktuators genau zu bestimmen, um die Objektivlinse in der Richtung der optischen Achse zu bewegen. Daher ist es durch Synthetisieren der Scheiben-Bilder gemäß der Verschiebungsinformation möglich, ein dreidimensionales konfokales Mikroskopsystem zu verwirklichen, wodurch hochgenaue dreidimensionale Bilder erzeugt werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es möglich ist, indem die Beschleunigung zur Zeit der Verschiebung des Aktuators entsprechend dem von dem Aktuator ausgegebenen Verschiebungssignal berechnet und indem die Beschleunigung gesteuert wird, so dass sie den voreingestellten Wert nicht überschreitet, ein dreidimensionales konfokales Mikroskopsystem zu verwirklichen, das weniger anfällig ist, Schwingungen zu verursachen, und das konsistente Bilder bereitstellen kann. Genauer gesagt ist es durch Erzeugen von Verschiebungsdaten für den Aktuator mit einem A/D-Wandler und Verwenden dieser Verschiebungsdaten für die Bildverarbeitungseinheit möglich, hochgenaue dreidimensionale Bilder zu erhalten. Außerdem ist es möglich, Schwingungen zu unterdrücken und gleichmäßige bzw. konsistente Bilder zu erhalten, da die aus der Verschiebung des Aktuators resultierende Beschleunigung unter einem gegebenen Pegel gehalten werden kann.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es möglich ist, eine Beschleunigungszunahme unter einem bestimmten Pegel zu halten, wenn sich der Aktuator von dem maximalen Verschiebungspunkt zu dem minimalen Verschiebungspunkt bewegt, wodurch Schwingungen verringert und konstante Bilder erhalten werden. An diesem Punkt ist es möglich, indem die Zeit, die für den Aktuator erforderlich ist, um von dem maximalen Verschiebungspunkt zu dem minimalen Verschiebungspunkt zurückzukehren, als ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des vertikalen Synchronisationssignals festgelegt wird, eine Rückkehrzeit einzustellen, die die Frame-Aktualisierungszeit der Kamera effektiv nutzt.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es möglich ist, indem Signalverläufe für die diskontinuierlichen Änderungspunkte in dem Abtastsignalverlauf mit der S-Kurvensteuerung erzeugt werden, die Beschleunigung an diesen Punkten zu verringern.
Folglich ist es möglich, das Problem zu lösen, dass, da die Verschiebung des Aktuators zum Bewegen der Objektivlinse in der optischen Achsenrichtung ein auf der angelegten Spannung basierender geschätzter Wert ist, ein Fehler zwischen dem Sollwert der Verschiebung und dem Istwert auftritt und daher die Positionsinformation in der Tiefenrichtung der Probe ungenau wird, was verursacht, dass das aufgebaute dreidimensionale Bild ungenau ist.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es möglich ist, das Problem der dadurch auftretenden maximalen Beschleunigung zu verringern, die Schwingungen verursacht, wenn der Aktuator von dem maximalen Verschiebungspunkt zu dem minimalen Verschiebungspunkt zurückkehrt, was bewirkt, dass die Oberflächen der Probe instabil werden, und verhindert, dass die Probe korrekt beobachtet wird.

Claims

Verfahren zum Erhalten von Scheiben-Bildern einer Probe als konfokale Bilder mit einem dreidimensionalen konfokalen Mikroskopsystem, wobei das System umfasst: einen konfokalen Scanner (2) zum Erhalten von Scheiben-Bildern einer Probe als konfokale Bilder; eine Video-Frequenz-Kamera (1) zum Umwandeln der konfokalen Bilder in ein Videosignal; eine Bildverarbeitungseinheit (6) zum Umwandeln des Videosignals in Bilddaten; einen Aktuator (4) zum Bewegen der Fokuslage einer Objektivlinse (5) eines Mikroskops in Richtung der optischen Achse; und Steuermittel (10, 7a, 12) zum Erzeugen von Abtastsignalverlaufsignalen, die verwendet werden, um mit der Objektivlinse (5) in der Richtung der optischen Achse durch den Aktuator (6) abzutasten; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Steuermittel (10, 7a, 12) ein dreieckiges oder stufenähnliches Abtastsignalverlaufsignal erzeugt, das korrigiert wurde, sodass die Beschleunigung bei unstetigen Änderungspunkten in dem Abtastsignalverlauf nahezu konstant gehalten wird, und der Aktuator durch das Abtastsignalverlaufsignal angetrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastsignalverlaufsignal, das durch das Steuermittel (10, 7a, 12) erzeugt wird, mit einer quadratischen Funktion korrigiert wird, sodass die Verschiebung des Abtastsignalverlaufsignals s = a t2/2erfüllt, wobei t eine abgelaufene Zeit und a = S/T² (S ist der Abtasthub der Objektivlinse und T ist die Dauer der nach unten gerichteten Steigung des Abtastsignalverlaufsignals), bei unstetigen Änderungspunkten in dem Abtastsignalverlaufsignal ist, und diese Beschleunigung praktisch konstant gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (10, 7a, 12) eine in ein gleichschenkliges Dreieck geformte Welle erzeugt, deren Periode ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des vertikalen Synchronisationssignals des Videosignals ist, wenn der Abtastsignalverlauf und die Bildverarbeitungseinheit die erhaltenen Scheiben-Bilder integrieren oder mitteln.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (10, 7a, 12) eine Beschleunigung gemäß den von dem Aktuator ausgegebenen Verschiebungssignalen berechnet, wenn der Aktuator verschoben wird, und den Aktuator steuert, sodass die Beschleunigung nicht einen voreingestellten Wert überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die berechnete Beschleunigung den voreingestellten Wert überschreitet, das Steuermittel die Zeit erhöht, die für den Aktuator erforderlich ist, um von der maximalen Verschiebung zu der minimalen Verschiebung zurückzukehren, sodass die Zeit ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der in den Videosignalen enthaltenen vertikalen Synchronisationssignale ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastsignalverlauf eine Dreieckwelle ist und die unstetigen Änderungspunkte in der Dreieckwelle Signalverläufe aufweisen, die mittels einer S-Kurvensteuerung erzeugt wurden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastsignalverlauf eine Stufenwelle ist, und die unstetigen Änderungspunkte in der Stufenwelle Signalverläufe aufweisen, die mittels der S-Kurvensteuerung erzeugt wurden.
Dreidimensionales konfokales Mikroskopsystem, das angepasst ist, um das Verfahren gemäß Anspruch 1 durchzuführen, mit: einem konfokalen Scanner (2) zum Erhalten von in Scheiben-Bildern einer Probe als konfokale Bilder; einer Video-Frequenz-Kamera (1) zum Umwandeln der konfokalen Bilder in ein Videosignal; einer Bildverarbeitungseinheit (6) zum Umwandeln des Videosignals in Bilddaten; einem Aktuator (4) zum Bewegen der Fokuslage einer Objektivlinse (5) des Mikroskops in Richtung der optischen Achse; einem Steuermittel (10, 7a, 12) zum Erzeugen von Abtastsignalverlaufsignalen, die verwendet werden, um mit der Objektivlinse (5) in der Richtung der optischen Achse durch den Aktuator (6) abzutasten; einer Signalverlaufsberechnungseinheit (11a) um den Signalverlauf des dreieckigen oder stufenähnlichen Abtastsignalverlaufsignals durch Berechnung zu Bestimmen; einem Generator für beliebige Signalverläufe (7a; 7b; 7c) zum Speichern und Erzeugen des Abtastsignalverlauf synchron mit einem Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignal; einem Aktuatortreiber (12) zum Treiben des Aktuators (4) gemäß dem von dem Generator für beliebige Signalverläufe ausgegebenen Abtastsignalverlauf-Erzeugungs-Triggersignal; und einem Signalcontroller (10) zum Erzeugen von Triggersignalen, die mit dem Videosignal der Video-Frequenz-Kamera (1) synchronisiert sind, und Liefern der Triggersignale an jeweilige entsprechende Einheiten.
Dreidimensionales konfokales Mikroskopsystem gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel umfasst: einen A/D-Wandler (13) zum Umwandeln von Verschiebungssignalen in Verschiebungsdaten und Ausgeben der Verschiebungsdaten an die Bildverarbeitungseinheit und die Signalverlaufsberechnungseinheit.