EP3452859A1 - Digitales mikroskop mit einem objektiv und mit einem bildsensor - Google Patents

Digitales mikroskop mit einem objektiv und mit einem bildsensor

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Publication number
EP3452859A1
EP3452859A1 EP17728084.9A EP17728084A EP3452859A1 EP 3452859 A1 EP3452859 A1 EP 3452859A1 EP 17728084 A EP17728084 A EP 17728084A EP 3452859 A1 EP3452859 A1 EP 3452859A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
image sensor
image
microscope
resolution
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17728084.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Gaiduk
Ralf Wolleschensky
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microscopy GmbH filed Critical Carl Zeiss Microscopy GmbH
Publication of EP3452859A1 publication Critical patent/EP3452859A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052—Optical details of the image generation
    • G02B21/006—Optical details of the image generation focusing arrangements; selection of the plane to be imaged
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • G02B21/367—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes providing an output produced by processing a plurality of individual source images, e.g. image tiling, montage, composite images, depth sectioning, image comparison

Definitions

  • the present invention relates to a digital microscope with an objective for enlarged optical imaging of a sample in an image plane and with an image sensor for converting the image imaged by the objective onto the image sensor into an electrical signal.
  • GB 2 384 379 A shows a display system with a camera and a display for the front area of a train.
  • the digital camera is high resolution.
  • a zoom in the displayed image is realized by the fact that the digital image
  • US 2006/0171038 A1 shows a system for zooming digital images.
  • the system includes an image sensor, a
  • a / D converter an image processing unit and a display.
  • the sensitivity of the image converter is greater than that
  • the imager is formed by a CMOS converter with a resolution of 4096 by 3072 pixels, while the display has a resolution of 1024 by 768 pixels.
  • the digital camera SC100 from the manufacturer Olympus has a picture sensor with 10.6 million pixels with one
  • the camera has a maximum
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages of undersampling in a digital microscope.
  • the above object is achieved by a digital microscope according to the appended claim 1.
  • the digital microscope according to the invention serves for
  • Microscopy of a sample In the digital microscope is an electronic image conversion, wherein the recorded image processed in the form of digital data and brought to display on an electronic image display device.
  • the digital microscope initially comprises a lens for enlarged optical imaging of the sample in an image plane. Through the lens, an image with an optical resolution in the image plane can be displayed.
  • the optical resolution is due to the physical processes and properties of the
  • the objective comprises optical components for enlarged optical imaging of the sample in the
  • the optical components are in particular by optical lenses and possibly by one or more apertures and Filter formed.
  • the imaged image is preferably formed by a light image.
  • the digital microscope further comprises an image sensor for converting the image of the lens on the image sensor
  • the image sensor comprises a matrix of pixels, i. H. a matrix of individual
  • Image sensor elements The matrix of pixels determines a maximum image resolution of the image sensor. By converting the image with the image sensor is a local
  • the image sensor is an image sensor and is preferably formed by a CMOS image sensor.
  • the matrix is not just a single or a few lines of pixels, such as those used for scanning methods.
  • the maximum image resolution of the image sensor is finer than the optical resolution of the objective, so that the pixels of the image sensor are smaller than the smallest structures in the image imaged by the objective.
  • the image sensor has a higher resolution than the lens. In this respect, a resolution of smaller structures than a higher one
  • the maximum image resolution of the image sensor is higher than the optical resolution of the image sensor
  • Image sensor smaller than the optical resolution of the lens.
  • the maximum image resolution of the image sensor is finer than any optical resolution achievable with the objective.
  • a magnification factor of the lens can be changed by a user, whereby the optical resolution of the lens changes.
  • the maximum image resolution of the image sensor is finer than the resulting optical resolution of the objective for each magnification factor that can be selected on the lens.
  • the maximum image resolution of the image sensor is finer than the resulting optical resolution of the lens.
  • the lens has a maximum
  • Microscope is that the image conversion by the image sensor is basically done with a local oversampling of the image.
  • a lens with a low magnification factor of at most 40 is used, which is available at low cost.
  • an electronic image sensor having an image resolution sufficient for oversampling is used.
  • Image sensors with very high image resolutions are already available at low cost.
  • the maximum image resolution of the image sensor is preferably at least 2 times as fine as the optical resolution of the
  • the maximum image resolution of the image sensor is more preferably at least 3 times as fine as the optical resolution of the objective. This will be a multiple
  • Areas of the lens are made possible, which can be done in temporal and spatial correlation.
  • Image resolution of the image sensor at least 5 times as fine as the optical resolution of the lens.
  • the maximum image resolution of the image sensor at least 5 times as fine as the optical resolution of the lens.
  • Image sensor at least 10 times as fine as the optical
  • the maximum magnification factor is at most 30. In further preferred embodiments of the digital microscope, the maximum magnification factor is at most 20. In further preferred embodiments of the digital microscope, the maximum magnification factor is at most 10. In further preferred embodiments of the digital microscope is the maximum magnification factor 5 or less.
  • the optical resolution of the lens is just a minimum distance between two in the image defined distinguishable structures.
  • the optical resolution is the distance that two structures must at least have to be perceived as separate structures.
  • the structures are preferably formed by punctiform objects or by lines. Accordingly, the optical resolution is preferably defined by the distance between these two lines.
  • the maximum image resolution of the image sensor is defined by a pixel pitch.
  • the pixel pitch is the distance between two immediately adjacent pixels.
  • the pixel pitch is the quotient of the extension of the image sensor in one of its directions of extent by the number of pixels in this span direction.
  • the pixel pitch is
  • the pixel pitch is, for example, the quotient of the height of the image sensor by the number of pixels in a column of the matrix.
  • the sampling factor is thus the quotient of the optical resolution of the lens by the maximum image resolution of the image sensor.
  • the sampling factor is at least five according to the invention.
  • the sampling factor is preferably at least six.
  • the pixel pitch of the image sensor is at most 2 ym. In further preferred embodiments of the digital
  • the pixel pitch of the image sensor is at most 1.85 ym.
  • the pixel pitch of the image sensor is especially preferably 2.0 ym, 1.8 ym, 1.6 ym, 1.4 ym, 1.2 ym, 1.0 ym, 0.8 ym or 0.6 ym.
  • Image sensor is preferably at least 1,000, while at the same time the number of pixels in a row of
  • matrix-shaped image sensor is also at least 1,000.
  • the number of pixels of the image sensor is at least 5
  • the number of pixels of the digital microscope is Millions.
  • Image sensor at least 8 million. In other preferred embodiments of the digital microscope, the number of pixels of the image sensor is at least 20 million. at
  • the number of pixels of the image sensor is at least 50 million.
  • the number of pixels of the image sensor is at least 50 million.
  • the number of pixels of the image sensor is at least 100 million.
  • the ratio between the height of the image sensor to a height of the individual pixels is at least 3,000. In further preferred embodiments of the digital microscope, the ratio between the height of the image sensor and the height of the individual pixels is at least 3,900. The ratio between the height of the image sensor and the height of the individual pixels is more preferably 3,900, 4,000, 5,000, 6,000, 7,000 or 10,000.
  • the ratio between the width of the image sensor is too a width of each pixel at least 2,000.
  • Microscope is the ratio between the width of the image sensor to the width of the individual pixels at least 2,800.
  • the ratio between the width of the image sensor and the width of the individual pixels is more preferably 2,800, 3,000, 4,000, 5,000, 7,000 or 10,000.
  • the width of the image sensor is preferably between 6 mm and 25 mm; more preferably between 7 mm and 10 mm.
  • the height of the image sensor is preferably between 4 mm and 25 mm; more preferably between 7 mm and 10 mm.
  • the objective has a numerical aperture, which is preferably at most 1.4.
  • the numerical aperture is more preferably at most 1.
  • the numerical aperture is
  • At least one filter is preferably arranged in front of the image sensor. For example, in front of each pixel of the
  • Image sensor a filter with one of three colors can be arranged.
  • the filter or filters can be tuned.
  • an optical element is preferably arranged, which leads to wavelength-dependent delays for the passing light, so that a spectral
  • At least one polarizer is preferably arranged in front of the image sensor.
  • a plurality of the polarizers is arranged in front of the image sensor, so that a spatially resolved polarized image of the sample can be recorded.
  • the image processing unit of the digital microscope is preferably configured to process the signals from a plurality of the pixels of the image sensor with different delays in order to achieve temporal resolution, whereby, for example, spatially unresolvable regions of the sample can be resolved.
  • a spatial resolution and a temporal resolution can be achieved.
  • the image processing unit of the digital microscope is preferably configured to receive the signals from a plurality of the
  • the magnification factor of the objective can be changed from a minimum magnification factor to the maximum magnification factor, such that the objective is embodied, for example, as a zoom objective.
  • Image sensor according to the invention is independent of the selected
  • Magnification factor is generally finer than the optical resolution of the lens.
  • the achievable with the digital microscope resolution is constant and determined only by the maximum image resolution of the image sensor.
  • the digital microscope is preferably designed for automated recording of portions of the sample.
  • Subareas are also called tiles. It is therefore a so-called scanning microscope for large
  • the digital microscope preferably includes an automatically movable sample carrier with the aid of which the individual tiles can be accommodated.
  • the digital microscope also includes a
  • the digital microscope preferably comprises an electronic mobile device, which is preferably formed by a smartphone or by a tablet computer.
  • the electronic mobile device is preferably formed by a smartphone or by a tablet computer.
  • Mobile device includes a camera with the image sensor and
  • the electronic mobile device preferably comprises the lens, which in the reverse direction also for macroscopic
  • Photographs, d. H. can be used for ordinary photographs with the mobile device.
  • the lens can also be separated from the mobile device, so that the camera includes the image sensor, but not the lens.
  • a first exemplary embodiment of the digital microscope according to the invention has a digital zoom, but no optical zoom, so that the magnification factor of the
  • the microscope includes an image sensor that has 41 million pixels in a matrix of 7,152 by 5,360 active pixels.
  • the image sensor is 8 mm by 6 mm in size.
  • the digital zoom factor is 3.4 in a case where the converted image has a resolution of 1,600 by 1,600 pixels without interpolation or extrapolation.
  • the digital zoom factor is 6 in a case where the converted image has a resolution of 1,000 by 1,000 pixels without interpolation or extrapolation.
  • Digital microscope according to the invention is a
  • the Microscope includes an image sensor that has 41 million pixels in a matrix of 7,152 by 5,360 active pixels.
  • the image sensor is 8 mm by 6 mm in size.
  • the microscope includes a lens with a numerical aperture of 0.25 and a magnification factor of 5. This lens performs in this
  • Embodiment of the microscope according to the invention to a 16 times faster digitization of the sample than in a microscope according to the prior art with a lens with a numerical aperture of 0.25 and a
  • the microscope comprises alternatively a lens with a numerical aperture of 0.5 and a magnification factor of 10.
  • this objective leads to a 16 times faster digitization of the sample than in the case of a microscope according to the prior art Technique with a lens with a numerical aperture of 0.5 and one
  • the microscope comprises alternatively a lens with a numerical aperture of 0.8 and a magnification factor of 20. In this embodiment of the microscope according to the invention this lens leads to a
  • the microscope alternatively includes a lens with a numerical aperture of 1.0 and one
  • Magnification factor of 20 In this embodiment of the microscope according to the invention, this objective leads to a 56 times faster digitization of the sample than in the case of a microscope according to the prior art with a lens with a numerical aperture of 1.0 and one
  • the microscope alternatively includes a lens with a numerical aperture of 1.4 and a magnification factor of 40.
  • This lens performs in this Embodiment of the microscope according to the invention for a 14 times faster digitization of the sample than in a microscope according to the prior art with a lens with a numerical aperture of 1.4 and a
  • Digital microscope according to the invention is a
  • Embodiment an image sensor having 18 million pixels in a matrix of about 5,000 by 3,500 active pixels and a refresh rate of 10 frames per second
  • a digital microscope according to the invention comprises
  • the electronic mobile device comprises a camera with an image sensor, which the
  • Image sensor of the microscope forms.
  • the image sensor has a small pixel pitch of less than 2.0 ym and a large one
  • Microscopes listed. In each case the magnification factor M of the objective is indicated in the first column. In the second column, the numerical aperture NA of the objective is indicated in each case. In all seven embodiments, light having a central wavelength ⁇ 500 nm is used. In all seven embodiments, the resolution factor is
  • Line pairs assume that each of the line pairs is as wide as the optical resolution ⁇ , so that the number of line pairs LP per mm is 1 / Ax in the fourth column. Furthermore, a factor of 4 based on the Nyquist condition is assumed. In the fifth
  • Pixel distance PP of the image sensor specified.
  • the pixel pitch is smaller than the specified value.
  • Embodiments of the invention with reference to the drawing. 1 is a diagram showing the dependence of the resolution on the magnification factor in a microscope according to the invention and in a microscope according to the prior art; a comparative representation of embodiments of the microscope according to the invention and microscopes according to the prior art; and a further illustration of two embodiments of the microscope according to the invention.
  • FIG. 1 shows a diagram for depicting the dependence of the resolution of a microscope on the magnification factor of the microscope in a preferred embodiment of a microscope
  • a second graph 02 shows the
  • Fig. 2 shows a comparative illustration of
  • Microscopes according to the prior art. They are a first embodiment 04, a second embodiment 05 and a third embodiment 06 according to the prior art
  • the objective 11 of the first embodiment 04 according to the prior art has a fixed
  • Prior art embodiment 04 has a large pixel pitch, so it is local
  • Embodiment 05 according to the prior art and the
  • Image sensors 12 of the third embodiment 06 according to the prior art are each in a smartphone (not
  • the lens 11 of the third embodiment 06 also has an eyepiece 14. Since the distance of the smartphone is changeable, the magnification factor also changes. However, the achievable figure is not the respective
  • Image sensor 12 adapted.
  • the first embodiment 07 and the second embodiment 08 of the microscope according to the invention differ from the embodiments 04, 05, 06 according to the prior art in particular in that they have a small magnification factor of at most 40.
  • the image of the objective 11 is in the two embodiments 07, 08 according to the invention on the image sensor 12 with a small pixel pitch of at most 2.0 ym
  • FIG. 3 shows a further illustration of two embodiments of the microscope according to the invention. It's a third one
  • Embodiment 17 of the microscope according to the invention is identical to Embodiment 17 of the microscope according to the invention.
  • each include the lens 11 and the image sensor 12.
  • Embodiment 16 includes two equal partial lenses 20, each of which may comprise a group of lenses or a single lens.
  • the fourth embodiment 17 comprises an automatic focusing device 21 with a further objective 22 and a further image sensor 23.
  • the fourth embodiment 17 comprises a beam splitter 24, which passes through a 50/50 beam splitter through a beam splitter
  • Polarization beam splitter can be formed by a mirror or by an interference beam splitter.
  • Beam splitter 24 is optionally removable.
  • Embodiment 16 is 1 ym while the pixel pitch of the image sensor 12 of the fourth embodiment 17 is 2 ym.
  • the number of pixels of the image sensor 12 is 15.2 million by way of example.
  • the magnification factor of the objective 11 of the third and fourth embodiments 16, 17 is 4 and alternatively 10 or 20.
  • Embodiment 16 is designed as a scanning microscope, for which the image sensor 12 is displaceable.
  • the small value of the pixel pitch of at most 2 ym leads to an improvement of the image quality, in particular to an aberration-free image.
  • the small value of the pixel pitch of at most 2 ym allows fast
  • the image sensor must have at least 2.5 million pixels.
  • the image sensor must have at least 630,000 pixels. Will a lens with a higher magnification factor of 20
  • Magnification factor is used, then an image sensor with a smaller number of pixels to achieve the same
  • the image sensor must have at least 68,000 pixels. Insofar the lens one

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Mikroskop (16; 17), welches ein Objektiv (11) zum vergrößerten optischen /Abbilden einer Probe (10) in einer Bildebene umfasst. Durch das Objektiv (11) ist ein Bild mit einer optischen Auflösung in der Bildebene darstellbar. Das Mikroskop (16; 17) umfasst weiterhin einen Bildsensor (12) zum Wandeln des vom Objektiv (11) auf den Bildsensor (12) abgebildeten Bildes in ein elektrisches Signal. Der Bildsensor (12) umfasst eine Matrix von Pixeln, durch welche eine maximale Bildauflösung des Bildsensors bestimmt ist, welche feiner als die optische Auflösung des Objektivs (11) ist. Das Objektiv (11) besitzt einen maximalen Vergrößerungsfaktor von höchstens 40. Die optische Auflösung des Objektivs (11) ist als ein minimaler Abstand zweier im Bild unterscheidbarer Strukturen definiert. Die maximale Bildauflösung des Bildsensors (12) ist durch einen Pixelabstand definiert. Ein Quotient aus dem minimalen Abstand zweier im Bild unterscheidbarer Strukturen und dem Pixelabstand definiert einen Abtastfaktor, der mindestens fünf ist.

Description

Digitales Mikroskop mit einem Objektiv und mit einem
Bildsensor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Mikroskop mit einem Objektiv zum vergrößerten optischen Abbilden einer Probe in einer Bildebene und mit einem Bildsensor zum Wandeln des von dem Objektiv auf den Bildsensor abgebildeten Bildes in ein elektrisches Signal.
Die GB 2 384 379 A zeigt ein Anzeigesystem mit einer Kamera und mit einer Anzeige für den Frontbereich eines Zuges. Die digitale Kamera ist hochauflösend. Ein Zoom im angezeigten Bild wird dadurch realisiert, dass das digitale Bild
vergrößert wird, wodurch nur noch ein kleiner Teil des Bildes sichtbar ist.
Die US 2006/0171038 AI zeigt ein System zum Zoomen digitaler Bilder. Das System umfasst einen Bildsensor, einen
A/D-Wandler, eine Bildverarbeitungseinheit und eine Anzeige.
Die Empfindlichkeit des Bildwandlers ist größer als die
Auflösung der Anzeige. Beispielsweise ist der Bildwandler durch einen CMOS-Wandler mit einer Auflösung von 4096 mal 3072 Bildpunkten gebildet, während die Anzeige eine Auflösung von 1024 mal 768 Bildpunkten besitzt.
Die digitale Kamera SC100 des Herstellers Olympus besitzt einen Bildsensor mit 10,6 Millionen Pixeln mit einem
Pixelabstand von 1,67 ym. Die Kamera weist eine maximale
Bildwiederholrate von 42 Bildern je Sekunde bei einer
Auflösung von 968 mal 686 Pixeln auf. Die Bildwiederholrate sinkt auf 3 Bilder je Sekunde, wenn die höchste Auflösung verwendet wird. In dem wissenschaftlichen Artikel von E. J. Botcherby, R.
Juskaitis, M. J. Booth, T. Wilson: „An optical technique for remote focusing in microscopy" in Optics Communications 281 (2008) 880-887 wird das Verfahren einer erneuten Fokussierung vorgestellt. Dieses Verfahren vermeidet eine sphärische
Aberration und erlaubt einen großen axialen Scanbereich sowie eine große Scangeschwindigkeit ohne mechanische Störeinflüsse zwischen dem Objektiv und der Probe.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Nachteile einer Unterabtastung bei einem digitalen Mikroskop zu verhindern. Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein digitales Mikroskop gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße digitale Mikroskop dient zum
Mikroskopieren einer Probe. In dem digitalen Mikroskop erfolgt eine elektronische Bildwandlung, wobei das aufgenommene Bild in Form von digitalen Daten weiterverarbeitet und zur Anzeige auf einer elektronischen Bildwiedergabeeinrichtung gebracht wird . Das digitale Mikroskop umfasst zunächst ein Objektiv zum vergrößerten optischen Abbilden der Probe in einer Bildebene. Durch das Objektiv ist ein Bild mit einer optischen Auflösung in der Bildebene darstellbar. Die optische Auflösung ist durch die physikalischen Vorgänge und die Eigenschaften des
Objektivs bestimmt. Das Objektiv umfasst optische Komponenten zum vergrößerten optischen Abbilden der Probe in der
Bildebene. Die optischen Komponenten sind insbesondere durch optische Linsen und ggf. durch eine oder mehrere Blenden und Filter gebildet. Das abgebildete Bild ist bevorzugt durch ein Lichtbild gebildet.
Das digitale Mikroskop umfasst weiterhin einen Bildsensor zum Wandeln des von dem Objektiv auf den Bildsensor abgebildeten
Bildes in ein elektrisches Signal. Der Bildsensor umfasst eine Matrix von Pixeln, d. h. eine Matrix aus einzelnen
Bildsensorelementen. Die Matrix der Pixel bestimmt eine maximale Bildauflösung des Bildsensors. Durch das Wandeln des Bildes mit dem Bildsensor erfolgt ein örtliches
zweidimensionales Abtasten des Bildes. Der Bildsensor stellt einen Bildsensor dar und ist bevorzugt durch einen CMOS- Bildsensor gebildet. Bei der Matrix handelt es sich nicht lediglich um eine einzige oder wenige Zeilen von Pixeln, wie sie beispielsweise für scannende Verfahren genutzt werden. Die
Anzahl der Pixel in jeweils einer Zeile der Matrix und die Anzahl der Pixel in jeweils einer Spalte der Matrix gehören der gleichen Größenordnung an. Erfindungsgemäß ist die maximale Bildauflösung des Bildsensors feiner als die optische Auflösung des Objektivs, sodass die Pixel des Bildsensors kleiner als die kleinsten Strukturen in dem von dem Objektiv abgebildeten Bild sind. Somit besitzt der Bildsensor ein größeres Auflösungsvermögen als das Objektiv. Insofern eine Auflösung kleinerer Strukturen als eine höhere
Auflösung aufgefasst wird, so ist die maximale Bildauflösung des Bildsensors höher als die optische Auflösung des
Objektivs. Insofern die Auflösung durch einen Abstand zweier gerade noch darstellbarer bzw. unterscheidbarer Strukturen angegeben wird, so ist die maximale Bildauflösung des
Bildsensors kleiner als die optische Auflösung des Objektivs. Insofern das Objektiv veränderbare Eigenschaften aufweist, welche die optische Auflösung des Objektivs beeinflussen, so ist die maximale Bildauflösung des Bildsensors feiner als jede mit dem Objektiv erzielbare optische Auflösung. Insbesondere kann ein Vergrößerungsfaktor des Objektivs durch einen Nutzer veränderbar sein, wodurch sich die optische Auflösung des Objektivs ändert. Erfindungsgemäß ist für jeden am Objektiv wählbaren Vergrößerungsfaktor die maximale Bildauflösung des Bildsensors feiner als die resultierende optische Auflösung des Objektivs. Insbesondere ist für den größten am Objektiv wählbaren Vergrößerungsfaktor die maximale Bildauflösung des Bildsensors feiner als die resultierende optische Auflösung des Objektivs. Erfindungsgemäß weist das Objektiv einen maximalen
Vergrößerungsfaktor von höchstens 40 auf. Insofern das
Objektiv einen festen Vergrößerungsfaktor aufweist, so stellt dieser auch den maximalen Vergrößerungsfaktor dar. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen digitalen
Mikroskops besteht darin, dass die Bildwandlung durch den Bildsensor grundsätzlich mit einer örtlichen Überabtastung des Bildes erfolgt. Hierfür wird erfindungsgemäß ein Objektiv mit einem geringen Vergrößerungsfaktor von höchstens 40 verwendet, welches kostengünstig verfügbar ist. Entsprechend wird ein elektronischer Bildsensor mit einer für die Überabtastung ausreichenden Bildauflösung verwendet. Elektronische
Bildsensoren mit sehr hohen Bildauflösungen sind bereits ebenfalls kostengünstig verfügbar.
Die maximale Bildauflösung des Bildsensors ist bevorzugt mindestens 2-mal so fein wie die optische Auflösung des
Objektivs. Die maximale Bildauflösung des Bildsensors ist weiter bevorzugt mindestens 3-mal so fein wie die optische Auflösung des Objektivs. Hierdurch wird ein mehrfaches
Überabtasten erzielt, wodurch beispielsweise ein höherer
Kontrast im gewandelten Bild gewährleistet wird. Auch kann eine Rauschunterdrückung in Bezug auf beugungsbegrenzte
Bereiche des Objektivs ermöglicht werden, die in zeitlicher und räumlicher Korrelation erfolgen kann.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die maximale
Bildauflösung des Bildsensors mindestens 5-mal so fein wie die optische Auflösung des Objektivs. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die maximale Bildauflösung des
Bildsensors mindestens 10-mal so fein wie die optische
Auflösung des Objektivs. Hierdurch kommt es zu einer
Überabtastung einer höheren Ordnung, die eine hohe Qualität des gewandelten Bildes gewährleistet. Beispielsweise kann dadurch eine schnelle und aberrationsfreie 3D-Mikroskopie realisiert werden. Auch können eine schnelle Autofokussierung, eine schnelle Phasendetektion, eine hohe spektrale Auflösung, eine hohe zeitliche Auflösung und/oder ein verbesserter
Dynamikbereich erzielt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops ist der maximale Vergrößerungsfaktor höchstens 30. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops ist der maximale Vergrößerungsfaktor höchstens 20. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops ist der maximale Vergrößerungsfaktor höchstens 10. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops ist der maximale Vergrößerungsfaktor höchstens 5.
Die optische Auflösung des Objektivs ist als ein minimaler Abstand zweier im abgebildeten Bild gerade noch unterscheidbarer Strukturen definiert. Somit ist die optische Auflösung der Abstand, den zwei Strukturen mindestens haben müssen, um noch als getrennte Strukturen wahrgenommen zu werden. Die Strukturen sind bevorzugt durch punktförmige Objekte oder durch Linien gebildet. Entsprechend ist die optische Auflösung bevorzugt durch den Abstand dieser beiden Linien definiert.
Die maximale Bildauflösung des Bildsensors ist durch einen Pixelabstand definiert. Der Pixelabstand ist der Abstand zweier unmittelbar benachbarter Pixel. Der Pixelabstand ist der Quotient aus der Ausdehnung des Bildsensors in einer seiner Erstreckungsrichtungen durch die Anzahl der Pixel in dieser Erstreckungsrichtung . Der Pixelabstand ist
beispielsweise der Quotient aus der Breite des Bildsensors durch die Anzahl der Pixel in einer Zeile der Matrix. Der Pixelabstand ist beispielsweise der Quotient aus der Höhe des Bildsensors durch die Anzahl der Pixel in einer Spalte der Matrix .
Ein Quotient aus dem minimalen Abstand zweier im Bild
unterscheidbarer Strukturen durch den Pixelabstand stellt einen örtlichen Abtastfaktor dar. Der Abtastfaktor ist somit der Quotient aus der optischen Auflösung des Objektivs durch die maximale Bildauflösung des Bildsensors. Der Abtastfaktor ist erfindungsgemäß mindestens fünf. Der Abtastfaktor ist bevorzugt mindestens sechs.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops beträgt der Pixelabstand des Bildsensors höchstens 2 ym. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen
Mikroskops beträgt der Pixelabstand des Bildsensors höchstens 1,85 ym. Der Pixelabstand des Bildsensors beträgt besonders bevorzugt 2,0 ym, 1,8 ym, 1,6 ym, 1,4 ym, 1,2 ym, 1,0 ym, 0,8 ym oder 0,6 ym.
Die Anzahl der Pixel in einer Spalte des matrixförmigen
Bildsensors beträgt bevorzugt mindestens 1.000, während gleichzeitig die Anzahl der Pixel in einer Zeile des
matrixförmigen Bildsensors ebenfalls mindestens 1.000 beträgt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops beträgt die Anzahl der Pixel des Bildsensors mindestens 5
Millionen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops beträgt die Anzahl der Pixel des
Bildsensors mindestens 8 Millionen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops beträgt die Anzahl der Pixel des Bildsensors mindestens 20 Millionen. Bei
weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen
Mikroskops beträgt die Anzahl der Pixel des Bildsensors mindestens 50 Millionen. Bei weiteren bevorzugten
Ausführungsformen des digitalen Mikroskops beträgt die Anzahl der Pixel des Bildsensors mindestens 100 Millionen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops beträgt das Verhältnis zwischen der Höhe des Bildsensors zu einer Höhe der einzelnen Pixel mindestens 3.000. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops beträgt das Verhältnis zwischen der Höhe des Bildsensors zu der Höhe der einzelnen Pixel mindestens 3.900. Das Verhältnis zwischen der Höhe des Bildsensors zu der Höhe der einzelnen Pixel beträgt besonders bevorzugt 3.900, 4.000, 5.000, 6.000, 7.000 oder 10.000.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops beträgt das Verhältnis zwischen der Breite des Bildsensors zu einer Breite der einzelnen Pixel mindestens 2.000. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des digitalen
Mikroskops beträgt das Verhältnis zwischen der Breite des Bildsensors zu der Breite der einzelnen Pixel mindestens 2.800. Das Verhältnis zwischen der Breite des Bildsensors zu der Breite der einzelnen Pixel beträgt besonders bevorzugt 2.800, 3.000, 4.000, 5.000, 7.000 oder 10.000.
Die Breite des Bildsensors beträgt bevorzugt zwischen 6 mm und 25 mm; besonders bevorzugt zwischen 7 mm und 10 mm. Die Höhe des Bildsensors beträgt bevorzugt zwischen 4 mm und 25 mm; besonders bevorzugt zwischen 7 mm und 10 mm.
Das Objektiv weist eine numerische Apertur auf, die bevorzugt höchstens 1,4 beträgt. Die numerische Apertur beträgt weiter bevorzugt höchstens 1. Die numerische Apertur beträgt
besonders bevorzugt 0,25; 0,5; 0,8; 1,0 oder 1,4.
Vor dem Bildsensor ist bevorzugt mindestens ein Filter angeordnet. Beispielsweise kann vor jedem Pixel des
Bildsensors ein Filter mit einer von drei Farben angeordnet sein. Der bzw. die Filter können abstimmbar sein.
Vor dem Bildsensor ist bevorzugt ein optisches Element angeordnet, welches zu wellenlängenabhängigen Verzögerungen für das passierende Licht führt, sodass eine spektrale
Auflösung durch eine Fourier-Spektroskopie ermöglicht ist.
Vor dem Bildsensor ist bevorzugt mindestens ein Polarisator angeordnet. Bevorzugt ist eine Vielzahl der Polarisatoren vor dem Bildsensor angeordnet, sodass ein räumlich aufgelöstes polarisiertes Bild der Probe aufgenommen werden kann. Die Bildverarbeitungseinheit des digitalen Mikroskops ist bevorzugt dazu konfiguriert, die Signale von mehreren der Pixel des Bildsensors mit unterschiedlichen Verzögerungen zu verarbeiten, um eine zeitliche Auflösung zu erzielen, wodurch beispielsweise räumlich nicht auflösbare Bereiche der Probe aufgelöst werden können. Somit sind eine räumliche Auflösung und eine zeitliche Auflösung erzielbar.
Die Bildverarbeitungseinheit des digitalen Mikroskops ist bevorzugt dazu konfiguriert, die Signale von mehreren der
Pixel des Bildsensors mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten und/oder unterschiedlichen Verstärkungen zu verarbeiten, wodurch beispielsweise räumlich nicht auflösbare Bereiche der Probe aufgelöst werden können.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des digitalen Mikroskops ist der Vergrößerungsfaktor des Objektivs von einem minimalen Vergrößerungsfaktor bis zu dem maximalen Vergrößerungsfaktor veränderbar, sodass das Objektiv beispielsweise als ein Zoom- Objektiv ausgebildet ist. Die maximale Bildauflösung des
Bildsensors ist erfindungsgemäß unabhängig vom gewählten
Vergrößerungsfaktor grundsätzlich feiner als die optische Auflösung des Objektivs. Die mit dem digitalen Mikroskop erzielbare Auflösung ist konstant und nur durch die maximale Bildauflösung des Bildsensors bestimmt.
Das digitale Mikroskop ist bevorzugt für eine automatisierte Aufnahme von Teilbereichen der Probe ausgebildet. Diese
Teilbereiche sind auch als Kacheln zu bezeichnen. Es handelt sich somit um ein so genanntes Scan-Mikroskop für große
Proben. Das digitale Mikroskop umfasst entsprechend bevorzugt einen automatisiert verfahrbaren Probenträger, mit dessen Hilfe die einzelnen Kacheln aufgenommen werden können. Das digitale Mikroskop umfasst weiterhin eine
Bildverarbeitungseinheit, die dazu ausgebildet ist,
aufgenommene Bilder der Teilbereiche zu einem Bild der Probe zusammenzufügen .
Das digitale Mikroskop umfasst bevorzugt ein elektronisches Mobilgerät, welches bevorzugt durch ein Smartphone oder durch einen Tabletcomputer gebildet ist. Das elektronische
Mobilgerät umfasst eine Kamera mit dem Bildsensor und
bevorzugt zumindest einem Teil des Objektivs. Das
elektronische Mobilgerät umfasst bevorzugt das Objektiv, welches in umgekehrter Richtung auch für makroskopische
Fotografien, d. h. für übliche Fotografien mit dem Mobilgerät verwendet werden kann. Das Objektiv kann aber auch separiert vom Mobilgerät sein, sodass die Kamera den Bildsensor, aber nicht das Objektiv umfasst.
Eine erste beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen digitalen Mikroskops weist einen digitalen Zoom, aber keinen optischen Zoom auf, sodass der Vergrößerungsfaktor des
Objektivs fix ist. Das Mikroskop umfasst einen Bildsensor, der 41 Millionen Pixel in einer Matrix von 7.152 mal 5.360 aktiven Pixeln besitzt. Der Bildsensor ist 8 mm mal 6 mm groß. Der digitale Zoom-Faktor beträgt 3,4 in einem Fall, wenn das gewandelte Bild ohne eine Interpolation oder Extrapolation eine Auflösung von 1.600 mal 1.600 Bildpunkten besitzt. Der digitale Zoom-Faktor beträgt 6 in einem Fall, wenn das gewandelte Bild ohne eine Interpolation oder Extrapolation eine Auflösung von 1.000 mal 1.000 Bildpunkten besitzt.
Eine zweite beispielhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen digitalen Mikroskops ist ein
Hochgeschwindigkeits-Scan-Mikroskop für große Proben. Das Mikroskop umfasst einen Bildsensor, der 41 Millionen Pixel in einer Matrix von 7.152 mal 5.360 aktiven Pixeln besitzt. Der Bildsensor ist 8 mm mal 6 mm groß. Das Mikroskop umfasst ein Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,25 und einem Vergrößerungsfaktor von 5. Dieses Objektiv führt in dieser
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops zu einer 16-fach schnelleren Digitalisierung der Probe als bei einem Mikroskop gemäß dem Stand der Technik mit einem Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,25 und einem
Vergrößerungsfaktor von 20. Das Mikroskop umfasst alternativ ein Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,5 und einem Vergrößerungsfaktor von 10. Dieses Objektiv führt in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops zu einer 16-fach schnelleren Digitalisierung der Probe als bei einem Mikroskop gemäß dem Stand der Technik mit einem Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,5 und einem
Vergrößerungsfaktor von 40. Das Mikroskop umfasst alternativ ein Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,8 und einem Vergrößerungsfaktor von 20. Dieses Objektiv führt in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops zu einer
20-fach schnelleren Digitalisierung der Probe als bei einem Mikroskop gemäß dem Stand der Technik mit einem Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,8 und einem
Vergrößerungsfaktor von 100. Das Mikroskop umfasst alternativ ein Objektiv mit einer numerischen Apertur von 1,0 und einem
Vergrößerungsfaktor von 20. Dieses Objektiv führt in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops zu einer 56-fach schnelleren Digitalisierung der Probe als bei einem Mikroskop gemäß dem Stand der Technik mit einem Objektiv mit einer numerischen Apertur von 1,0 und einem
Vergrößerungsfaktor von 150. Das Mikroskop umfasst alternativ ein Objektiv mit einer numerischen Apertur von 1,4 und einem Vergrößerungsfaktor von 40. Dieses Objektiv führt in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops zu einer 14-fach schnelleren Digitalisierung der Probe als bei einem Mikroskop gemäß dem Stand der Technik mit einem Objektiv mit einer numerischen Apertur von 1,4 und einem
Vergrößerungsfaktor von 150.
Eine dritte beispielhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen digitalen Mikroskops ist ein
Hochgeschwindigkeits-Scan-Mikroskop für große Proben. Zur Veranschaulichung der Erfindung wird beispielhaft angenommen, dass eine Probe mit einer geeigneten Auflösung mikroskopiert wird, was zu einem Bild mit 15.000 mal 7.000 Bildpunkten führt. Das digitale Mikroskop umfasst in dieser
Ausführungsform einen Bildsensor, der 18 Millionen Pixel in einer Matrix von etwa 5.000 mal 3.500 aktiven Pixeln besitzt und eine Bildwiederholrate von 10 Bildern je Sekunde
ermöglicht. Entsprechend ist eine Aufteilung in
(15.000/5.000) · (7.000/3.500) = 3 -2 = 6 Kacheln erforderlich. Die Positionierung der Probe dauert für jede Kachel etwa
2 Sekunden. Entsprechend dauert die Aufnahme der gesamten
Probe: 6 · 1/(10 1/s) + 6 · 2 s ~ 13 s. Alternativ beträgt die Bildwiederholrate 1 Bild je Sekunde, was zu eine Dauer zur Aufnahme der gesamten Probe von 6 · 1/(1 1/s) + 6 - 2 s = 18 s führt. Im Vergleich dazu weist ein digitale Mikroskop gemäß dem Stand der Technik beispielhaft einen Bildsensor auf, der
2 Millionen Pixel in einer Matrix von etwa 2.000 mal 1.000 aktiven Pixeln besitzt und eine Bildwiederholrate von 25
Bildern je Sekunde ermöglicht. Entsprechend ist eine
Aufteilung in (15.000/2.000) · (7.000/1.000) * 7 -7 = 49
Kacheln erforderlich. Die Positionierung der Probe dauert für jede Kachel etwa 1 Sekunde. Entsprechend dauert die Aufnahme der gesamten Probe: 49 · 1/ (25 1/s) + 49 · 1 s ~ 51 s. Dieser Vergleich verdeutlicht, dass das erfindungsgemäße digitale Mikroskop in dieser Ausführungsform eine mehrfach schnellere Aufnahme der gesamten Probe ermöglicht.
Eine vierte beispielhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen digitalen Mikroskops umfasst ein
elektronisches Mobilgerät in Form eines Smartphones,
Tabletcomputers oder dergleichen. Das elektronische Mobilgerät umfasst eine Kamera mit einem Bildsensor, welcher den
Bildsensor des Mikroskops bildet. Der Bildsensor weist einen kleinen Pixelabstand von weniger als 2,0 ym und eine große
Pixelanzahl von 8, 13, 20, 40, 50 oder 100 Millionen Pixeln auf .
In der folgenden Tabelle 1 sind Parameter von sieben
verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Mikroskops aufgelistet. In der ersten Spalte ist jeweils der Vergrößerungsfaktor M des Objektivs angegeben. In der zweiten Spalte ist jeweils die numerische Apertur NA des Objektivs angegeben. Bei allen sieben Ausführungsformen wird Licht mit einer mittleren Wellenlänge λ = 500 nm verwendet. Bei allen sieben Ausführungsformen beträgt der Auflösungsfaktor
RF = 1,22. In der dritten Spalte ist jeweils die optische Auflösung Δχ des Objektivs angegeben. Die optische Auflösung Δχ ergibt sich gemäß dem Rayleigh-Kriterium als
Δχ = RF · λ / (2 · NA) . Zur Angabe der darstellbaren
Linienpaare wird davon ausgegangen, dass jeweils jedes der Linienpaare so breit wie die optische Auflösung Δχ ist, sodass sich die Anzahl der Linienpaare LP je mm als 1 / Ax in der vierten Spalte ergeben. Weiterhin wird von einem Faktor 4 auf der Basis der Nyquist-Bedingung ausgegangen. In der fünften
Spalte ist der sich daraus erfindungsgemäß ergebende
Pixelabstand PP des Bildsensors angegeben. Bevorzugt ist der Pixelabstand kleiner als der angegebene Wert. M NA Δχ in nm LP je mm PP in ym
2,50 0,075 4076 246 2,542
10 0,45 678 1475 1, 694
20 0,8 381 2623 1, 906
40 0, 95 321 3115 3,211
63 1,4 218 4590 3,431
25 0,3 1017 984 6, 354
Tabelle 1.
Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Auflösung von dem Vergrößerungsfaktor bei einem erfindungsgemäßen Mikroskop und bei einem Mikroskop gemäß dem Stand der Technik; eine vergleichende Darstellung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikroskops und Mikroskopen gemäß dem Stand der Technik; und eine weitere Darstellung zweier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikroskops.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Auflösung eines Mikroskops von dem Vergrößerungsfaktor des Mikroskops bei einer bevorzugten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Mikroskops und bei einem Mikroskop gemäß dem Stand der Technik. Auf der x-Achse des Diagramms ist der Vergrößerungsfaktor aufgetragen. Auf der y-Achse des Diagramms ist die Auflösung in ym aufgetragen. Ein erster Graph Ol aus mehreren Punkten zeigt die Abhängigkeit der Auflösung von dem Vergrößerungsfaktor für ein Mikroskop gemäß dem Stand der Technik. Die Auflösung ist nicht konstant und wird mit
steigendem Vergrößerungsfaktor feiner, wobei sie sich einem minimalen Wert annähert. Ein zweiter Graph 02 zeigt die
Abhängigkeit der Auflösung von dem Vergrößerungsfaktor für eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
digitalen Mikroskops. Die Auflösung ist nicht von dem
Vergrößerungsfaktor abhängig und weist im Vergleich zum Stand der Technik immer den minimalen Wert auf.
Fig. 2 zeigt eine vergleichende Darstellung von
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikroskops und
Mikroskopen gemäß dem Stand der Technik. Es sind eine erste Ausführungsform 04, eine zweite Ausführungsform 05 und eine dritte Ausführungsform 06 gemäß dem Stand der Technik
dargestellt. Es sind weiterhin eine erste bevorzugte
Ausführungsform 07 und eine zweite bevorzugte Ausführungsform
08 des erfindungsgemäßen Mikroskops dargestellt. Es sind jeweils eine Probe 10, ein Objektiv 11 und ein Bildsensor 12 dargestellt. Das Objektiv 11 der ersten Ausführungsform 04 gemäß dem Stand der Technik weist einen festen
Vergrößerungsfaktor auf. Der Bildsensor 12 der ersten
Ausführungsform 04 gemäß dem Stand der Technik weist einen großen Pixelabstand auf, sodass es zu einer örtlichen
Unterabtastung kommt. Der Bildsensor 12 der zweiten
Ausführungsform 05 gemäß dem Stand der Technik und der
Bildsensor 12 der dritten Ausführungsform 06 gemäß dem Stand der Technik sind jeweils in einem Smartphone (nicht
dargestellt) angeordnet und weisen einen kleineren
Pixelabstand auf. In dem Smartphone befindet sich jeweils eine Linse 13, die gleichzeitig einen Teil des Objektivs 11 bildet. Das Objektiv 11 der dritten Ausführungsform 06 weist zudem ein Okular 14 auf. Da der Abstand des Smartphones veränderbar ist, verändert sich auch der Vergrößerungsfaktor. Jedoch ist die dadurch erzielbare Abbildung nicht an den jeweiligen
Bildsensor 12 angepasst. Die erste Ausführungsform 07 und die zweite Ausführungsform 08 des erfindungsgemäßen Mikroskops unterscheiden sich von den Ausführungsformen 04, 05, 06 gemäß dem Stand der Technik insbesondere darin, dass sie einen kleinen Vergrößerungsfaktor von höchstens 40 aufweisen.
Dadurch ergibt sich zudem ein größeres Sichtfeld (Field of View) . Die Abbildung des Objektivs 11 ist bei den beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen 07, 08 auf den Bildsensor 12 mit einem kleinen Pixelabstand von höchstens 2,0 ym
angepasst, sodass eine örtliche Überabtastung gewährleistet ist .
Fig. 3 zeigt eine weitere Darstellung zweier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikroskops. Es sind eine dritte
bevorzugte Ausführungsform 16 und eine vierte bevorzugte
Ausführungsform 17 des erfindungsgemäßen Mikroskops
dargestellt, die wiederum jeweils das Objektiv 11 und den Bildsensor 12 umfassen. Das Objektiv 11 der dritten
Ausführungsform 16 umfasst zwei gleiche Teilobjektive 20, die jeweils eine Gruppe von Linsen oder eine einzelne Linse umfassen können. Die vierte Ausführungsform 17 umfasst eine Einrichtung 21 zur automatischen Fokussierung mit einem weiteren Objektiv 22 und einem weiteren Bildsensor 23. Die vierte Ausführungsform 17 umfasst einen Strahlteiler 24, der durch einen 50/50-Strahlteiler, durch einen
Polarisationsstrahlteiler, durch einen Spiegel oder durch einen Interferenzstrahlteiler gebildet sein kann. Der
Strahlteiler 24 ist optional entfernbar. Der Pixelabstand des Bildsensors 12 der dritten
Ausführungsform 16 beträgt 1 ym, während der Pixelabstand des Bildsensors 12 der vierten Ausführungsform 17 gleich 2 ym beträgt. Die Anzahl der Pixel des Bildsensors 12 beträgt beispielhaft 15,2 Millionen. Der Vergrößerungsfaktor des Objektivs 11 der dritten und vierten Ausführungsform 16, 17 beträgt 4 und alternativ 10 oder 20. Die dritte
Ausführungsform 16 ist als Scan-Mikroskop ausgebildet, wofür der Bildsensor 12 verschiebbar ist.
Der kleine Wert des Pixelabstandes von höchstens 2 ym führt zu einer Verbesserung der Bildqualität, insbesondere zu einem aberrationsfreien Bild. Zudem erlaubt der kleine Wert des Pixelabstandes von höchstens 2 ym eine schnelle
Autofokussierung durch eine Multispot-Messung unter Verwendung eines Objektivs mit einem kleinen Vergrößerungsfaktor von höchstens 40, z. B. 4, 10 oder 20. Insofern das Objektiv einen Vergrößerungsfaktor von 4 aufweist, so muss der Bildsensor mindestens 15,2 Millionen Pixel aufweisen. Insofern das
Objektiv einen Vergrößerungsfaktor von 10 aufweist, so muss der Bildsensor mindestens 2,5 Millionen Pixel aufweisen.
Insofern das Objektiv einen Vergrößerungsfaktor von 20 aufweist, so muss der Bildsensor mindestens 630.000 Pixel aufweisen. Wird ein Objektiv mit einem höheren
Vergrößerungsfaktor verwendet, so wird ein Bildsensor mit einer kleineren Pixelanzahl zur Erzielung der gleichen
Funktion benötigt. Insofern das Objektiv einen
Vergrößerungsfaktor von 60 aufweist, so muss der Bildsensor mindestens 68.000 Pixel aufweisen. Insofern das Objektiv einen
Vergrößerungsfaktor von 100 aufweist, so muss der Bildsensor mindestens 33.000 Pixel aufweisen. Bezugszeichenliste
01 erster Graph
02 zweiter Graph
03
04 erste Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik
05 zweite Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik
06 dritte Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik
07 erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops
08 zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops 09
10 Probe
11 Objektiv
12 Bildsensor
13 Linse
14 Okular
15
16 dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops
17 vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops 18
19
20 Teilobjektiv
21 Einrichtung zur automatischen Fokussierung
22 weiteres Objektiv
23 weiterer Bildsensor
24 Strahlteiler

Claims

Patentansprüche
1. Digitales Mikroskop (07; 08; 16; 17); umfassend:
ein Objektiv (11) zum vergrößerten optischen Abbilden einer Probe (10) in einer Bildebene, wobei durch das Objektiv (11) ein Bild mit einer optischen Auflösung in der Bildebene darstellbar ist; und
einen Bildsensor (12) zum Wandeln des von dem Objektiv (11) auf den Bildsensor (12) abgebildeten Bildes in ein elektrisches Signal, wobei der Bildsensor (12) eine Matrix von Pixeln umfasst, durch welche eine maximale Bildauflösung des Bildsensors bestimmt ist;
dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Bildauflösung des Bildsensors (12) feiner als die optische Auflösung des Objektivs (11) ist, und dass das Objektiv (11) einen maximalen Vergrößerungsfaktor von höchstens 40 besitzt, wobei die optische Auflösung des Objektivs (11) als ein minimaler Abstand zweier im Bild unterscheidbarer
Strukturen definiert ist, wobei die maximale Bildauflösung des Bildsensors (12) durch einen Pixelabstand definiert ist, und wobei ein Quotient aus dem minimalen Abstand zweier im Bild unterscheidbarer Strukturen und dem
Pixelabstand einen Abtastfaktor definiert, der mindestens fünf ist.
2. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der maximale Vergrößerungsfaktor des Objektivs (11) höchstens 20 ist.
3. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der maximale Vergrößerungsfaktor des Objektivs (11) höchstens 10 ist.
4. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pixelabstand des
Bildsensors (12) höchstens 2 ym beträgt.
5. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Pixelabstand des Bildsensors (12) höchstens 1,85 ym beträgt.
6. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pixel des Bildsensors (12) mindestens 8 Millionen beträgt.
7. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pixel des Bildsensors (12) mindestens 20 Millionen beträgt.
8. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pixel des Bildsensors (12) mindestens 50 Millionen beträgt.
9. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von einer Höhe des Bildsensors (12) zu einer Höhe der einzelnen Pixel des Bildsensors (12) mindestens 3.900 beträgt.
10. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von einer Breite des Bildsensors (12) zu einer Breite der einzelnen Pixel des Bildsensors (12) mindestens 2.800 beträgt.
11. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (11) eine numerische Apertur aufweist, die höchstens 1,4 beträgt.
12. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die numerische Apertur des Objektivs höchstens 1 beträgt.
13. Mikroskop (07; 08; 16; 17) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergrößerungsfaktor des Objektivs (11) von einem minimalen Vergrößerungsfaktor bis zu dem maximalen Vergrößerungsfaktor veränderbar ist, wobei die maximale Bildauflösung des Bildsensors (12) unabhängig vom gewählten Vergrößerungsfaktor größer als die optische Auflösung des Objektivs (11) ist.
14. Mikroskop (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es für eine automatisierte Aufnahme von Teilbereichen der Probe (10) ausgebildet ist, wobei eine Bildverarbeitungseinheit des Mikroskops (16) dazu ausgebildet ist, aufgenommene Bilder der Teilbereiche zu einem Bild der Probe (10) zusammenzufügen.
15. Mikroskop (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es ein elektronisches Mobilgerät umfasst, welches durch ein Smartphone oder durch einen Tabletcomputer gebildet ist und welches eine Kamera mit dem Bildsensor umfasst.
EP17728084.9A 2016-06-06 2017-05-23 Digitales mikroskop mit einem objektiv und mit einem bildsensor Withdrawn EP3452859A1 (de)

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