EP3602164A1 - Programmierbare mikroskopsteuerungseinheit mit frei verwendbaren anschlüssen, mikroskopsystem mit einer mikroskopsteuerungseinheit und verfahren zum betrieb einer mikroskopsteuerungseinheit - Google Patents

Programmierbare mikroskopsteuerungseinheit mit frei verwendbaren anschlüssen, mikroskopsystem mit einer mikroskopsteuerungseinheit und verfahren zum betrieb einer mikroskopsteuerungseinheit

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Publication number
EP3602164A1
EP3602164A1 EP18727150.7A EP18727150A EP3602164A1 EP 3602164 A1 EP3602164 A1 EP 3602164A1 EP 18727150 A EP18727150 A EP 18727150A EP 3602164 A1 EP3602164 A1 EP 3602164A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control unit
microscope
script
microscope control
components
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Withdrawn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
EP18727150.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Weber
Robert Mainberger
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.)
Leica Microsystems CMS GmbH
Original Assignee
Leica Microsystems CMS 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 Leica Microsystems CMS GmbH filed Critical Leica Microsystems CMS GmbH
Publication of EP3602164A1 publication Critical patent/EP3602164A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0426—Programming the control sequence
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/26—Pc applications
    • G05B2219/2656—Instrumentation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45121—Operating microscope, mounted on manipulator arm

Definitions

  • the present invention relates to a microscope control unit having at least one connection which can be connected to one or more electrically controllable microscope components or other electrically controllable components, and to an automated microscope system having such a microscope control unit and to a method for operating such a microscope control unit.
  • microscopes with one or more electrically controllable components are referred to, for example, where a digital camera acts as a detector and the images are displayed on a monitor or, for example, the light source is controlled. It can also be a digital microscope, which is characterized by the fact that it dispenses with a tube for a visual insight on the microscope image and generates only a digital microscope image and displays this on a display or monitor.
  • Such automated microscopes usually have a microscope control unit, which comprises an electronic unit and a control program, the so-called firmware.
  • firmware for every microscope component, which should be electrically controllable, a program part be present. This applies, for example, to components such as camera, x / y stage, zoom, lighting, etc.
  • the microscope control unit can be connected to input devices, such as rotary knobs, switches or touchscreens, but also to a user interface on conventional PCs, which runs by means of a so-called human machine interface (HMI software for human machine interface) ,
  • DE 10 2010 063 392 A1 shows a digital microscope, which dispenses with visual inspection, and with an image acquisition device set up for the optical and digital acquisition of an object to generate an object image, and with a display of the object image in a display region and for recording equipped with inputs in the display area formed sensor screen, wherein the microscope for changing settings of motorized and / or electrically controllable microscope components on the microscope is set up based on the detected in the display area of the touch screen inputs.
  • microscope systems have a microscope control unit, associated electrically controllable microscope components and a computer (PC) for operation.
  • the PC can also be used to offer the user, in a software program, automated sequences and boundary conditions for selection, which are then executed by the microscope control unit. As a result, processes that are not offered can not be executed.
  • EP 1 426 754 A1 relates to the control of an image recording, in which a control unit controls the devices required for image recording and a computer unit processes the data of the recorded images. To get the speed To increase the flexibility and reproducibility of image acquisition, it is proposed to combine control commands for image acquisition into at least one script and to transmit at least one script from the computer unit to the control unit.
  • a microscope control unit with at least one connection which can be connected to one or more electrically controllable microscope components or other electrically controllable components
  • a microscope system with such a microscope control unit and a method for operating such a microscope control unit with the features of the independent patent claims are proposed.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
  • a microscope control unit with at least one connection which is connectable to one or more electrically controllable microscope components or other electrically controllable components, presented, wherein at least one connection parameter of the at least one terminal programmatically configurable, wherein on the microscope control unit at least one Script is stored with script commands, and wherein the at least one port is controlled by means of these script commands.
  • a microscope control unit has the advantage that the at least one connection can be freely used by the user.
  • connection refers to an electrical interface serving as inputs or outputs for electrical control signals to electrically controllable components and / or electrically controllable components, which are arranged inside or outside the microscope system, are definable.
  • Free means, in particular, that the connection in question does not serve a predetermined purpose, but is freely usable and, in particular, freely definable in its function or protocol, so that the connection can be used in a predefined way by means of appropriate script commands
  • any electrically controllable microscope components or other components operated in conjunction with the microscope can be controlled by the microscope control unit when executing the script.
  • the microscope control unit can be set up to control any combination of one or more of the following electrically controllable microscope components by means of the script commands via the at least one connection:
  • a motorized Z-drive for adjusting the distance between a lens and a sample
  • a motorized turntable with optical components for example an incident light turntable (IL Turret) with a plurality of optionally insertable into the beam path of the microscope Fluorenzfilter cubes, an electrically switchable light source,
  • IL Turret incident light turntable
  • AOBS acousto-optic beam splitter
  • AOM acousto-optic modulator
  • the microscope control unit can be configured to control other electrically controllable components by means of the script commands.
  • electrically controllable components are conceivable which can be operated in conjunction with the microscope and a test carried out therewith.
  • the experimental setup around the microscope may require a controllable climate chamber or a water supply or discharge or a gas supply or discharge (eg evacuation to a certain negative pressure).
  • an electrically controllable water pump or gas pump or vacuum pump or an electrically controllable climate control unit could be controlled by the microscope control unit via the at least one connection.
  • the invention offers the advantage that the user of the microscope himself can select which electrically controllable components he wants to use and couple to the microscope.
  • This free configuration of the microscope with microscopically adapted to the microscope microscope components and the control of these microscope components is independent of whether they were already known at the time of manufacture of the microscope or routinely supported by the firmware of the manufacturer of the microscope control unit or not.
  • a disadvantage of the earlier solution lies in the fact that each component to be controlled had to be permanently implemented in the microscope control unit.
  • every smallest extension of the experimental set-up caused a change in the microscope control unit due to a newly used, electrically controlled component. For example, a new camera type with new trigger behavior inevitably required a factory change to the microscope control unit.
  • the at least one connection parameter of the at least one connection can be configured programmatically by means of the script commands.
  • a configuration environment may be provided in the form of a user program, for example in the form of the programming device or PC mentioned below.
  • the at least one programmably configurable connection parameter preferably comprises at least one parameter which configures the connection as:
  • the at least one programmably configurable connection parameter preferably comprises at least one parameter selected from:
  • the configuration may include any combination of parameters.
  • the at least one connection comprises an input and is optionally configurable as an analog input or as a digital input.
  • special connections designed as analog inputs and special connections designed as digital inputs may also be included and configurable. Such an embodiment is easier to manufacture.
  • the at least one port comprises an output and is optionally configurable as an analog output or as a digital output.
  • special connections designed as analog outputs and special digital outputs are also included and configurable.
  • the at least one port comprises a so-called general purpose input / output (GPIO) port. It is then a connection whose behavior, independently of whether as input or output, is freely programmable. Such an embodiment offers great flexibility.
  • GPIO general purpose input / output
  • the microscope control unit is configured to be able to process script instructions of a predetermined script instruction set.
  • the script command set also includes script commands which are assigned no functions of the at least one port, but other functions, in particular program flow operations (such as waiting, repeating, loops, etc.), arithmetic operations (such as adding, multiplying, etc.), etc.
  • the script commands of the at least one script can be selected from the script command record by a user, and their sequence in the script can be specified by the user.
  • the user can make the script substantially free using the instruction set.
  • the microscope control unit is set up to be data-transmitting connected to a user interface via which the user can select the script commands of the at least one script from the script command set and via which the sequence in the script can be predetermined by the user.
  • the microscope control unit can be designed such that the user interface is designed as a hardware-based input unit of a programming device.
  • the user interface is designed as a user interface of a running on a separate processing unit, in particular PC, user program.
  • the user program can be a (pure) programming environment or an operating program for the microscope system.
  • the microscope control unit is preferably configured to be connected to a PC for data transmission.
  • HMI software can be executed which serves as a user interface by being implemented as a user interface of the user program. From there, the transmission of the script to the microscope control unit, by means of which the microscope system is operated. This makes the programming and / or operation of the microscope system very convenient and easy.
  • the PC can also be used for visualization, for example of recorded images or of any measured values.
  • the script may also be stored in a volatile memory, for example in a cache memory, or in a non-volatile memory of the operating PC or the microscope control unit or an external memory or a server.
  • a volatile memory for example in a cache memory, or in a non-volatile memory of the operating PC or the microscope control unit or an external memory or a server.
  • Another variant of the microscope control unit can be designed so that the script can be transferred as a text file to the microscope control unit. It is advantageous if the script is received in a text format, for example ASCII, ANSI or Unicode / UTF, since this ensures great compatibility.
  • the microscope control unit is designed for fast and user-friendly control of the at least one connection by assigning it a control program with an interpreter for the script, which converts the script commands into functions of the at least one connection.
  • a control program with an interpreter for the script, which converts the script commands into functions of the at least one connection.
  • This provides the ability to conveniently transfer the script to the microscope control unit in an intelligible or readable form, i. as a sequence of textual script commands.
  • a compilation step before transfer can be omitted, so that in particular the programming device does not have to be adapted for compilation for different target systems.
  • This advantage is achieved because the interpreter contained in the control program is not part of the user program.
  • the control program is stored in the microscope control unit itself.
  • the control program is stored in an assembly outside the microscope control unit.
  • the microscope control unit has an electronics unit and comprises the associated control program with an interpreter for the script.
  • the microscope control unit according to the invention not only allows substantially simpler adaptations of the functional assignment of the at least one connection to newly adapted electrically controllable microscope components or other electrically controllable components of the experimental setup.
  • the script commands are implemented as real-time commands for controlling the at least one connection.
  • a plurality of functional assignments of the at least one connection of the microscope control unit can be realized.
  • a channel type for the at least one port can be defined for the microscope control unit by means of the script commands.
  • At least one variable and / or at least one command and / or at least one script and / or at least one function block be provided by means of channels in the microscope control unit by means of the script commands.
  • FIG. 1 shows schematically in a block diagram a microscope system according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows schematically the microscope system of Figure 1 in another schematic view.
  • FIG. 3 shows schematically in a block diagram a sequence of an exemplary experiment using a microscope system according to the invention.
  • FIG. 4 schematically shows, in a block diagram, the course of the experiment when using a microscope system according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 and 2 schematically show a microscope system according to a preferred embodiment of the invention.
  • the microscope system has a microscope control unit 100 according to a preferred embodiment of the invention in a running on the microscope control unit 100 script for the use of freely usable connections in the form of inputs and outputs 101, with which one configured here as a control PC 10
  • HMI Human / machine interface
  • microscope components 200, 300 are signal transmitting connected.
  • the microscope components can be subdivided, for example, into internal microscope components 300 and external microscope components 200.
  • the internal microscope components 300 are characterized in that they are mounted on or in the microscope chassis 1 and are considered as part of the microscope, such as an IL-turret 301, a Z-drive 302, a reivrevverver 303, etc.
  • external microscope components 200 for example, an XY table 201, a lighting device (possibly with shutter) 202, a Camera 203, etc. are viewed.
  • these may also be mounted on the microscope chassis 1, they are usually not regarded as part of "the microscope”.
  • the microscope components 200, 300 each have a controllable actuator (for example electric motor), they can be controlled in the context of the invention in a script running on the microscope control unit 100.
  • the script comprises a sequence of selected script commands to which functions of the inputs and outputs of the microscope control unit 100 are assigned. Such functions include, in particular, reading and writing functions.
  • microscope master The microscope master can be implemented by a microcontroller, DSP (Digital Signal Processor) or FPGA (Field Programmable Gate Array) ,
  • Some components have dependencies on other components. For example, it may be necessary for the Z-drive to be lowered prior to moving the nosepiece to prevent a collision of lenses with the XY-table.
  • the dependencies which are absolutely necessary to ensure operational safety, are referred to as critical dependencies and are preferably implemented firmly in the microscope master. That When a movement of the nosepiece is controlled, the microscope master automatically controls the Z-drive accordingly. This can include lowering the XY table, then rotating the nosepiece and, if necessary, lifting the XY table.
  • the configuration preferably takes place via HMI, for example PC 10, where the connections to be used are declared to the components to be controlled and the dependencies of the connections to one another be configured.
  • HMI for example PC 10
  • the configuration can be done completely or in parts at runtime.
  • each port receives a unique number, the channel number.
  • channel numbers are assigned to the inputs and / or outputs of the microscope control unit 100 by appropriate script commands.
  • each electrically controllable microscope component can be assigned at least one channel, wherein each channel in the script is configured by appropriate script commands as input and / or output for sequential or parallel processing.
  • the channel number is used to access the script, which is designed as part of the control program of the microscope control unit, that is to say of the microscope master 100.
  • the script defines the program flow using channel numbers.
  • the available script instructions are fixedly implemented in the microscope master 100, here preferably in an interpreter running on the control program of the microscope master 100, and provide rudimentary instructions, for example 'writing', 'reading', 'adding' or 'multiplying' ren ', which are used in particular for processing the defined channels.
  • the available set of instructions is called a instruction set.
  • the microscope master can be set up to be able to process one or more of the following commands, to which functions of the inputs and outputs of the microscope control unit 100 are partially assigned.
  • - SET CHANNEL Sets the value of a channel.
  • WAIT CHANNEL Waits until the specified value is reached.
  • the microscope control unit 100 that is, the microscope master, executes scripts in a timer with temporal grid, wherein the time interval for the temporal grid is freely selectable.
  • This offers a real-time capability for the running control program of the microscope control unit 100.
  • Real-time systems are characterized by the fact that a result of an arithmetic operation (eg process or task) is guaranteed within a defined time interval, ie before a certain time limit.
  • a so-called "real-time” system runs on the processor of the microscope control unit 100 for this purpose.
  • Operating system that regulates the different processes and tasks.
  • Alternative solutions are also known which do not require a real-time operating system. This is made possible, for example, by the use of state machines (statemachines) and interrupts.
  • scripts and the number of script commands defined therein are not limited or only by the memory location of the microscope control unit 100, that is, the microscope master, according to the preferred embodiment described here.
  • scripts can be started and stopped, for example by user input from the PC 10.
  • the script itself also has an interface and a freely definable channel number, as a result of which a script can be viewed like any other channel with all available operations.
  • the microscope control unit 100 is configured to provide different types of channels, such as e.g. one or more of type 'variable', 'hardware', 'command', 'script' and 'function block'.
  • types of channels such as e.g. one or more of type 'variable', 'hardware', 'command', 'script' and 'function block'.
  • Each instance of a channel type is assigned a unique channel number.
  • a variable can be written and read.
  • Hardware A hardware channel is any analog or digital input or output. This channel type is used, for example, to trigger external components. For synchronization with an external component, such as a camera, for example, a digital input hardware channel and a digital output hardware channel are defined. Using both channels, trigger conditions can be implemented. Another example is generating any output voltage to control an external component, such as a light source. The value of the output voltage is set out of a script.
  • Command A command describes an ASCII string for communication with a component. The ASCII string to be used is defined prior to use and can have both a static and a dynamic part, with the dynamic part always being assigned to the variable type. The dynamic component can be used, for example, to set the position of a component.
  • the string "76022 position” is used to set the position of the nosepiece, where the position can be either dynamic or static.
  • a script consists of any number of sequential commands for processing channels.
  • a function block describes the linking of channels, whereby the function can be a logical, for example "AND” or “OR” or arithmetic "ADD” or “MULTIPLIER” as well as a permanently defined or freely definable LUT (look-up table).
  • the microscope master first the components and parameters to be used are selected (during the programming) and the time sequence is configured.
  • the selection and configuration of the script commands in the desired order, so the definition of the script for example, via the PC 10 in a dedicated input menu.
  • This input menu represents the user interface, which is designed as a user interface of an application program, with which desired script commands can be selected from the script command set and whose sequence can be specified in the script.
  • the sequence of an experiment is shown from the components XY table 301, illumination 302 and camera 303. This process is repeated n times within an experiment.
  • the process includes (after configuration / declaration), for example, the following steps:
  • the interfaces or channel numbers of the components may look like this, for example:
  • the script can look like this:
  • a disadvantage of such a solution is that in a control program running on the microscope master no access to certain microscope components, such as e.g. XY table control, Z-drive, IL-turret is possible. These must be controlled by a user program running on the PC so that no real-time experiment is possible.
  • the type and number of electrically controllable components is limited by the firmware specified by the manufacturer of the microscope system or the microscope control unit.
  • PC sets command to move from XY table to microscope.
  • PC sets command to move IL-Turret to microscope.
  • the microscope control unit 100 Since the microscope control unit 100, the microscope master, is set up to execute a script with script commands and assign the script commands selectable functions of the inputs and outputs by means of the interpreter in the control program of the microscope control unit 100, all steps of the experiment in the context of a on the Microscope control unit 100 running control program to be performed.
  • the user sets the script with the script commands for assigning the channels before the experiment. It also configures the ports to use, such as the protocol to use, and so on.
  • the script prepared by the user contains the script commands selected in the order selected. By means of the interpreter of the control program, the script is converted into commands for configuring the connections, for determining the channels of the inputs and outputs of the microscope control unit 100, and thus for commands for controlling all electrically controllable components. This starts the execution as a real-time experiment.
  • PC transmits the script prepared by the user to the microscope control unit 100, the microscope master
  • the commands in the form of the script commands in real time are now available to the microscope control unit 100 and thus to the microscope system through the script which can be freely configured by the user before the experiment. This leads to a much faster course of the experiment.
  • the user can also integrate any electrically controllable components into his experiment.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikroskopsteuerungseinheit (100) mit wenigstens einem Anschluss (101), der mit einer oder mehreren elektrisch ansteuerbaren Mikroskopkomponenten (201, 202, 203, 204, 301, 302, 303, 304) oder anderen elektrisch ansteuerbaren Komponenten verbindbar ist, wobei wenigstens ein Anschlussparameter des wenigstens einen Anschlusses (101) programmtechnisch konfigurierbar ist, wobei auf der Mikroskopsteuerungseinheit (100) mindestens ein Script mit Scriptbefehlen bereitgestellt ist, und wobei der wenigstens eine Anschluss (101) mittels der Scriptbefehle ansteuerbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Mikroskopsystem mit einer solchen Mikroskopsteuerungseinheit (100) und wenigstens einer Mikroskop- oder anderen elektrisch ansteuerbaren Komponente.

Description

Programmierbare Mikroskopsteuerungseinheit mit frei verwendbaren Anschlüssen, Mikroskopsystem mit einer Mikroskopsteuerungseinheit und Verfahren zum Betrieb einer Mikroskopsteuerungseinheit
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikroskopsteuerungseinheit mit wenigstens einem Anschluss, welcher mit einer oder mehreren elektrisch ansteuerbaren Mikroskopkomponenten oder anderen elektrisch ansteuerbaren Komponenten verbindbar ist, und ein automatisiertes Mikroskopsystem mit einer solchen Mikroskopsteuerungseinheit sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Mikroskopsteuerungseinheit.
Stand der Technik
Als automatisierte Mikroskope werden üblicherweise Mikroskope mit einer oder mehreren elektrisch ansteuerbaren Komponenten bezeichnet, bei denen beispielsweise eine Digitalkamera als Detektor fungiert und die Bilder auf einem Monitor angezeigt werden oder beispielsweise die Lichtquelle ansteuerbar ist. Dabei kann es sich auch um ein Digitalmikroskop handeln, welches sich dadurch auszeichnet, dass es auf einen Tubus für einen visuellen Einblick auf das Mikroskopbild verzichtet und ausschließlich ein digitales Mikroskopbild erzeugt und dieses auf einem Display oder Monitor anzeigt. Solche automatisierten Mikroskope verfügen in der Regel über eine Mikroskopsteuerungseinheit, welche eine Elektronik-Einheit und ein Steuerprogramm, die sogenannte Firmware, umfasst. In der Firmware muss für jede Mikroskopkom- ponente, die elektrisch ansteuerbar sein soll, ein Programmteil vorhanden sein. Dies betrifft beispielweise Komponenten wie Kamera, x/y-Tisch, Zoom, Beleuchtung usw. Wenn weitere ansteuerbare Komponenten mit dem Mikroskop verbunden werden sollen, muss jeweils die Firmware geändert und nachträglich auf be- reits vorhandenen Mikroskopen geändert werden. Die Mikroskopsteuerungseinheit kann dabei mit Eingabegeräten, wie z.B. Drehknöpfen, Schaltern oder Touch- screens, aber auch mit einer Benutzeroberfläche auf herkömmlichen PCs, die mittels sogenannter Mensch-Maschine-Schnittstelle (engl. HMI-Software für human machine interface) abläuft, in Verbindung stehen.
Beispielsweise zeigt die DE 10 2010 063 392 AI ein Digitalmikroskop, das auf einen visuellen Einblick verzichtet, und mit einer zur optischen und digitalen Erfassung eines Objekts unter Erzeugung eines Objektbildes eingerichteten Bilderfassungseinrichtung und mit einem zur Anzeige des Objektbildes in einem Anzeigebe- reich und zur Erfassung von Eingaben in dem Anzeigebereich ausgebildeten Sensorbildschirm ausgerüstet ist, wobei das Mikroskop zur Veränderung von Einstellungen von motorisierten und/oder elektrisch steuerbaren Mikroskopkomponenten am Mikroskop auf Grundlage der in dem Anzeigebereich des Sensorbildschirms erfassten Eingaben eingerichtet ist.
Insbesondere moderne Mikroskopsysteme verfügen über eine Mikroskopsteuerungseinheit, damit verbundene elektrisch ansteuerbare Mikroskopkomponenten und einen Computer (PC) zur Bedienung. Der PC kann dabei in Grenzen auch dazu genutzt werden, in einer Software dem Benutzer zur Auswahl automatisierte Ab- läufe und Randbedingungen anzubieten, welche dann von der Mikroskopsteuerungseinheit ausgeführt werden. Abläufe, die nicht angeboten werden, können demzufolge nicht ausgeführt werden.
Die EP 1 426 754 AI betrifft die Steuerung einer Bildaufnahme, bei der eine Steu- ereinheit die zur Bildaufnahme erforderlichen Geräte ansteuert und eine Rechnereinheit die Daten der aufgenommenen Bilder verarbeitet. Um die Geschwindig- keit, die Flexibilität und die Reproduzierbarkeit der Bildaufnahme zu erhöhen, wird vorgeschlagen, Steuerbefehle zur Bildaufnahme zu mindestens einem Script zusammenzufassen und zumindest ein Script von der Rechnereinheit an die Steuereinheit zu übertragen.
Es ist wünschenswert, diese Grenzen in den vorgegebenen automatisierten Abläufen aufzubrechen und beliebige elektrisch ansteuerbare Komponenten mittels der Mikroskopsteuerungseinheit nutzbar zu machen. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Mikroskopsteuerungseinheit mit wenigstens einem Anschluss, der mit einer oder mehreren elektrisch ansteuerbaren Mikroskopkomponenten oder anderen elektrisch ansteuerbaren Komponenten verbindbar ist, ein Mikroskopsystem mit einer solchen Mikroskopsteuerungseinheit und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Mikroskopsteuerungseinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Im Rahmen der Erfindung wird eine Mikroskopsteuerungseinheit mit wenigstens einem Anschluss, welcher mit einer oder mehreren elektrisch ansteuerbaren Mikroskopkomponenten oder anderen elektrisch ansteuerbaren Komponenten verbindbar ist, vorgestellt, wobei wenigstens ein Anschlussparameter des wenigstens einen Anschlusses programmtechnisch konfigurierbar ist, wobei auf der Mikro- skopsteuerungseinheit mindestens ein Script mit Scriptbefehlen gespeichert ist, und wobei der wenigstens eine Anschluss mittels dieser Scriptbefehle ansteuerbar ist. Eine erfindungsgemäße Mikroskopsteuerungseinheit hat den Vorteil, dass der wenigstens eine Anschluss für den Anwender frei verwendbar ist. Mit dem Begriff „Anschluss" wird eine elektrische Schnittstelle bezeichnet, die als Eingänge oder Ausgänge für elektrische Steuersignale an elektrisch ansteuerbare Komponenten und/oder von elektrisch ansteuerbaren Komponenten, die innerhalb oder außerhalb des Mikroskopsystems angeordnet sind, definierbar sind.
„Frei" bedeutet insbesondere, dass der betreffende Anschlusskeinem vorbestimmten Zweck dient, sondern wahlfrei verwendbar und insbesondere auch in seiner Funktion bzw. seinem Protokoll frei definierbar ist, so dass mittels entsprechender Scriptbefehle gezielt der Anschluss in einer zuvor definierten Weise verwendet werden kann. Auf diese Weise können insbesondere beliebige elektrisch ansteuerbare Mikroskopkomponenten oder andere im Zusammenhang mit dem Mikroskop betriebene Komponenten von der Mikroskopsteuerungseinheit beim Ausführen des Scripts angesteuert werden.
So kann die Mikroskopsteuerungseinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, mittels der Scriptbefehle über den wenigstens einen Anschluss eine beliebige Kombination einer oder mehrerer der nachfolgend genannten elektrisch ansteuerbaren Mikroskopkomponenten anzusteuern:
einen motorisierter XY-Tisch,
einen motorisierter Z-Trieb zur Verstellung des Abstandes zwischen einem Objektiv und einer Probe,
eine motorisierte Drehscheibe mit optischen Komponenten, beispielsweise eine Auflicht-Drehscheibe (engl.: IL Turret) mit mehreren wahlweise in den Strahlengang des Mikroskops einfügbaren Fluorenzfilter-Würfeln, eine elektrisch schaltbare Lichtquelle,
einen Laser,
einen akustooptischen Strahlteiler (AOBS),
einen akustooptischen Modulator (AOM),
eine Digitalkamera,
einen Detektor, beispielsweise einen Hybriddetektor oder einen Photo- Multiplier. Alternativ oder zusätzlich kann die Mikroskopsteuerungseinheit dazu eingerichtet sein, mittels der Scriptbefehle andere elektrisch ansteuerbare Komponenten anzusteuern. Hierbei sind elektrisch ansteuerbare Komponenten denkbar, die im Zusammenhang mit dem Mikroskop und einem damit durchgeführten Versuch be- trieben werden können. So kann der Versuchsaufbau um das Mikroskop herum beispielweise eine ansteuerbare Klimakammer oder eine Wasserzufuhr- oder Ableitung oder eine Gaszufuhr oder Gasableitung (z.B. Evakuierung auf einen bestimmten Unterdruck) erfordern. In diesem Fall könnten beispielsweise eine elektrisch ansteuerbare Wasserpumpe oder Gaspumpe oder Vakuumpumpe oder eine elektrisch ansteuerbare Klimaregelungseinheit von der Mikroskopsteuerungseinheit über den wenigstens einen Anschluss gesteuert werden.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass der Benutzer des Mikroskops selbst auswählen kann, welche elektrisch ansteuerbaren Komponenten er am Mikroskop ver- wenden und ankoppeln will. Diese freie Konfiguration des Mikroskops mit quasi neu an das Mikroskop adaptierten Mikroskopkomponenten und die Ansteuerung dieser Mikroskopkomponenten erfolgt unabhängig davon, ob diese zum Herstellungszeitpunkt des Mikroskops bereits bekannt waren oder von der Firmware des Herstellers der Mikroskopsteuerungseinheit routinemäßig unterstützt werden oder nicht. Ein Nachteil früherer Lösung liegt nämlich darin, dass jede anzusteuernde Komponente fest in der Mikroskopsteuerungseinheit implementiert sein musste. So zog jede kleinste Erweiterung des Versuchsaufbaus durch eine neu genutzte, elektrisch anzusteuernde Komponente eine Veränderung der Mikroskopsteuerungseinheit nach sich. Zum Beispiel erforderte ein neuer Kameratyp mit neuem Triggerverhalten zwangsläufig eine werksseitige Änderung an der Mikroskopsteuerungseinheit.
Im Unterschied zu herkömmlichen Mikroskopsystemen können somit im Rahmen von auf der Mikroskopsteuerungseinheit ablaufenden Scripten nicht mehr nur vorbestimmte Mikroskopkomponenten, sondern beliebige, neu hinzugefügte Mikroskopkomponenten oder andere Komponenten im Programmablauf benutzt wer- den, sofern sie mittels des wenigstens einen Anschlusses der Mikroskopsteuerungseinheit ansteuerbar sind.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Anschlussparameter des wenigstens einen Anschlusses mittels der Scriptbefehle programmtechnisch konfigurierbar. Auf diese Weise können mittels ein und desselben Scripts sowohl die Konfiguration des Anschlusses als auch dessen spätere Ansteuerung realisiert werden. Dies ist besonders anwenderfreundlich. Alternativ oder zusätzlich kann eine Konfigurationsumgebung in Form eines Anwenderprogramms bereitgestellt sein, beispielsweise in Form des unten genannten Programmiergeräts oder PCs.
Der wenigstens eine programmtechnisch konfigurierbare Anschlussparameter umfasst vorzugsweise wenigstens einen Parameter, der den Anschluss konfiguriert als:
- Eingang oder Ausgang
- analog oder digital
- Strom- oder Spannungsschnittstelle.
Der wenigstens eine programmtechnisch konfigurierbare Anschlussparameter umfasst vorzugsweise wenigstens einen Parameter, ausgewählt aus:
- Kommunikationsprotokoll
- Übertragungsrate
- Signalamplitude.
Die Konfiguration kann beliebige Kombinationen von Parametern umfassen.
Somit kann insbesondere vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Anschluss einen Eingang umfasst und wahlfrei als Analogeingang oder als Digitaleingang konfigurierbar ist. Alternativ oder zusätzlich können auch spezielle als Analogeingänge und spezielle als Digitaleingänge ausgebildete Anschlüsse umfasst und konfigurierbar sein. Eine solche Ausführungsform ist einfacher in der Herstellung.
Entsprechendes gilt vorzugsweise auch für die Ausgänge. Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine Anschluss einen Ausgang und ist wahlfrei als Analogausgang oder als Digitalausgang konfigurierbar. Alternativ oder zusätzlich sind auch spezielle als Analogausgänge und spezielle als Digitalausgänge ausgebildete Anschlüsse umfasst und konfigurierbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der zumindest eine Anschluss einen sog. Allzweckeingabe/-ausgabe-Anschluss (engl. GPIO - general purpose input/output). Es handelt sich dann um einen Anschluss, dessen Verhalten, unab- hängig ob als Eingang oder Ausgang, programmtechnisch frei konfigurierbar ist. Eine solche Ausführungsform bietet eine große Flexibilität.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Mikroskopsteuerungseinheit dazu eingerichtet, Scriptbefehle eines vorbestimmten Scriptbefehlssatzes verarbeiten zu können. Dies erleichtert die spätere Programmierung durch einen Benutzer. Vorzugsweise enthält der Scriptbefehlssatz auch Scriptbefehle, denen keine Funktionen des wenigstens einen Anschlusses , sondern andere Funktionen, insbesondere Programmflussoperationen (wie Warten, Wiederholen, Schleifen usw.), Rechenoperationen (wie Addieren, Multiplizieren usw.) usw., zugeordnet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Mikroskopsteuerungseinheit sind von einem Benutzer die Scriptbefehle des mindestens einen Scripts aus dem Scriptbefehlssatz auswählbar, und deren Abfolge im Script ist von dem Benutzer vorgebbar. Mit anderen Worten kann der Benutzer das Script unter Verwendung des Befehlssatzes im Wesentlichen frei gestalten. In einer weiteren Ausführungsform ist die Mikroskopsteuerungseinheit dazu eingerichtet, datenübertragend mit einem Benutzer-Interface verbunden zu werden, über welches von dem Benutzer die Scriptbefehle des mindestens einen Scripts aus dem Scriptbefehlssatz auswählbar sind und über welches deren Abfolge im Script von dem Benutzer vorgebbar ist.
Hierzu kann die Mikroskopsteuerungseinheit dergestalt ausgebildet sein, dass das Benutzer-Interface als eine hardware-basierte Eingabe-Einheit eines Programmiergeräts ausgebildet ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Mikroskopsteuerungseinheit kann vorgesehen sein, dass das Benutzer-Interface als eine Benutzeroberfläche eines auf einer separaten Recheneinheit, insbesondere PC, laufenden Anwenderprogramms ausgebildet ist. Es kann sich bei dem Anwenderprogramm insbesondere um eine (reine) Programmierumgebung oder um ein Bedienprogramm für das Mikroskopsystem handeln.
Hierzu ist die Mikroskopsteuerungseinheit vorzugsweise dazu eingerichtet, mit einem PC datenübertragend verbunden zu werden. Auf dem PC kann insbesondere eine HMI-Software ausgeführt werden, die als Benutzer-Interface dient, indem sie als eine Benutzeroberfläche des Anwenderprogramms ausgebildet ist. Von dort erfolgt das Übermitteln des Scripts auf die Mikroskopsteuerungseinheit, mittels welcher das Mikroskopsystem bedienbar ist. Auf diese Weise wird die Programmierung und/oder Bedienung des Mikroskopsystems sehr komfortabel und ein- fach. Gleichzeitig kann der PC auch zur Visualisierung, beispielsweise von aufgenommenen Bildern bzw. von beliebigen Messwerten dienen.
Nach der Zusammenstellung des Scripts kann dieses auch in einem flüchtigen Speicher, zum Beispiel in einem Cache-Speicher, oder in einem nicht-flüchtigen Spei- eher des Bedien-PC oder der Mikroskopsteuerungseinheit oder einem externen Speicher oder einem Server gespeichert sein. Eine weitere Variante der Mikroskopsteuerungseinheit kann so ausgestaltet sein, dass das Script als Text-Datei auf die Mikroskopsteuerungseinheit übertragbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Script in einem Textformat, beispielsweise ASCII, ANSI oder Unicode/UTF, empfangen wird, da dies große Kompatibilität gewährleistet.
Vorzugsweise ist die Mikroskopsteuerungseinheit für eine schnelle und anwenderfreundliche Ansteuerung des wenigstens einen Anschlusses ausgebildet, indem ihr ein Steuerprogramm mit einem Interpreter für das Script zugeordnet ist, der die Scriptbefehle in Funktionen des wenigstens einen Anschlusses umsetzt. Dies bietet die Möglichkeit, das Script komfortabel in verständlicher bzw. lesbarer Form an die Mikroskopsteuerungseinheit zu übertragen, d.h. als Abfolge von textuellen Scriptbefehlen. Ein Kompilierschritt vor dem Übertragen kann unterbleiben, so dass insbesondere das Programmiergerät nicht zur Kompilierung für unterschiedliche Zielsysteme angepasst sein muss. Diesen Vorteil erzielt man, weil der im Steuerprogramm enthaltene Interpreter nicht Bestandteil des Anwenderprogramms ist. In einer Ausgestaltung der Mikroskopsteuerungseinheit ist das Steuerprogramm in der Mikroskopsteuerungseinheit selbst abgelegt. Alternativ ist das Steuerprogramm in einer Baugruppe außerhalb der Mikroskopsteuerungseinheit abgelegt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Mikroskopsteuerungseinheit weist diese eine Elektronik-Einheit auf und umfasst das zugeordnete Steuerprogramm mit einem Interpreter für das Script.
Die erfindungsgemäße Mikroskopsteuerungseinheit erlaubt nicht nur wesentliche einfachere Anpassungen der Funktionsbelegung des wenigstens einen Anschlusses an neu adaptierte elektrisch ansteuerbare Mikroskopkomponenten oder andere elektrisch ansteuerbare Komponenten des Versuchsaufbaus. Durch den Wegfall des Kompilierens und den Einsatz des Scripts mit Hilfe des Interpreter sind zusätzlich deutlich höhere Geschwindigkeiten bei der Ansteuerung des wenigstens einen Anschlusses und der damit verbundenen elektrisch ansteuerbaren Mikroskopkomponenten oder Komponenten realisierbar. Hierzu sind in einer weiteren Aus- gestaltung der Mikroskopsteuerungseinheit die Scriptbefehle als Echtzeit-Befehle für die Ansteuerung des wenigstens einen Anschlusses umgesetzt.
Durch die Auswahl der Scriptbefehle sind eine Vielzahl von Funktionsbelegungen des wenigstens einen Anschlusses der Mikroskopsteuerungseinheit realisierbar. So ist beispielsweise für die Mikroskopsteuerungseinheit mittels der Scriptbefehle ein Kanaltyp für den wenigstens einen Anschlusses festlegbar.
Ebenso ist es möglich, dass in der Mikroskopsteuerungseinheit mittels der Scriptbefehle wenigstens eine Variable und/oder wenigstens ein Befehl und/oder we- nigstens ein Script und/oder wenigstens ein Funktionsblock mittels Kanälen zur Verfügung gestellt sind.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenbeschreibung Figur 1 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm ein Mikroskopsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt schematisch das Mikroskopsystem aus Figur 1 in einer anderen schematischen Ansicht.
Figur 3 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm einen Ablauf eines beispielhaften Experiments bei Verwendung eines nicht-erfindungsgemäßen Mikroskopsystems.
Figur 4 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm den Ablauf des Experiments bei Verwendung eines Mikroskopsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In den Figuren 1 und 2 ist ein Mikroskopsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Das Mikroskopsystem weist eine Mikroskopsteuerungseinheit 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit in einem auf der Mikroskopsteuerungseinheit 100 ablaufenden Script für die Nutzung von frei verwendbaren Anschlüssen in Form von Ein- und Ausgängen 101 auf, mit welcher eine hier als Bedien-PC 10 ausgestaltete
Mensch/Maschinenschnittstelle (HMI) und eine Vielzahl von Mikroskopkomponenten 200, 300 signalübertragend verbunden sind.
Die Mikroskopkomponenten lassen sich beispielsweise in interne Mikroskopkom- ponenten 300 und externe Mikroskopkomponenten 200 unterteilen. Diese Unterteilung ist jedoch für die Erfindung unwesentlich. Die internen Mikroskopkomponenten 300 zeichnen sich dadurch aus, dass sie am oder im Mikroskopchassis 1 montiert sind und als Teil des Mikroskops angesehen werden, wie zum Beispiel eine Auflicht-Drehscheibe (engl.: IL-Turret) 301, ein Z-Trieb 302, ein Objektivre- volver 303 usw., wohingegen als externe Mikroskopkomponenten 200 beispielsweise ein XY-Tisch 201, eine Beleuchtungseinrichtung (ggf. mit Shutter) 202, eine Kamera 203 usw. angesehen werden. Diese können zwar auch am Mikroskopchassis 1 montiert sein, werden jedoch üblicherweise nicht als Teil "des Mikroskops" angesehen. Soweit die Mikroskopkomponenten 200, 300 je über einen ansteuerbaren Aktor (beispielsweise Elektromotor) verfügen, können sie im Rahmen der Er- findung in einem auf der Mikroskopsteuerungseinheit 100 ablaufenden Script angesteuert werden. Das Script umfasst eine Abfolge von ausgewählten Scriptbefehlen, denen Funktionen der Ein- und Ausgänge der Mikroskopsteuerungseinheit 100 zugeordnet sind. Solche Funktionen umfassen insbesondere Lese- und Schreibefunktionen.
Die Ansteuerung dieser Mikroskopkomponenten 200, 300 erfolgt somit über die Mikroskopsteuerungseinheit 100, welche auch als„Mikroskop-Master" bezeichnet wird. Der Mikroskop-Master kann durch einen Mikrocontroller, DSP (Digitaler Signal Prozessor) oder FPGA (Field Programmable Gate Array) implementiert sein.
Komponenten besitzen zum Teil Abhängigkeiten gegenüber anderen Komponenten. Zum Beispiel kann es notwendig sein, dass der Z-Trieb vor dem Bewegen des Objektivrevolvers abgesenkt wird, damit eine Kollision von Objektiven mit dem XY-Tisch unterbunden wird. Die Abhängigkeiten, die zwingend notwendig sind, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, werden als kritische Abhängigkeiten bezeichnet und sind vorzugsweise fest im Mikroskop-Master implementiert. D.h. wenn eine Bewegung des Objektivrevolvers angesteuert wird, steuert der Mikroskop-Master automatisch auch den Z-Trieb entsprechend an. Dies kann ein Absenken des XY-Tischs, anschließendes Drehen des Objektivrevolvers und ggf. an- schließendes Anheben des XY-Tisches umfassen.
Mit einer Lösung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Ansteuerung und Abhängigkeiten aller Komponenten (extern und intern) frei zu konfigurieren. Die Konfiguration erfolgt vorzugsweise über HMI, bei- spielsweise PC 10, wo die zu verwendenden Anschlüsse zu den anzusteuernden Komponenten deklariert und die Abhängigkeiten der Anschlüsse untereinander konfiguriert werden. Die Konfiguration kann vollständig aber auch in Teilen zur Laufzeit vorgenommen werden.
Zur Verwendung der einzelnen Ein- und Ausgänge (Anschlüsse) erhält gemäß der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform jeder Anschluss eine eindeutige Nummer, die Kanalnummer. Diese Kanalnummern werden durch entsprechende Scriptbefehle den Eingängen und/oder den Ausgängen der Mikroskopsteuerungseinheit 100 zugewiesen. Insbesondere kann jeder elektrisch ansteuerbaren Mikroskop-Komponente mindestens ein Kanal zugeordnet werden, wobei jeder Kanal in dem Script durch entsprechende Scriptbefehle als Ein- und/oder Ausgang zur sequentiellen oder parallelen Verarbeitung konfiguriert wird.
Über die Kanalnummer erfolgt der Zugriff aus dem Script, das als Teil des Steuerprogramms der Mikroskopsteuerungseinheit, also des Mikroskop-Masters 100, ausgebildet ist. Das Script definiert den Programmablauf unter Verwendung von Kanalnummern. Die zur Verfügung stehenden Scriptbefehle sind fest im Mikroskop-Master 100 implementiert, hier vorzugsweise in einem auf dem Steuerprogramm des Mikroskop-Masters 100 laufenden Interpreter, und stellen rudimentäre Anweisungen, beispielsweise , Schreiben', , Lesen', ,Addieren' oder ,Multiplizie- ren' dar, welche insbesondere zur Verarbeitung der definierten Kanäle dienen. Der zur Verfügung stehende Satz an Anweisungen wird als Befehlssatz/Instructionset bezeichnet. Beispielsweise kann der Mikroskop-Master dazu eingerichtet sein, einen oder mehrere der folgenden Befehle verarbeiten zu können, denen zum Teil Funktionen der Ein-und Ausgänge der Mikroskopsteuerungseinheit 100 zugeord- net sind.
- NOP: Keine Operation ausführen. Diese Anweisung erzeugt eine minimale Verzögerung
- SET CHANNEL: Setzt den Wert eines Kanals. - WAIT CHANNEL: Wartet bis der vorgegebene Wert erreicht ist.
- SET CHANNEL CONDITITIONAL: Setzt den Wert eines Kanals wenn eine Bedingung erfüllt ist.
- COPY CHANNEL VALUE: Kopiert den Wert eines Kanals auf den Wert eines anderen Kanals
- SET SCRIPT INSTRUCTION: Setzt den Befehlszähler (engl.: Instruction pointer) des Hauptprozessors der Mikroskopsteuerungseinheit 100 auf den vorgegebenen
Wert.
- LOOP SCRIPT: Wiederholt das aktuelle Script so oft wie vorgegeben. - WAIT TIME: Wartet eine vorgegebene Zeit ab.
- TIMESTAMP: Erzeugt einen Zeitstempel.
- ADD CHANNEL: Addiert zwei Kanalwerte und weist das Ergebnis einem Kanal zu.
- SUB CHANNEL: Subtrahiert zwei Kanalwerte und weist das Ergebnis einem Kanal zu.
Die Mikroskopsteuerungseinheit 100, also der Mikroskop-Master, führt Scripte in einem Timer mit zeitlichem Raster aus, wobei das Zeitintervall für das zeitliche Raster frei wählbar ist. Dies bietet eine Echtzeitfähigkeit für das ablaufende Steuerprogramm der Mikroskopsteuerungseinheit 100. Echtzeitsysteme zeichnen sich dadurch aus, dass ein Ergebnis einer Rechenoperation (z.B. Prozess oder Task) innerhalb eines definierten Zeitintervalls garantiert berechnet ist, also vor einer bestimmten Zeitschranke vorliegt. In einem Echtzeitsystem läuft hierzu beispielsweise auf dem Prozessor der Mikroskopsteuerungseinheit 100 ein sog. Echtzeit- Betriebssystem, das die unterschiedlichen Prozesse und Tasks regelt. Es sind auch alternative Lösungen bekannt, die kein Echtzeit-Betriebssystem erfordern. Dies wird zum Beispiel ermöglicht durch die Verwendung von Zustandsmaschinen (engl.: Statemachine) und Interrupts.
Die Anzahl der Scripte sowie die Anzahl der darin definierten Scriptbefehle sind gemäß der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform nicht bzw. nur durch den Speicherplatz der Mikroskopsteuerungseinheit 100, also des Mikroskop-Masters, begrenzt. Weiterhin können Scripte gestartet und gestoppt werden, beispielsweise durch Benutzereingabe von dem PC 10 aus. Auch ist es gemäß der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform möglich, ein Script von einem anderen Script zu starten. Das Script selbst besitzt ebenfalls ein Interface und eine frei zu definierende Kanalnummer, in Folge dessen kann ein Script wie jeder beliebige andere Kanal mit allen zur Verfügung stehenden Operationen angesehen wer- den.
Vorzugsweise ist die Mikroskopsteuerungseinheit 100 dazu eingerichtet, unterschiedliche Kanaltypen bereitzustellen, wie z.B. einen oder mehrere des Typs ,Va- riable', , Hardware', , Befehl ', , Script' und , Funktionsblock'. Jeder Instanz eines Ka- naltyps wird eine eindeutige Kanalnummer zugeordnet. Nachfolgen werden einige Beispiele und Definitionen erläutert:
- Variable: Eine Variable kann beschrieben und gelesen werden. - Hardware: Ein Hardwarekanal ist ein beliebiger analoger oder digitaler Ein-/ o- der Ausgang. Dieser Kanaltyp wird zum Beispiel zum Triggern von externen Komponenten verwendet. Zur Synchronisierung mit einer externen Komponente, zum Beispiel einer Kamera, werden zum Beispiel ein digitaler Eingangshardwarekanal und ein digitaler Ausgangshardwarekanal definiert. Unter Verwendung beider Ka- näle lassen sich Triggerbedingungen implementieren. Ein weiteres Beispiel ist das Erzeugen einer beliebigen Ausgangsspannung um damit eine externe Komponente zu steuern, beispielsweise eine Lichtquelle. Der Wert der Ausgangsspannung wird aus einem Script heraus gesetzt. - Befehl: Ein Befehl beschreibt eine ASCII-Zeichenfolge zur Kommunikation mit einer Komponente. Die zu verwendende ASCII-Zeichenfolge wird vor der Verwendung definiert und kann einen statischen als auch dynamischen Teil besitzen, wobei der dynamische Teil immer dem Typ , Variable' zugewiesen wird. Der dynamische Anteil kann z.B. zum Setzen der Position einer Komponente verwendet wer- den.
So wird zum Beispiel die Zeichenfolge„76022 position" verwendet, um die Position des Objektivrevolvers zu setzen. Dabei kann die Position entweder dynamisch oder statisch sein.
Beispiel für eine statische Position:
„76022 1" => Setzen des Objektivrevolvers auf Position 1
„76022 2" => Setzen des Objektivrevolvers auf Position 2 Beispiel für eine dynamische Position:
„76022 position" =>„position" als Variable. Bei Verwendung des Befehls im Script wird der Wert der Variablen ausgelesen und als Positionsvorgabe übernommen.
- Script: Ein Script besteht aus einer beliebigen Anzahl an sequentiellen Befehlen zur Verarbeitung von Kanälen.
- Funktionsblock: Ein Funktionsblock beschreibt die Verknüpfung von Kanälen, wobei die Funktion eine logische, beispielsweise„AND" oder„OR" oder arithmetische„ADD" oder„MULTIPLIER" sowie fest definierte oder freidefinierbare LUT (Look-Up-Table) sein kann. Zur Durchführung eines beispielhaften Experiments mittels eines auf der Mikroskopsteuerungseinheit 100, dem Mikroskop-Master, ablaufenden Steuerprogramms werden zunächst (während der Programmierung) die zu verwendenden Komponenten und Parameter ausgewählt und die zeitliche Abfolge konfiguriert. Die Auswahl und Konfiguration der Scriptbefehle in der gewünschten Reihenfolge, also die Festlegung des Scripts, erfolgt beispielsweise über den PC 10 in einem dafür vorgesehenen Eingabe-Menü. Diese Eingabe-Menü stellt das Benutzer-Interface dar, das als eine Benutzeroberfläche eines Anwenderprogramms ausgebildet ist, mit welcher gewünschte Scriptbefehle aus dem Scriptbefehlssatz ausgewählt und deren Abfolge im Script vorgegeben werden kann.
In dem folgenden Beispiel wird der Ablauf eines Experiments aus den Komponenten XY-Tisch 301, Beleuchtung 302 und Kamera 303 gezeigt. Dieser Ablauf wird innerhalb eines Experiments n-mal wiederholt. Der Ablauf umfasst (nach der Konfiguration/Deklaration) beispielsweise die folgenden Schritte:
1. Positionierung XY-Tisch
a) Positionierung starten
b) Warten bis Positionierung beendet
2. Beleuchtungsintensität setzen
3. Kamerabelichtung
a) Shutter öffnen
b) Triggersignal an Kamera (vorzugsweise zeitgleich mit a), um Jitter zu vermeiden)
c) Belichtungszeit abwarten
d) Shutter schließen
e) Triggersignal an Kamera (vorzugsweise zeitgleich mit d), um Jitter zu vermeiden)
4. Warten bis Kamera die Bilddaten an PC übertragen hat
a) Warten auf Triggersignal von Kamera an Mikroskop-Master Bei einem Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bedeutet dies, dass das Steuerprogramm nach Maßgabe des Scripts zunächst die zu verwendenden Komponenten XY-Tisch 301, Kamera 303, Beleuchtung 302 mit Shutter deklariert, indem der Interpreter in dem Steuerprogramm das Script in entsprechende (Maschinen-) Befehle an die Ein- und Ausgänge, d.h. in Befehle an die Schnittstellen, umsetzt. Die Schnittstellen bzw. Kanalnummern der Komponenten können zum Beispiel wie folgt aussehen:
1. XY-Tisch: Kommando zum Positionieren
2. Beleuchtung: Kommando zum Setzen der Intensität
3. Shutter: Hardware-I/O am Mikroskop-Master, als Digitalausgang
4. Kamera-Belichtung: Hardware-I/O am Mikroskop-Master, als Digitalausgang
5. Kamera-Bildübertragung: Hardware-I/O am Mikroskop-Master, als Digitaleingang
6. Belichtungszeit: Variable
Nachfolgend erstellt der Benutzer am PC über das Benutzer-Interface beispielsweise ein Script mit Anweisungen, um die zeitliche Abfolge zu bearbeiten. Das Script kann wie folgt aussehen:
1. SET CHI, Wert 0 => Setzt das Kommando zum XY-Tisch-Positionieren ab
2. WAIT CHI, Wert 1 => Wartet darauf, dass das Kommando ausgeführt wurde
3. SET CH2, Wert 0 => Setzt das Kommando zum Setzen der Beleuchtungsintensität ab
4. WAIT CH2, Wert 1=> Wartet darauf, dass das Kommando ausgeführt wurde
5. SET CH3, Wert 1 => Shutter öffnen
6. SET CH4, Wert 1 => Kamera-Belichtung starten
7. WAIT Time, Wert aus CH6 => Kamera Belichtung, Warten bis Zeit abgelaufen
8. SET CH3, Wert 0 => Shutter schließen
9. SET CH4, Wert 0 => Kamera-Belichtung stoppen
10. WAIT CH5, Wert 1 => Warten bis Kamera-Bildübertragung abgeschlossen 11. Loop, 100 => wiederholt die vorherigen Anweisungen 100 mal
Im Folgenden wird nun für das oben geschilderte Experiment eine nicht erfindungsgemäße Lösung (Figur 3) mit einer Lösung gemäß einer bevorzugten Aus- führungsform der Erfindung (Figur 4) verglichen.
Nicht erfindungsgemäße Lösung
Nachteilig an einer solchen Lösung ist, dass in einem auf dem Mikroskop-Master ablaufenden Steuerprogramm kein Zugriff auf bestimmte Mikroskopkomponenten wie z.B. XY-Tischsteuerung, Z-Trieb, IL-Turret möglich ist. Diese müssen durch ein auf dem PC ablaufendes Anwenderprogramm gesteuert werden, so dass insgesamt kein Echtzeitexperiment möglich ist. Die Art und Anzahl der elektrisch ansteuerbaren Komponenten ist dabei durch die vom Hersteller des Mikroskopsystems bzw. der Mikroskopsteuerungseinheit vorgegebene Firmware beschränkt.
Start Loop
1. PC setzt Kommando zum Verfahren von XY-Tisch an Mikroskop.
2. PC wartet auf Ausführungsende
3. PC setzt Kommando zum Verfahren von Z-Trieb an Mikroskop.
4. PC wartet auf Ausführungsende
5. PC setzt Kommando zum Verfahren von IL-Turret an Mikroskop.
6. PC wartet auf Ausführungsende
7. PC setzt Kommando zum Starten eines Echtzeitexperiments ab.
=> Start von Echtzeitexperiment im Mikroskop.
a) Mikroskop-Master führt aus
i) Shutter
ii) Kamera
b) Mikroskop-Master Ausführungsende
8. PC wartet auf Ausführungsende
Ende Loop Für die Schritte 1-8 wird eine Zeit T benötigt.
Lösung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Da die Mikroskopsteuerungseinheit 100, der Mikroskop-Master, dazu eingerichtet ist, ein Script mit Scriptbefehlen auszuführen und mittels des Interpreters im Steuerprogramm der Mikroskopsteuerungseinheit 100 den Scriptbefehlen auswählbare Funktionen der Ein- und Ausgänge zuzuordnen, können nun alle Schritte des Experiments im Rahmen eines auf der Mikroskopsteuerungseinheit 100 ablaufenden Steuerprogramms durchgeführt werden.
Der Benutze legt vor dem Experiment das Script mit den Scriptbefehlen für die Zuordnung der Kanäle fest. Dabei werden auch die einzusetzenden Anschlüsse konfiguriert, beispielsweise hinsichtlich des zu verwendenden Protokolls usw. Das vom Benutzer vorbereitete Script enthält die ausgewählten Scriptbefehle in der ausgewählten Reihenfolge. Durch den Interpreter des Steuerprogramms wird das Script in Befehle zur Konfiguration der Anschlüsse, zur Festlegung der Kanäle der Ein- und Ausgänge der Mikroskopsteuerungseinheit 100 und somit in Befehle zur Steuerung aller elektrisch ansteuerbaren Komponenten umgesetzt. Damit startet die Ausführung als Echtzeitexperiment.
1. PC überträgt das vom Benutzer vorbereitete Script auf die Mikroskopsteuerungseinheit 100, den Mikroskop-Master
2. Mikroskop-Master startet Interpreter und Scriptausführung
3. Mikroskop-Master startet Interpreter zur Scriptausführung
Start Loop
a) Scriptbefehle steuern Komponenten direkt an
i) XY-Tisch verfahren
ii) Z-Trieb verfahren
iii) Auflicht-Drehscheibe (IL-Turret) verfahren
iv) Beleuchtung setzen v) Kamerabelichtung und Shuttersteuerung
b) Script meldet an Mikroskop-Master: Ausführungsende
Ende Loop
4. Rückmeldung an PC entfällt
Für die Schritte 1-3 wird eine Zeit T* benötigt, die aufgrund der vorab beschriebenen reduzierten Zuständigkeitswechsel deutlich kürzer als die Zeit T für das nicht- erfindungsgemäße Experiment ist. Es ist also nicht erforderlich, dass der PC während des Experiments zunächst die Zuordnung der Kanäle für jeden einzelnen Experimentschritt nacheinander berechnet und die einzelnen, aktuellen Befehle nacheinander generiert. So wird jeder nachfolgende Steuerbefehl jeweils erst nach Rückmeldung über die Beendigung des jeweils vorhergehenden Experimentschritts vom PC an die Mikroskopsteue- rungseinheit 100 übertragen. Dies führt, technisch gesehen, zu einem ständigen Zuständigkeitswechsel zwischen dem PC und der Mikroskopsteuerungseinheit 100, wodurch Zeit verbraucht wird. Bei Experimenten mit vielen einzelnen Experimentschritten, wie beispielsweise vielen Änderungen der Tischposition in der xy- Ebene, vielen Änderungen der Fokusposition durch Verstellen des z-Triebs und/oder vielen Belichtungszyklen mit Anschalten und Ausschalten der Lichtquelle und entsprechendes Triggern der Aufnahmezeiten der Kamera, addiert sich dies zu einem erheblichen Zeitverlust auf.
In der erfindungsgemäßen Mikroskopsteuerungseinheit 100 stehen durch das vor dem Experiment durch den Benutzer frei konfigurierbare Script nunmehr die Befehle in Form der Scriptbefehle in Echtzeit der Mikroskopsteuerungseinheit 100 und damit dem Mikroskopsystem zur Verfügung. Dies führt zu einem deutlich schnelleren Ablauf des Experiments. Durch das Bereitstellen eines Scripts außerhalb der Firmware kann der Benutzer darüber hinaus beliebige elektrisch ansteu- erbare Komponenten in sein Experiment integrieren.

Claims

Patentansprüche
1. Mikroskopsteuerungseinheit (100) mit wenigstens einem Anschluss(lOl), der mit einer oder mehreren elektrisch ansteuerbaren Mikroskopkomponenten (200, 300) oder anderen elektrisch ansteuerbaren Komponenten verbindbar ist, wobei wenigstens ein Anschlussparameter des wenigstens einen Anschlusses (101) programmtechnisch konfigurierbar ist,
wobei auf der Mikroskopsteuerungseinheit (100) mindestens ein Script mit Scriptbefehlen bereitgestellt ist,
und wobei der wenigstens eine Anschluss (101) mittels der Scriptbefehle ansteuerbar ist.
2. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Anschlussparameter mittels der Scriptbefehle programmtechnisch konfigu- rierbar ist.
3. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens eine Anschlussparameter wenigstens einen Parameter umfasst, der den wenigstens einen Anschluss als Eingang oder Ausgang und/oder als analogen oder digitalen Anschluss und/oder als Strom- oder Spannungsschnittstelle konfiguriert.
4. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Anschlussparameter ein Kommunikationsprotokoll und/oder eine Übertragungsrate und/oder eine Signalamplitude umfasst.
5. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Anschluss (101) wahlfrei als Analogeingang oder als Digitaleingang konfigurierbar ist und/oder wobei der wenigstens eine Anschluss (101) einen Analogeingang umfasst und/oder wobei der wenigstens eine Anschluss (101) einen Digitaleingang umfasst.
6. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Anschluss (101) wahlfrei als Analogausgang oder als Digitalausgang konfigurierbar ist und/oder wobei der wenigstens eine An- schluss (101) einen Analogausgang umfasst und/oder wobei der wenigstens eine Anschluss (101) einen Digitalausgang umfasst.
7. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, mittels der Scriptbefehle über den wenigstens einen Anschluss (101) eine beliebige Kombination einer oder mehrerer elektrisch ansteuerbarer Mikroskopkomponenten (200, 300) oder anderer elektrisch ansteuerbarer Komponenten anzusteuern.
8. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprü- che, zu der es einen Scriptbefehlssatz gibt, wobei von einem Benutzer die Scriptbefehle des mindestens einen Scripts aus dem Scriptbefehlssatz auswählbar sind und deren Abfolge im Script vorgebbar ist.
9. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach Anspruch 8, die dazu ausgebildet ist, mit einem Benutzer-Interface datenübertragend verbunden zu werden, über welches von dem Benutzer die Scriptbefehle des mindestens einen Scripts aus dem Scriptbefehlssatz auswählbar sind und deren Abfolge im Script vorgebbar ist.
10. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach Anspruch 9, bei der das Benutzer- Interface als eine hardware-basierte Eingabe-Einheit eines Programmiergeräts (10) oder als eine Benutzeroberfläche eines auf einer separaten Recheneinheit laufenden Anwenderprogramms ausgebildet ist.
11. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprü- che, bei der das Script als Text-Datei auf die Mikroskopsteuerungseinheit (100) übertragbar ist.
12. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der ein Steuerprogramm mit einem Interpreter für das Script zugeordnet ist, der die Scriptbefehle in Funktionen des wenigstens einen Anschlusses (101) umsetzt.
13. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach Anspruch 12, wobei das Steuerprogramm in der Mikroskopsteuerungseinheit (100) oder in einer Baugruppe au- ßerhalb der Mikroskopsteuerungseinheit (100) abgelegt ist.
14. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach Anspruch 12 oder 13, die eine Elektronik-Einheit aufweist und ein zugeordnetes Steuerprogramm mit einem Interpreter für das Script umfasst.
15. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, in der die Scriptbefehle als Echtzeit-Befehle umgesetzt sind.
16. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprü- che, in der mittels der Scriptbefehle Kanaltypen für den wenigstens einen An- schluss (101) festlegbar sind.
17. Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, in der mittels der Scriptbefehle wenigstens eine Variable und/oder wenigs- tens ein Befehl und/oder wenigstens ein Script und/oder wenigstens ein Funktionsblock mittels Kanälen zur Verfügung gestellt ist.
18. Mikroskopsystem
mit einer Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mit einer oder mehreren elektrisch ansteuerbaren Mikroskopkom- ponenten (200, 300) oder anderen elektrisch ansteuerbaren Komponenten datenübertragend verbunden ist.
19. Verfahren zum Betrieb einer Mikroskopsteuerungseinheit (100) mit wenigstens einem Anschluss(lOl), der mit einer oder mehreren elektrisch ansteuer- baren Mikroskopkomponenten (200, 300) oder anderen elektrisch ansteuerbaren Komponenten verbindbar ist,
wobei auf der Mikroskopsteuerungseinheit (100) mindestens ein Script mit Scriptbefehlen gespeichert wird,
wobei wenigstens ein Anschlussparameter des wenigstens einen Anschlus- ses programmtechnisch konfiguriert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei eine Mikroskopsteuerungseinheit (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 17 betrieben wird.
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