JP2018538581A - 画像を取り込むための装置および方法 - Google Patents

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Abstract

画像を記録するための装置であって、画像記録装置(14)および照明装置(13)が上記装置において標本面(11)の同じ側に配置される、装置が提供される。画像記録装置(13)は、標本面(11)における標本(12)を異なる角度でおよび/または異なる方向から照らすことができるように、互いに独立して作動可能である照明部、例えば、個々の光源を有する。このように、異なる照明による複数の画像を記録することが可能であり、該画像は、改良された特性を有する結果画像を形成するために組み合わせ可能である。
【選択図】図1A

Description

本願は、画像を記録するための装置、および、対応する装置を利用する方法に関する。とりわけ、本願は、画像を記録するための装置、例えば、顕微鏡装置に関し、ここで、複数の個々の画像から、改良された結果画像を生じさせる。
多くの場合、記録される物体、例えば標本を照らすために、顕微鏡画像および巨視的画像の両方を記録する時に照明が使用される。その過程での照明が、画像が記録されるのと同じ方向からもたらされる場合、望まれていない反射が画像に発生する可能性がある。
従って、このような反射を補正可能とすることが望ましい。さらに、例えば、記録される画像のコントラストおよび/または分解能を、とりわけ、反射の結果としておよび/または光線によって分解能が低減される場合、全体的に増大させることができるようにすることが望ましい。
原理として、異なる方向から照らされる複数の画像を組み合わせることによって分解能を増大させることを達成する慣例が知られている。例として、フーリエタイコグラフィの場合、このことは、Shaun Pachecoらによる「Transfer function analysis in epi−illumination Fourier ptychography」、Optics Letters 第40巻、第22号、2015年によって既知である。ここに提示される装置では、照明は、ビームスプリッタを介して対物レンズのビーム経路に反映されることで、標本の明視野照明を得る。
異なる方向から照らされた複数の画像を組み合わせることによって改良された結果画像を得るためのさらなるオプションは、例えば、本出願人による、独国特許出願公開第102014113256号および独国特許出願公開第102014113258号に開示されている。
例として、照明装置は、本出願による独国特許出願公開第3906555号に開示されている。
本発明の目的は、とりわけ、暗視野記録にも適した装置および方法を提供することである。
この点において、請求項1に記載の装置および請求項18または19に記載の方法が提供される。従属請求項はさらなる実施形態を定義する。
第1の態様によると、画像を記録するための装置であって、画像記録装置と、画像記録装置の光軸の周りに配置される照明装置と、を備え、照明装置は画像記録装置までの光の通過を容易にするための切り抜き部を有し、照明装置は複数の独立的に作動可能な照明部を有し、画像記録装置および照明装置は、画像記録装置の標本面の同じ側に配置され、標本面から見られる照明装置の隣接する照明部の間の角度は、画像記録装置の開口数によって画定される角度以下である、装置が提供される。
独立的に作動可能な照明部と共に、このように画像記録装置の光軸の周りに配置される、このような照明装置を使用することによって、とりわけ、異なる方向からの暗視野照明を実現することができる。上で画定されるような角度を選択することによって、とりわけ、個々の画像を組み合わせることによって後に分解能を増大させるために、異なる方向からの有利な照明を作り出すことができる。隣接する照明部の間の角度が、画像記録装置の開口数によって画定される角度以下のままである限り、種々の照明部に対して変えることができることは、留意されるべきである。例として、隣接する照明部の間の一定の距離の場合の角度は、画像記録装置の光軸からの距離が大きくなるにつれて小さくなる可能性がある、または、照明部の間の距離は、該角度が一定のままであるように選択可能である。他のタイプの変形も可能である。
ここで、照明装置の隣接する照明部の間の角度は、画像記録装置の開口数によって画定される角度より、少なくとも10%、少なくとも20%、少なくとも30%、または少なくとも50%小さくすることができる。
標本面からの画像記録装置の距離と標本面からの照明装置の距離との比率は、1〜1.5の範囲にあるとすることができるが、これに制限されない。
このように、これによって、照明装置および画像記録装置を、標本面から、ひいては標本から同様の距離で配置することができる。
複数の照明部は、複数の光源素子、例えば発光ダイオードを含むことができる。
複数の光源素子を使用することによって、照明を柔軟に設定可能である。とりわけ、異なる方向から、異なる角度で、複数の発光ダイオードを同時に起動させることによる照明は、異なる強度での実現も可能である。
光源素子は、個々に、および/またはセグメントごとに作動可能であることで、複数の独立的に作動可能な照明部を実現することができる。セグメントのサイズおよび形態は、例えば、セグメントを形成するために異なる数の光源素子を組み合わせることによって、可変であってよい。よって、例えば、このように、セグメント間の距離、および、照明装置の隣接する照明部の間の前述の角度を設定することができる。
ここで、異なる光源素子は、スペクトル範囲および/または偏光に関して種々の性質を有することができるため、異なるスペクトル範囲におけるまたは異なる偏光による照明によって画像記録をもたらすことができる。
個々の光源素子に対する代替策として、照明装置は、面光源、およびいずれの場合にも面光源の一部分を薄暗くするための、選択的に作動可能な付影要素を含むこともできる。ここで、面光源は平坦とすることができるが、湾曲または異なる形状にすることもできる。
照明装置は、内径および外径を有するリング状にすることができ、この場合、内径は切り抜き部を画定する。これによって、照明を異なる方向からもたらすことができる。
装置はさらなる照明装置を含むことができ、この場合、さらなる照明装置からの光は画像記録装置のビーム経路に結合可能である。これによって、明視野照明をさらに提供することができる。
さらなる照明装置は可動式光源素子を含むことができる。
代替的には、さらなる照明装置は複数の独立的に作動可能な照明部を含むことができる。
画像記録装置の開口数によって可能とされる領域内に異なる方向からのおよび/または異なる角度での明視野照明も提供できる。
照明装置および/またはさらなる照明装置は、例えば、標本面に平行なまたは垂直な面において可動とすることができる。この移動は、傾斜または回転移動も含むことができる。いくつかの例示の実施形態では、照明装置および/またはさらなる照明装置のさまざまな部分、例えばさまざまな照明部は、互いに対して可動とすることもできる。
装置は、さらなる画像記録装置を含むことができ、この場合、さらなる画像記録装置は、開口数、作動距離、倍率、および/または分解能の点で画像記録装置と異なっている。よって、種々の性質を有する画像を記録することができる。
画像記録装置に対して、さらなる画像記録装置は、標本面の反対側に配置可能である。それゆえに、透過光の記録および反射光の記録の両方を実行することができる。
装置は追加の照明装置を含むことができ、この追加の照明装置の光は、さらなる照明装置のビーム経路に結合可能である。よって、照明の点でより多くの変形のオプションが実現可能である。
装置はさらに、制御装置を含むことができ、ここで、制御装置は、さまざまな照明部を起動する目的で、異なる角度でおよび/または異なる方向から標本面における標本を照らすために照明装置を連続的に作動させるように、かつ照明装置のさまざまな作動に対して対応する複数の画像を得るために画像記録装置を作動させるように構成される。
異なる方向からの照明によって、とりわけ、照明が画像記録装置と同じ側に配置されていることによって生じる反射を補正することができる。
制御装置は、複数の画像を組み合わせて結果画像を形成するようにさらに構成可能である。
以下の1つまたは複数は、制御装置によって組み合わせる時に実行可能である。
−反射補正
−分解能の改良
−コントラストの改良
−標本のzマップの判定
−位相コントラスト画像の判定
−被写界深度の改良
よって、改良された性質を有する画像を生じさせることが可能である。
制御装置は、結果画像の品質を評価するように、かつ、その評価に応じて、照明装置の連続的な作動および/または組み合わせ対象画像の選択を修正するように、さらに構成可能である。よって、組み合わせる時に得られる結果、およびオプションとして所望の結果に応じて、設定を動的に適応させることができる。
第2の態様によると、画像を記録するための方法であって、上述されるような装置を使用して複数の画像を記録することとであって、装置の照明装置の異なる照明部は複数の画像のさまざまな画像に対して起動させる、記録することと、複数の画像を組み合わせて、改良された画像性質を有する結果画像を形成することとを含む方法が提供される。
第3の態様によると、画像を記録するための方法であって、異なる照明方向による複数の画像を記録することと、複数の画像から組み合わせ対象画像を選択することと、組み合わせ対象画像における焦点ボケ画像成分を判定することと、組み合わせ対象画像を組み合わせて、反射を低減させた結果画像を形成することとを含み、焦点ボケ画像成分の少なくともいくつかは組み合わせる時に組み合わせ対象画像において省かれる、方法が提供される。
方法は、焦点ボケ画像成分が組み合わせ対象画像で同じ位置にあるかどうかを判定することをさらに含んでよく、組み合わせ対象画像で同じ位置ではない画像成分は、組み合わせ対象画像を組み合わせる時省かれる。
方法は、複数の画像からさらなる組み合わせ対象画像を選択することであって、さらなる組み合わせ対象画像は組み合わせ対象画像と異なっている、選択することと、さらなる組み合わせ対象画像を、これらの画像コントラストを増大させるように組み合わせることとをさらに含んでよい。
複数の画像からのさらなる組み合わせ対象画像を記録することは、さらなる組み合わせ対象画像を選択することによって引き起こされ得る。
方法は、さらなる組み合わせ対象画像を組み合わせるための組み合わせパラメータを提供するための最適化を実行することであって、組み合わせパラメータは、結果画像が最適化基準としての増大させた画像コントラストを満たすことを保証する、実行することをさらに含んでよい。
ここで、請求項1〜17のうちいずれか一項に記載の装置の照明装置の種々の照明部は、異なる照明方向によって複数の画像のさまざまな画像に対して起動させることが可能である。
以下に、添付の図面を参照して、例示の実施形態によって本発明についてさらに詳細に説明する。
図1Aは、1つの例示の実施形態による装置のブロック図を示す。図1Bは、図1Aの例示の実施形態における照明部の配置構成を明らかにするための図を示す。 図2Aは、1つの例示の実施形態による装置の概略断面図を示す。図2Bは、図2Aの装置の照明装置の平面図を示す。 図3は、さらなる例示の実施形態による装置の断面図を示す。 図4は、さらなる例示の実施形態による装置の断面図を示す。 図5Aは、さらなる例示の実施形態による装置の断面図を示す。図5Bは、図5Aの例示の実施形態の照明装置の概略図を示す。 図6Aおよび図6Bは、例示の実施形態による照明装置の概略図を示す。 図7A〜図7Cは、図6Aおよび図6Bの照明装置の可能な作動を明らかにするための説明図を示す。 図8は、さらなる例示の実施形態による装置の概略断面図を示す。 図9は、さらなる例示の実施形態による装置の概略断面図を示す。 図10〜図12は、さまざまな実装例の詳細図を示す。 図13Aおよび図13Bは、いくつかの例示の実施形態による方法を明らかにするためのフローチャートを示す。 図14〜図21は、異なる例示の実施形態の効果を明らかにするための例示の画像を示す。
本発明のさまざまな例示の実施形態について以下に詳細に説明する。これら例示の実施形態は、制限的なものとして解釈されるべきではなく、単に説明の目的としての役割を果たす。とりわけ、複数の特徴または要素を有する例示の実施形態の説明は、これらの特徴全てが例示の実施形態を実施するために必要であるという意味で読み取られるべきではない。もっと正確に言えば、他の例示の実施形態は、示されるおよび/または代替的な特徴より少ない特徴を有する場合がある。また、示されかつ提示される特徴および要素、例えば、画像を記録するための従来の装置において使用される要素に加えて、さらなる特徴および要素が提示可能である。
種々の例示の実施形態の特徴または要素は、別段指示されない限り、互いに組み合わせ可能である。例示の実施形態のうちの1つに対して説明される変形および修正は、指定されるものが何もないなら、他の例示の実施形態に適用可能であってもよい。
図1Aは、1つの例示の実施形態による装置のブロック図を示す。図1Aの例示の実施形態において、画像記録装置14は、標本面11に配置される標本12の画像を記録する働きをする。ここで、装置10の画像記録装置14は、画像センサが結合されている顕微鏡対物レンズを含むことができるが、さらにまたは代替的には、巨視的オーバービュー画像を製作するためのカメラ装置も含むことができる。よって、本発明の応用は巨視的画像または顕微鏡画像に制限されず、両方のタイプの画像に適用可能である。
画像記録装置14と標本面11との間の距離はHobjで示される。例として、この距離は、標本面11から、標本に最も近くにある画像記録装置14のレンズまで、または、画像記録装置14の任意の他の適した部分まで測定可能である。
さらに、図1Aの装置10は照明装置13を有する。照明装置13は、個々におよび/またはグループ(セグメントとも称される)で作動可能である複数の光源素子、例えば発光ダイオードを含むことができ、上記の光源素子は、実質的に、画像記録装置14の同心円状に配置されている。1つの例示の実施形態では、光源素子は、画像記録装置14の光軸に対して対称的に配置されることで、それぞれの光源素子が、仮想線上にある割り当てられた相補的な光源素子を有するようにし、この仮想線は、光源素子、該光源素子に相補的な光源素子、および光軸を通過し、光源素子および相補的な光源素子は光軸から同じ距離にある。
個々の光源素子の代わりに、照明装置13は、面光源、および面光源の個々の一部分を選択的に薄暗くするために作動可能な付影要素を有することもできる。この結果として、実質的に、個々の光源素子によるのと同じ作動性を達成することができる。
ここで、図1Aに示されるように、照明装置13は、標本12からの光の通過を容易にするために、ひいては、画像記録装置14による標本12の画像の記録を容易にするために開口部を有することができる。ここで、標本面11からの照明装置13の距離は、図1においてHで示されている。画像記録装置14および照明装置13が標本面11の同じ側に配置されるため、照明が反射(透過光照射に対するコントラスト)をもたらすことは、図1から明らかである。ここで、HobjとHとの比率は1〜1.5の範囲にあるとすることができるが、これに制限されない。
例示の実施形態では、個々に作動可能な隣接する照明部、例えば、個々の光源素子、付影要素、またはこれらのグループの間の距離は、この場合、画像記録装置14の開口数に適合するように選択される。このことについて、図1Aの一部を示す図1Bを参照して説明する。
図1Bにおいて、13Aおよび13Bは照明装置13の2つの隣接する照明部を指すが、これは単に例とみなされるべきである。標本面11におけるある点から見られるこれらの照明部の間の角度は18で示される。画像記録装置14の開口数に割り当てられる標本面におけるこの点の角度は17で示される。例示の実施形態では、照明部は、角度17が角度18以下になるように、好ましくは、10%少なく、20%少なく、30%少なく、または50%少なくなるように配置および/または選択される。このことは、後述されるように、画像を組み合わせて分解能を増大させる時に有利である。異なる照明部13A、13Bに対する角度18が、画像記録装置の開口数によって画定される角度17以下のままである限り、変えることができることは、留意されるべきである。例として、隣接する照明部13A、13Bの間の一定の距離の場合の角度は、画像記録装置14の光軸からの距離が大きくなるにつれて小さくなる可能性がある、または、照明部13A、13Bの間の距離は、該角度が一定のままであるように選択可能である。他のタイプの変形も可能である。
図1の例示の実施形態では、照明装置13は制御装置15によって制御される。例として、制御装置15は、適切にプログラミングされたコンピュータとして、または、適切にプログラミングされたマイクロコントローラとして実装可能である。しかしながら、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの組み合わせでの他の実装形態も可能である。
さらに、制御装置15は、画像記録装置14を制御し、かつこの画像記録装置14から画像を受信する。
画像を記録する目的で、制御装置15は、とりわけ、標本12が照明装置13の種々のセグメントによって連続的に照らされるように照明装置13を作動させることができる。その結果として、標本12は異なる方向からおよび/または異なる角度で連続して照らされる。画像は、これらの照明方向および/また照明角度のそれぞれに対して画像記録装置14によって記録される。制御装置15は、これらの画像を組み合わせて、例えば、鮮明度、コントラスト、または反射の点で、個々の画像と比較すると改良された性質を有する結果画像を形成する。画像の適した組み合わせによって、計算によって結果画像から反射を少なくとも大部分除去することができる。上記の反射は、照明装置13の照明から(すなわち、照明が画像記録時に標本の同じ側からもたらされることによって)生じるため、これによって画像品質を改良できる。この目的に向けた例については、さらに以下でより詳細に説明する。結果画像および/または個々の画像は、ディスプレイ16上に提示可能である、および/または後の使用のために記憶可能である。
このような装置10の詳細な例示の実施形態について、ここで図2〜図5を参照してより詳細に説明する。これらの図では、図1の制御装置15およびディスプレイ16などの制御装置およびディスプレイを表すことは省略されている。しかしながら、このような構成要素はまた、図2〜図5の例示の実施形態において提供可能である。この点で、図2〜図5の例示の実施形態は、画像記録装置、とりわけ、利用される照明装置に的をしぼっている。
図2Aの例示の実施形態では、標本の画像を記録するためのカメラユニット20が設けられており、ここで、標本は標本面22に配置されるものとする。カメラユニット20の標本面22からの距離は、図1にあるようにHobjで示される。図2のカメラユニット20は光学ユニットおよび画像センサを含む。また、照明装置21は、異なる方向からおよび/または異なる角度で標本面22における標本を照らすことができるように設けられる。照明装置21の標本面22からの距離はHで示される。図1のように、画像記録装置のカメラユニット20および照明装置21はこのように標本面22の同じ側に配置される。ここで、図1にあるように、HobjとHとの比率は1.5〜1の範囲にあるとすることができるが、これに制限されない。
図2Bは、標本面22に平行なxy面における照明装置21の平面図を示す。図2Bの例示の実施形態において、照明装置21は、半径Rinを有する、中央が切り抜かれた円板状になっている。円板の半径はRoutである。複数の個々の光源素子、例えば、発光ダイオードは、円板の領域において配置可能である。しかしながら、例えば、セグメントまたは一部分を選択的に起動するまたは動作停止にすることができるように、個々の切り換え可能な画素を有する面照明、例えば、面OLED照明、または任意の他のタイプの照明が可能である。照明装置のある特定の点、例えば、光源素子のある位置までの半径は、rで示される。ここで、Rin≦r≦Routがあてはまる。ここで、外半径Routは、垂直方向(図2Aにおけるz軸)に対して測定される最大照明角度を定める。Routが大きいほど、利用される照明角度は大きくなり得る。内径Rinは、対物レンズ20の前部寸法、カメラユニット20と照明装置21との間の距離、および、標本面22に配置された標本をカメラユニット20が観測する角度に左右される。
照明装置21のより具体的な例については、さらに、図6および図7を参照して以下により詳細に説明する。その結果として、照明装置21はまた、暗視野照明の役割を果たすことができるが、これは、直接的な反射(入射角=反射角)がカメラユニット20に達しないからである。
図2Bにおける照明装置21の形態は、例示されるようなものとして理解されるものとし、他の形態、例えば、正方形、長方形、楕円形、星形、または他の基本的な形態を使用することも可能であり、この照明装置21上に、個々の光源素子が分布される、またはこの照明装置21は個々の切り換え可能セグメントを含有する。照明の光源素子またはセグメントを選択的に起動および作動停止させることによって、異なる方向からの、異なる角度での、および/または異なる強度による(例えば、異なる数の光源素子を起動することによる)照明を実現することが可能である。複数の対物レンズまたは複数の他の画像記録装置がある配置構成において使用される場合、複数の開口部または切り抜き部が可能である。切り抜き部の形態は変えることもでき、例えば、その形態、および利用される対物レンズまたは利用される他の画像記録装置の寸法に適応させることができる。光源素子の平面以外の配置構成も可能である。
図3〜図5は図2の装置の展開を示す。繰り返しを回避するために、同じ要素は同じ参照記号によって示され、繰り返し説明されることはない。図1および図2を参照して論じた変形および展開はまた、図3〜図5に応用可能である。
図3において、対物レンズ30および画像センサ31は、画像記録の目的でカメラユニット20の代わりに提示されている。例として、対物レンズ30は、顕微鏡画像を記録するための顕微鏡対物レンズ、あるいは巨視的オーバービュー画像を記録するための従来の対物レンズとすることができる。その他の場合、図3の例示の実施形態は、図2Aの例示の実施形態に対応する。
図4の例示の実施形態において、照明装置21に加えて、上述されるように、暗視野測定のための照明を作り出すことができるさらなる照明装置40が提供される。照明装置40からの光は、ビームスプリッタ41によって対物レンズ30に反映され、その結果として、標本の同軸上の明視野照明としての役割を果たすことができる。図4の例示の実施形態では、照明装置40は、その過程で単一の光源によって実現され、上記の単一の光源は、例えば、異なる方向からの明視野照明を実現するために移動可能である。個々に切り換え可能である、複数の個々の光源を使用することも可能である。
さらなる照明装置50を有するさらなる例示の実施形態が図5Aに示されている。図5Bはさらなる照明装置50上の平面図を示す。図5Bの場合、該装置は実質的に円板状に実装され、ここで、複数の個々の個別の光源素子、例えば発光ダイオードが円板上に分布可能である。他の例示の実施形態では、さらなる照明装置50は、個々の切り換え可能な光点を有するディスプレイ、例えば、OLEDディスプレイとすることができる。異なる光源を選択的に起動することによって、さらにまた、異なる方向からの明視野照明を生じさせることができる。さらなる照明装置50からの光は、図4にあるように、ビームスプリッタ30を介して対物レンズ30に反映される。さらなる照明装置50の個々の光源素子は、互いに対して任意の順序または配置構成にすることができ、異なる寸法にする、または異なる立体角を照らすこともできる。個々の光源素子は、互いに、および/または照明装置50の中心点から、光源素子のグループまたは個々の光源素子の一定のまたは変化する距離を有する、長方形格子または円形格子で配置可能である。さらなる照明装置50は平面または平面要素の組み合わせとすることができる、あるいは、光源素子が配置される球形または非球形とすることができる。さらなる照明装置50の光源素子の寸法は、光学ユニット30の後ろ側焦点面を、いっぱいにする、いっぱいには達しない、またはこれを超えて突出するように選択可能である。さらなる照明装置50の個々の光源素子は、全て、明視野測定などのある特定の測定、コントラストの改良、または標本に関するz情報項目を得ることに対する要件に応じて、同時に、個々に、またはグループで、起動させるおよび作動停止にすることができる。
図4および図5のさらなる照明装置40、50は、例えば、種々の測定のために照明装置21から独立して作動可能である、または、組み合わせた明視野照明および暗視野照明を実現するために照明装置21と共に作動可能である。このことは、コントラストの改良、分解能の増大、および/または後述される被写界深度範囲の増大には有利である場合がある。
例として、明視野照明は、照明装置21に相補的である照明角度が実現されることによって、さらなる照明装置40または50を使用してもたらされ得、この角度に基づいて、さらなる画像は後の分解能の改良のために記録可能である。いくつかの例示の実施形態では、先述されるように、対物レンズ30からの異なる照明角度を実現するために、照明装置40は移動可能である、または照明装置50は種々のセグメントで作動可能である。
照明装置21および/またはさらなる照明装置40もしくは50は、同じスペクトル範囲における光源素子、または異なるスペクトル性質を有する個々の光源素子の異なる組み合わせを有することができる。これらの光源素子が個々に作動可能であることによって、このような場合、照明のスペクトル成分を選択的に修正することも可能である。いくつかの例示の実施形態では、異なる光源素子は、放射光の異なる偏光、および/または放射光線の異なる発散を有することができることで、要件に従って照明を変えることができるようにする。
照明装置21および/またはさらなる照明装置40、50は、例えば、標本面に平行なまたは垂直な面において移動可能とすることができる。この移動は、傾斜または回転移動も含むことができる。いくつかの例示の実施形態では、照明装置21および/またはさらなる照明装置40、50のさまざまな一部分、例えばさまざまな照明部はまた、互いに対して移動可能とすることができる。
次に、照明装置、とりわけ、光源素子のリング状配置構成を有する、図2Aに示される照明装置21のような照明装置の例について、図6および図7を参照してより詳細に説明する。
図6Aは、図2Bを参照して既に論じたように、複数の発光ダイオード61がリング状に配置される照明装置60を示す。照明装置60において、個々の発光ダイオード61は、この場合、x方向における均一の距離dx、およびy方向における均一の距離dyで配置される。dxはdyに等しいまたは等しくないようにすることができる。示される例示の実施形態において、合計631の発光ダイオードが設けられ、この場合、他の例示の実施形態において他の数の発光ダイオードも使用可能である。とりわけ、発光ダイオードは白色光の発光ダイオードとすることができるが、着色発光ダイオード(例えば、赤、緑、および/または青の発光ダイオード)も含むことができる。例として、dxおよびdyは、およそ2〜2.5mmの範囲で選択可能である。例として、発光ダイオードの間の距離は、図1Bを参照して上で説明したように、画像記録装置、例えば、図3〜図5における対物レンズ30、または図2Aにおけるカメラユニット20の開口数に適合するように選択可能である。例として、前述の値の2.5mmは、例えば、オーバービューカメラの場合に、0.005の領域において比較的小さい開口数に適合できる。より長い距離は、より多い開口数の場合に発光ダイオードの間で選択できる、あるいは、発光ダイオード61のいくつかだけを使用することができる。発光ダイオードの代わりに他の光源素子を使用することも可能である。
発光ダイオード61のセグメントは、一部の測定のために合わせて起動させるまたは作動停止にすることができる。例として、図6Bは、1から8までの番号が振られた8つのセグメント62を示す。それぞれのセグメントの発光ダイオードは、一部の測定のために合わせて起動させるおよび作動停止にすることができる。示される例では、セグメント2、4、5、および7はそれぞれ、10×10の発光ダイオードを含むことができ、セグメント1、3、および6はそれぞれ、58の発光ダイオードを含むことができ、セグメント8は57の発光ダイオードを含むことができる。しかしながら、これらの数値は例としての役割を果たすだけであり、照明装置の構成に応じて、異なる数の光源素子によるセグメントへの異なる分割を使用することも可能であり、これはまた動的に適応可能である。このことについては、図13Bを参照して後述する。
顕微鏡画像における改良したコントラストまたはコントラストの計算による結果画像を実装できるようにするために、複数の画像は、セグメント62の異なる1つがそれぞれの画像に対して能動的である例示の実施形態において、連続して記録される。次いで、これらの画像は、例えば、コントラストを増大させた結果画像を得るために組み合わせ可能である、または、コントラストを判定するために評価可能である。図6Bにおけるセグメントへの分割は、同様に、例としての役割を果たすだけであり、例えば、異なる数のセグメントによる異なる分割を使用することも可能である。
他の場合では、例えば、複数の異なる角度で異なる方向からの照明を実現するために、より小さいセグメントまたは個々の発光ダイオードを順番に切り換えることも可能である。図7A〜図7Cにおいて、発光ダイオードが、矢印で指示されるように、行の配置に従って連続的に起動される例が示されている。よって、発光ダイオード70Aは図7Aにおいて起動され、その後を示す図7Bにおいて発光ダイオード70Bは起動され、発光ダイオード70Cはさらにその後に起動され、これは図7Cに示される。行に従った連続的起動の代わりに、列に従った連続的起動、あるいは発光ダイオードのランダムな連続的起動とすることもできる。
起動されるおよび作動停止される個々の光源素子によるこのような照明は、例えば、自動焦点設定、対物レンズの焦点を再び合わせる、または被写界深度を増大させる目的で、分解能を改良するまたは標本の高さプロファイル(すなわち、z情報)を定める役割を果たすことができる。ここでも、異なる角度および/または異なる方向から照らされる複数の画像を記録することが可能であり、対応する結果画像は画像を組み合わせることによって生じさせることが可能である。この点でも、詳細については、さらに、以下により詳細に説明する。
さまざまな光源素子のスイッチを入れることによって、既に上で説明したように、異なる方向および角度からの照明を実現することができる。ここで、それぞれの発光ダイオードは具体的な角度および具体的な位置を画定する。以下に提示される表は、発光ダイオード配置構成61の最初の10個の発光ダイオード、すなわち、最上行の発光ダイオードについての例を示す。ここで、rは図2Bに記入されるように半径を示し、Hは、図1から図5に同様に記入されるように、照明装置と標本面との間の距離を示す。さらに、シータは照明角度を示し、Rは標本面とのシステムの光軸の交差点からの光源の距離を示す。照明角度シータは照明の開口数を定義し、これは表における照明開口数で示される。
Figure 2018538581
照明が画像記録と同じ標本の側からもたらされる、上で論じた装置は、標本が対応するもう1つの側から記録される、1つまたは複数のさらなる画像記録装置と組み合わせ可能である。ここで、これに対する例について、図8および図9を参照して説明する。ここで、図8は図5Aの例示の実施形態に基づいており、図9は図3の例示の実施形態に基づいている。対応するように、追加の画像記録装置も、図1、図2、または図4の例示の実施形態において提供可能である。既に上で論じた図3および図5Aの例示の実施形態における要素に対応する図8および図9の要素は、同じ参照記号で示されており、再び詳細に説明することはない。図8および図9において、Hobj1は、標本面22と対物レンズ30との間の距離を示し、それゆえに、図1〜図5の距離Hobjに対応する。
図8の例示の実施形態では、さらなる画像センサ(ここでは示されていない)を有するさらなる対物レンズ80は対物レンズ30に加えて設けられており、さらなる対物レンズ80は、標本面22に対して対物レンズ30の反対側に配置されている。ここで、例えば、対物レンズ30は比較的低い開口数を有する可能性があり、オーバービュー記録を記録する役割を果たすことができる。照明装置21および/またはさらなる照明装置50によって、上述されるように、さまざまな方向からの照明を実現することが可能であり、そして、複数の記録された画像に基づいて結果画像を計算することができ、コントラストは改良される、および/または照明による反射は上記の結果画像において補正される。対物レンズ80は、より高い開口数を有することができ、複数の画像を同様に記録でき、ここで、原則として、照明装置21および50は照明の目的としての役割を果たすことができる。この場合、透過光画像は、さらなる対物レンズ80によって記録される。他の例示の実施形態では、さらなる対物レンズ80は専用の照明装置(図8では示されていない)を有することができる。
対物レンズ30および対物レンズ80は、作動距離、倍率、開口数、および/または分解能の点で互いに異なっているため、異なる画像性質を有する画像を得ることができる。追加の対物レンズ80によって、とりわけ、透明または半透明の標本の透過光画像を得ることができ、オプションとして、明視野照明または暗視野照明による反射光画像は、対物レンズ30によって得られ得る。異なる角度の照明を、両方のケースで得ることができる。
図9は、図8の例示の実施形態の代替策を示し、ここで、さらなる照明装置50およびビームスプリッタ41は対物レンズ30において省かれており、代わりに、追加の照明装置91およびビームスプリッタ90がさらなる対物レンズ80に設けられている。原則として、さらなる照明装置50と同じ構成を有することができる追加の照明装置91によって、対物レンズ30に対する明視野における透過光照明、および/または対物レンズ80に対する反射光明視野照明が可能である。さらなる照明装置91による照明は、とりわけ、対物レンズ30の比較的小さい画像部に対する照明を提供できる。さらなる対物レンズ80による、すなわち、さらなる照明装置91による照明に対する利用可能な角度の範囲は、対物レンズ80の開口数によって画定される。そのように照らすことが可能である対物レンズ30の視野の成分は、標本面、照明装置91、または対物レンズ80の横方向の変位によって増大させることができる。
さらなる例示の実施形態について、ここで、図10〜図12を参照して説明する。図10Aは例示の実施形態による顕微鏡装置100を示し、図10Bは図10Aの顕微鏡装置100の詳細図を示す。図10において、対物レンズ103は照明装置101を備え、この照明装置101は、照明装置60について図6および図7を参照して説明されるように構成される。ここで異なるセグメントまたは発光ダイオードを、照明装置101において選択的に起動させることができる。例として、対物レンズ103は、比較的低い開口数を有する可能性があり、オーバービュー画像を記録する役割を果たすことができる。そして、より高い開口数を有するさらなる対物レンズ102は詳細な画像を記録する役割を果たすことができる。ここで、図10の例示の実施形態では、対物レンズ102は、対物レンズ102を中心にリング形で同心円状に配置される、個別の光源素子104、例えば発光ダイオードを備える。異なる方向からの照明はまた、光源素子104によって実現可能である。
次いで、動作中、対物レンズ103によって一連のオーバービュー画像が記録可能であり、ここで、照明装置101は、異なる方向および/または異なる角度から照らすために作動させる。これらの画像を組み合わせることによって、例えば、比較的低い分解能による反射のないオーバービュー画像、改良されたコントラストを有する反射のないオーバービュー画像、画像を組み合わせることによる改良された分解能を有する反射のないオーバービュー画像、または、改良された分解能および改良されたコントラストを有する反射のないオーバービュー画像をもたらすことができる。これと並列にまたは連続的に、対物レンズ102は詳細な記録を作り出すことができ、この場合、照明は、異なる光源素子104を起動することによって同様に変えることができ、その後、コントラストおよび/または分解能は改良可能である、および/または反射は個々の画像を組み合わせることによって補正可能である。個々の工程、すなわち、とりわけ、個々の画像記録は、次いで、速度、画像品質、および能力に関する要件に応じて対応するタスクに対して最適化可能である。
図11は、照明装置111と組み合わせることができるさまざまな顕微鏡対物レンズ112、113、114を示し、この照明装置111は図6および図7の照明装置61に対応するやり方で構成可能である。これらの対物レンズ112、113、および114は、顕微鏡110で使用可能である。例として、対物レンズ112は5倍の対物レンズとすることができ、対物レンズ113は1.6倍の対物レンズとすることができ、対物レンズ114は0.5倍の対物レンズとすることができる。とりわけ、照明装置111は、0.5倍の対物レンズの前部レンズ直径に合致させることができるが、他の対物レンズに対しても使用可能である。また、例えば、図2Aに示されるような異なる内径および外径を有する、異なる対物レンズに対して異なる照明装置を設けることができる。
図12A〜図12Cは、今度もまた、図6および図7の照明装置61のように構成可能である対応する照明装置120と、顕微鏡122に設置する対物レンズ121とのさらなる組み合わせを提示している。よって、本発明による照明装置は、異なる対物レンズおよび顕微鏡システムで使用可能である。
既に上で説明したように、異なる照明装置および/または異なる照明角度によって複数の画像を記録することによって、画像の改良が得られ得る。このことについて、図13〜図20を参照して以下に説明する。
図13Aは、図1〜図12の装置の助けを借りて実行可能である対応する方法のフローチャートを示す。とりわけ、図13Aの方法に対する制御および計算は、図1の制御装置15においてもたらされ得る。
図13Aの方法のステップ130において、複数の画像は、異なる照明方向および/または異なる照明角度によって記録される。この目的で、例えば、既に上で説明したように、照明装置のさまざまな光源素子、または光源素子のグループ/セグメントを順に起動すること、および、いずれの場合にも、それぞれの照明に対する1つまたは複数の画像を記録することが可能である。ステップ131では、改良された画像性質を有する結果画像は、複数の画像から生じさせる。とりわけ、反射を除去することが可能であり、コントラストを改良することが可能であり、画像のzマップ、すなわち、高さプロファイルを作り出すことが可能であり、および/または分解能を改良することが可能である。
その過程で、どの画像部分がいずれの場合にも「焦点ボケ」であるかを、すなわち、反射を除去する目的で、この画像部分において、例えば、純白が存在する(または、全ての色チャネル、例えば、赤、緑、青が色画像の場合最も高い値に基づく)ことを判定することが可能である。これら画像部分の領域が異なる画像において同じ位置にない場合に、これら画像部分は反射部分であることを判定することが可能である。そして、結果画像を生じさせるために複数の画像を組み合わせる時、例えば、平均化することによって複数の画像の組み合わせを使用することが可能であり、ここで、例えば、上で特定される焦点ボケ領域はそれぞれ、無視される(省かれる)ことで、ある特定の焦点ボケ領域が画像のうちの1つに存在する場合、残りの画像のみがこの領域に対して使用されるようにする。
本出願人による独国特許出願公開第102014113256号において詳細に説明されるような反射補正を行うことも可能である。ここでも、複数の画像は異なる照明形状に対して記録され、付影動作は反射抑制の目的で画像の一部に適用され、上記の付影動作は照明形状、すなわち、各画像を記録する時に利用される照明方向および照明角度に左右される。そのように生じた修正済み画像は、結果画像を形成するために組み合わせ可能である。
例として、画像におけるz位置は、独国特許出願公開第102014109687号または独国特許出願公開第102014113433号において説明されるように定められ得る。ここで、複数の異なる照明方向から、とりわけ焦点がぼけるように照明がもたらされ得る。この場合、照明方向に応じてイメージ化された物体の位置は、これらのz位置に応じて変化する。そして、zマップは照明方向に応じて物体の変位から作り出され得る。このzマップは次いで、さらなる画像改良の目的で、例えば、以下で説明されるものに対して、適用可能である。
例として、分解能、鮮明度、およびコントラストの改良は、独国特許出願公開第102014113258号に説明されるように行うことが可能である。その過程で、この場合、異なる照明形状、異なる照明方向および/または照明角度で強度画像は記録され、結果画像を生じさせるために組み合わせられる。
また、独国特許出願公開第102014112648号に説明されるようにゆがみを加えることが可能である。さらに、独国特許出願公告第102015107517号に説明されるように被写界深度を増大させることが可能である、および/または独国特許出願公開第102014112242号に説明されるように位相コントラスト画像を生じさせることが可能である。前述の方法は、個々に、あるいは、互いに組み合わせて適用可能である。
方法は、ここで図13Bを参照して説明されるように、動的に適応可能である。図13Bは、図13Aの方法を拡張して構成し、かつ、図1の制御装置15において同様に実装可能であるさらなる方法のフローチャートを示す。
ステップ132において、照明パターンによる照明順序が設定される、すなわち、照明部(上述されるように、個々の光源素子あるいはセグメント)が起動される順序が設定される。これは、方法の目的(例えば、上述されるように、分解能を増大させること、反射を補正することなど)に応じて実行可能である。次いで、ステップ133において、一連の画像は照明順序に従って記録される。
その後、画像系列からの画像は、ステップ134において後の組み合わせのために選択される。これは、画像系列の画像全てとすることができるが、数個の画像のみとすることもできる。またしても、これは方法の目的に応じてもたらされてよい。
そして、ステップ134において選択された画像に基づいて、結果画像はステップ135で判定される。これは、図13Aを参照して上述される方法の応用で実行可能である。
ステップ136では、結果画像の品質が満足のいくものである(例えば、満足のいく画像鮮明度、十分に補正された反射など)かどうかに関しての評価が実行される。これが満足のいくものであれば、結果画像はステップ137において出力される。その他の場合、以下の2つのオプションがあり、これらはまたは組み合わせ可能である。
−矢印138に対応して、ステップ134に戻って、画像選択は修正される可能性がある。例として、いくつかの画像は省かれる可能性がある。
−矢印139に対応して、ステップ132に戻って、照明順序は修正される可能性がある。例として、図1Bにおける角度18を修正するように、セグメントのエッジにおける光源素子を起動するまたは作動停止にすることによって利用されたセグメントの寸法および距離を修正することが可能である。
このように、照明順序および/または画像選択を要件に動的に適応させることが可能である。
以下に、このような画像改良の動作モードについて、図14〜図20に基づいて例示の画像を使用して説明する。
図14は、補正されなかった例示の画像を示し、ここで、例えば、図6および図7の照明装置61などの照明装置の発光ダイオード全てが起動される。はっきりとしたスポット反射が図14において例示の画像の中央要素140において可視である。また、リング状の反射は、左上に配置された要素141(ガラス半球体)において発生する。
図15〜図17は、図14に示される配置構成の記録されたさまざまな画像系列を示し、照明は図15〜図17のそれぞれにおいて画像ごとに変わる。図15Aおよび図15Bは、2つの異なる照明に対する2つの画像を示す。例として、光源素子の半分はここでいずれの場合でも起動され得る。例として、中央要素140における反射が次いで、異なる場所で発生し、要素141における反射も変化することを見ることが可能である。
図16A〜図16Bは、例えば、図6および図7の照明装置61の発光ダイオードの4分の1がいずれの場合にも起動される、4つの異なる照明に対する記録を示す。例えば、図16Bおよび図16Cにおける中央要素140において何の反射も発生しないことを見ることが可能である。
最後に、図17A〜図17Hは、例えば、図6Bに示される8つのセグメントが連続して起動された、8つの異なる照明による記録を示す。ここでも、反射は画像ごとに変化する。
その結果として、上述されるように画像を組み合わせることによって反射を抑制することが可能である。図18は、異なる照明による複数の画像を組み合わせることによって得られる画像を示し、ここで反射補正が実行されている。要素140および141においてもはや可視の反射はなく、要素が明確に特定可能であることが明らかである。図18にあるような画像は、実質的に、図15〜図17の画像セットのそれぞれから得られ得る。
図19は、顕微鏡コントラストを、複数の画像を組み合わせることによって増大させた画像を示す。この目的で、図15〜図17の個々の画像を使用することが可能であり、この結果は、個々の画像の利用されたグループに応じて変わる可能性がある。
図20は、異なる照明によって記録された複数の画像を組み合わせることによって得られた位相コントラスト画像を示す。例として、画像における右下にイメージ化された金属リング200における表面不均質性は、位相コントラスト画像においてよりよく特定可能であり、ガラス球体である要素141における体積欠陥が可視になる。
図21A〜図21Fは、利用された対物レンズの開口数に対応する値を上回る分解能の改良を示す。図21A〜図21Cは、開口数が低い光学ユニットを使用して得られた画像を示し、ここで、さらに、照明装置の発光ダイオードの反射は記録済み領域における画像に悪影響を与える。ここで、図21Bは図21Aの拡大された一部であり、図21Cは図21Bの拡大された一部である。図21D〜図21Fは、より高い開口数に対応するより高い光学的分解能によって得られた、図21Cの一部の記録を示す。分解能は図21Dから図21Fまで改良されている。図21Cの対物レンズによって記録された複数の画像が異なる照明設定で組み合わせられる場合、対応する効果が得られ得る。分解能を増大させることによって、デジタルズームの可能範囲を、とりわけ、オーバービュー画像の場合に、増大させることも可能である。
それゆえに、異なる照明で記録された複数の画像を組み合わせることによって画像性質を改良した結果画像を得ることが可能である。
図14〜図21に示される画像は単に説明の目的としての役割を果たすものであり、実際に得られた結果は、記録状態に応じて、利用された対物レンズに応じて、利用された照明に応じて、および、個々の画像の組み合わせのタイプに応じて、変わる可能性がある。

Claims (24)

  1. 画像を記録するための装置であって、
    画像記録装置(14;20;30、31)と、
    前記画像記録装置(14;20;30、31)の光軸の周りに配置される照明装置(13;21;61)と、を備え、
    前記照明装置(13;21;61)は前記画像記録装置(14;20;30、31)までの光の通過を容易にするための切り抜き部を有し、前記照明装置は複数の独立的に作動可能な照明部を有し、
    前記画像記録装置(14;20;30、31)および前記照明装置(13;21;61)は、前記画像記録装置の標本面(11;22)の同じ側に配置され、
    前記標本面(11;22)から見られる前記照明装置(13;21;61)の隣接する照明部(13A、13B)の間の角度(18)は、前記画像記録装置(14;20;30、31)の開口数によって画定される角度(17)以下である、装置。
  2. 前記照明装置(13;21;61)の隣接する照明部(13A、13B)の間の前記角度(18)は、前記画像記録装置(14;20;30、31)の前記開口数によって画定される前記角度(17)より少なくとも10%小さい、請求項1に記載の装置。
  3. 前記複数の照明部は複数の光源素子(61)を含む、請求項1または2に記載の装置。
  4. 前記光源素子は、個々に、および/またはセグメントごとに作動可能である、請求項3に記載の装置。
  5. 異なる光源素子はスペクトル範囲および/または偏光に関して種々の性質を有する、請求項3または4に記載の装置。
  6. 前記照明装置は、面光源、およびいずれの場合にも前記面光源の一部分を薄暗くするための、選択的に作動可能な付影要素を含む、請求項1または2に記載の装置。
  7. 前記照明装置は、内径(Rin)および外径(Rout)を有するリング状であり、前記内径(Rin)は前記切り抜き部を画定する、請求項1〜6のうちいずれか一項に記載の装置。
  8. さらなる照明装置(40;50)をさらに含み、前記さらなる照明装置(40;50)からの光は前記画像記録装置(14;20;30、31)のビーム経路に結合可能である、請求項1〜7のうちいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記さらなる照明装置は可動式光源素子を含む、請求項8に記載の装置。
  10. 前記さらなる照明装置(50)は複数の独立的に作動可能なさらなる照明部を含む、請求項8に記載の装置。
  11. さらなる画像記録装置(80;102)をさらに含み、前記さらなる画像記録装置は、開口数、作動距離、倍率、および/または分解能の点で前記画像記録装置(14;20;30、31)と異なっている、請求項1〜10のうちいずれか一項に記載の装置。
  12. 前記画像記録装置(14;20;30、31)に対して、前記さらなる画像記録装置は前記標本面(11;22)の反対側に配置される、請求項11に記載の装置。
  13. 追加の照明装置をさらに含み、この追加の照明装置の光は前記さらなる照明装置(80)のビーム経路に結合可能である、請求項11または12に記載の装置。
  14. 制御装置(15)をさらに含み、前記制御装置は、さまざまな照明部を起動する目的で、異なる角度でおよび/または異なる方向から前記標本面(11)における標本(12)を照らすために前記照明装置(13;21;61)を連続的に作動させるように、かつ前記照明装置(13;21;61)のさまざまな作動に対して対応する複数の画像を得るために前記画像記録装置(14;20;30、31)を作動させるように構成される、請求項1〜13のうちいずれか一項に記載の装置。
  15. 前記制御装置(15)は、前記複数の画像を組み合わせて結果画像を形成するようにさらに構成される、請求項14に記載の装置。
  16. 前記制御装置(15)は、以下、
    −反射補正
    −分解能の改良
    −コントラストの改良
    −標本のzマップの判定
    −位相コントラスト画像の判定
    −被写界深度の改良
    の1つまたは複数を組み合わせる時に実行するように構成される、請求項15に記載の装置。
  17. 前記制御装置は、前記結果画像の品質を評価するように、かつ、前記評価に応じて、前記照明装置の連続的な作動および/または組み合わせ対象画像の選択を修正するように、さらに構成される、請求項14または15に記載の装置。
  18. 画像を記録するための方法であって、
    請求項1〜17のうちいずれか一項に記載の装置を使用して複数の画像を記録することであって、前記装置の前記照明装置の異なる照明部は前記複数の画像のさまざまな画像に対して起動させる、記録することと、
    前記複数の画像を組み合わせて、改良された画像性質を有する結果画像を形成することと、を含む、方法。
  19. 画像を記録するための方法であって、
    異なる照明方向による複数の画像を記録することと、
    前記複数の画像から組み合わせ対象画像を選択することと、
    前記組み合わせ対象画像における焦点ボケ画像成分を判定することと、
    前記組み合わせ対象画像を組み合わせて、反射を低減させた結果画像を形成することと、を含み、
    前記焦点ボケ画像成分の少なくともいくつかは組み合わせる時に前記組み合わせ対象画像において省かれる、方法。
  20. 前記焦点ボケ画像成分が前記組み合わせ対象画像で同じ位置にあるかどうかを判定することをさらに含み、前記組み合わせ対象画像で同じ位置ではない前記画像成分は、前記組み合わせ対象画像を組み合わせる時省かれる、請求項19に記載の方法。
  21. 前記複数の画像からさらなる組み合わせ対象画像を選択することであって、前記さらなる組み合わせ対象画像は前記組み合わせ対象画像と異なっている、選択することと、前記さらなる組み合わせ対象画像を、これらの画像コントラストを増大させるように組み合わせることと、をさらに含む、請求項19または20に記載の方法。
  22. 前記複数の画像からの前記さらなる組み合わせ対象画像を記録することは、前記さらなる組み合わせ対象画像を選択することによって引き起こされる、請求項21に記載の方法。
  23. 前記さらなる組み合わせ対象画像を組み合わせるための組み合わせパラメータを提供するための最適化を実行することであって、前記組み合わせパラメータは、前記結果画像が最適化基準としての増大させた画像コントラストを満たすことを保証する、実行することをさらに含む、請求項21または22に記載の方法。
  24. 請求項1〜17のうちいずれか一項に記載の装置の前記照明装置の種々の照明部は、異なる照明方向によって前記複数の画像のさまざまな画像に対して起動させる、請求項19〜23のうちいずれか一項に記載の方法。
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