WO2007042164A1 - Automatisches mikroskop mit einem in der aperturblendenebene eines kondensors angeordneten beleuchtungsfeld - Google Patents

Automatisches mikroskop mit einem in der aperturblendenebene eines kondensors angeordneten beleuchtungsfeld Download PDF

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WO2007042164A1
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Andreas Nolte
Lutz HÖRING
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Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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    • 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
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/086—Condensers for transillumination only

Definitions

  • the automatically recorded images can be viewed online by an observer, if necessary with interaction, or they will be available for analysis at a later date.
  • optical components of such automatic microscopes are subject to completely different optical design requirements than conventional ocular object detection microscopes, which focus on ergonomic constraints.
  • the imaging beam path is optimized for the view into the eyepiece, when using cameras, a beam path adaptation to the field size at the location of the image (chip surface of the camera) must take place via an additional adapter.
  • the manual intervention must be ensured in the microscope, for which the beam paths are dimensioned so that all optical components, such as lenses, filters, screens, etc., can also be operated by hand.
  • the beam paths are dimensioned so that all optical components, such as lenses, filters, screens, etc., can also be operated by hand.
  • Magnification and aperture of the optics result in the following dimensions of the lighting and imaging optics to the existing systems.
  • the task is to meet this requirement.
  • the object is achieved by an automatic microscope which contains an optical system with an illumination field arranged at least approximately in the aperture diaphragm plane of a condenser and provided for object illumination, with imaging optics and an imaging sensor arranged in the image plane of the imaging optics.
  • a light source controller connected to an evaluation and control computer is provided to control the illumination field in terms of brightness and / or color temperature.
  • the illumination field is preferably made up of individual semiconductor components emitting in different wavelengths, which can be controlled by the light source controller in intensity individually and / or in groups of the same type, whereby the brightness and / or the color temperature of the illumination field can be adjusted.
  • Field size and magnification of the imaging optics are adapted to the imaging sensor so that each pixel to be resolved is imaged by the imaging optics on two times two sensor pixels of the imaging sensor.
  • the use of an illumination field positioned in or near the aperture diaphragm plane of the condenser instead of a Koehler illumination and the use of an imaging sensor which directly detects the intermediate image otherwise generated by conventional microscopes from the objective and the tube lens substantially simplify the optical beam path of the automatic microscope , Since the configuration of the illumination field can be optimally matched to the illumination beam path, eliminating the need for adjusting the illumination after the change of the illuminant as well as the illumination adjustment via a collector. The entire system of optical components is thus much more compact than conventional microscopes, is simpler in construction and less expensive to manufacture. The system can also be made much smaller, since the image field in the image plane of the imaging optics z. B. in a 2/3 "sensor only 1 1 mm in diameter, in contrast to 25 mm in optical system conventional microscopes.
  • a folding of the optical beam paths is only necessary if space requirements absolutely require.
  • the invention thus provides a microscope concept whose optical components are designed exclusively for the use of imaging sensors for observation without providing an eyepiece view. Even a manual intervention to operate the optical components is no longer necessary. This task is performed by servomotors, which are connected to a control computer.
  • the microscope concept allows an optimization on the dimensions of the sample geometry as well as on the geometry of different sample carriers and on the imaging sensor used.
  • the invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. Show it:
  • Fig. 2 the field illumination in the object plane when illuminated with a two-dimensional LED array as a lighting device
  • 3 shows a pixel image on sensor pixels of an imaging sensor
  • the automatic microscope according to FIG. 1 contains as optical components an illumination field 1 as a light source, which is positioned in or in the vicinity of the aperture stop plane ABE of a condenser 2 arranged downstream of the illumination field 1.
  • An object 3 to be examined can be arranged in an object plane OE, which is imaged via an imaging optic 4, comprising an objective 4.1 imaging an infinite lens and an image-forming lens 4.2, an imaging sensor 5 arranged in the image plane BE of the imaging optics 4.
  • the illumination field 1 is composed according to FIG. 2 preferably of individual semiconductor components (LEDs) 6 emitting in different wavelengths, so that mixed colors can be created by superimposing individual colors in the object plane OE.
  • a microlens array 7 is provided for better adaptation of the already areally formed illumination field 1 to the object to be illuminated.
  • the adaptation of the illumination field 1 to the object has the advantage that a previously necessary high magnification of the illumination source is eliminated. In addition, a color error reduction is associated with such a constructed illumination source.
  • the semiconductor components 6 are individually in intensity by means of a multi-channel LED controller (one channel per color) formed light source control a ⁇ Kunststoffbar, whereby an adjustment of the brightness and / or the color temperature of the illumination field 1 can be done.
  • the imaging sensor 5 is connected via an evaluation 9 with a monitor 10 for image display.
  • An evaluation and control computer 1 1 serving for component control (connections not shown) also controls the illumination field 1 via the light source control 8.
  • the imaging optics 4 is adapted to the use of the imaging sensor 5, wherein the object-side aperture results from the structure to be resolved in the object.
  • Field size and magnification are adapted to the imaging sensor 5 so that each pixel to be resolved is imaged by the imaging optics 4 according to FIG. 3 on two times two sensor pixels 12.

Abstract

Bei einem automatischen Mikroskop besteht die Aufgabe, der Forderung nach einem kostengünstigen kompakten Aufbau mit einer Miniaturisierung als wesentlichen Aspekt gerecht zu werden. Das automatische Mikroskop enthält ein optisches System mit einem zumindest annähernd in der Aperturblendenebene (ABE) eines Kondensors (2) angeordneten und zur Objektbeleuchtung vorgesehenen Beleuchtungsfeld (1), mit einer Abbildungsoptik (4) und einem in der Bildebene der Abbildungsoptik angeordneten bildgebenden Sensor (5).

Description

AUTOMATISCHES MIKROSKOP MIT EINEM IN DER APERTURBLENDENEBENE EINES KONDENSORS
ANGEORDNETEN BELEUCHTUNGSFELD
Automatische Mikroskope finden Anwendung in der Videomikroskopie, der digitalen Mikroskopie, bei Materialuntersuchungen, Inspektionen sowie klinischen Routineuntersuchungen, wo digitale Südes erzeugt werden. Außerdem gestatten diese Mikroskope ein automatisches Einscannen von Objekten auf Objektträgern und ein nachfolgendes Betrachten an einem Monitor und Langzeitbeobachtungen in der Zellbiologie, insbesondere an lebenden Zellen.
Die automatisch aufgenommenen Bilder können von einem Beobachter online, erforderlichenfalls mit Interaktion, betrachtet werden oder sie stehen zu einem späteren Zeitpunkt für Auswertungen zur Verfügung.
An die optischen Komponenten solcher automatischen Mikroskope werden völlig andere Anforderungen an das optische Design gestellt, als bei konventionellen Mikroskopen mit okularer Objekterfassung, bei denen ergonomische Randbedingungen im Vordergrund stehen.
Konventionelle Mikroskope weisen eine köhlersche Beleuchtung auf, wobei bislang überwiegend Hochdrucklampen mit Lichtbogen und Halogenlampen mit Glühwendei zum Einsatz kommen. Bei beiden Systemen sind Größe und Konfiguration der eigentlichen Lichtquelle in einem engen Rahmen vorgegeben. Eine Anpassung der Lichtquelle an die Dimensionierung des Beleuchtungsstrahlenganges findet über eine Anpassungsoptik, dem so genannten Kollektor, statt.
Da der Abbildungsstrahlengang auf den Einblick ins Okular optimiert ist, muss bei Verwendung von Kameras eine Strahlenganganpassung an die Feldgröße am Ort des Bildes (Chipoberfläche der Kamera) über einen zusätzlichen Adapter erfolgen.
Ferner muss der manuelle Eingriff in das Mikroskop gewährleistet sein, wozu die Strahlengänge so dimensioniert sind, dass alle optischen Bauelemente, wie Objektive, Filter, Blenden, etc. auch von Hand bedient werden können. Bei vorgegebener Feldgröße, Vergrößerung und Apertur der Optik ergeben sich in der Folge die Dimensionierungen der Beleuchtungs- und Abbildungsoptik zu den bisher bestehenden Systemen.
Anders verhält es sich bei automatisierten Mikroskopen, bei denen ausschließlich ein in seinen Abmessungen durch die Chipdiagonale bestimmter bildgebender Sensor zur Anwendung kommt, der optimal auszuleuchten ist. Ferner muss eine Anpassung der optischen Komponenten an die Proben- bzw. Probenträgergeometrie sowie der Auflösung der Optik an die durch die Anzahl der Pixel begrenzte Auflösung des bildgebenden Sensors erfolgen.
Insgesamt besteht bei diesen Randbedingungen die Forderung nach einem kostengünstigen kompakten Aufbau mit einer Miniaturisierung als wesentlichen Aspekt.
Aufgabe ist es, dieser Forderung gerecht zu werden.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein automatisches Mikroskop gelöst, das ein optisches System enthält mit einem zumindest annähernd in der Aperturblendenebene eines Kondensors angeordneten und zur Objektbeleuchtung vorgesehenen Beleuchtungsfeld, mit einer Abbildungsoptik und einem in der Bildebene der Abbildungsoptik angeordneten bildgebenden Sensor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Eine mit einem Auswerte- und Steuerrechner verbundene Lichtquellensteuerung ist dafür vorgesehen, das Beleuchtungsfeld in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur anzusteuern.
Das Beleuchtungsfeld ist bevorzugt aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen zusammengesetzt, welche durch die Lichtquellensteuerung in der Intensität einzeln und/oder in Gruppen gleicher Art ansteuerbar sind, wodurch die Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes erfolgen kann. Feldgröße und Vergrößerung der Abbildungsoptik sind derart an den bildgebenden Sensor angepasst, dass jeder aufzulösende Bildpunkt durch die Abbildungsoptik auf zwei mal zwei Sensorpixel des bildgebenden Sensors abgebildet wird.
Durch die Verwendung eines in oder nahe der Aperturblendenebene des Kondensors positionierten Beleuchtungsfeldes anstatt einer köhlerschen Beleuchtung und den Einsatz eines bildgebenden Sensors, der das sonst bei herkömmlichen Mikroskopen von dem Objektiv und der Tubuslinse erzeugte Zwischenbild direkt detektiert, vereinfacht sich der optische Strahlengang des automatischen Mikroskops wesentlich. Da die Konfiguration des Beleuchtungsfeldes optimal auf den Beleuchtungsstrahlengang abgestimmt werden kann, entfällt die Notwendigkeit zur Justage der Beleuchtung nach dem Wechsel des Leuchtmittels ebenso wie die Beleuchtungsanpassung über einen Kollektor. Das gesamte System der optischen Komponenten fällt dadurch wesentlich kompakter als bei herkömmlichen Mikroskopen aus, ist einfacher im Aufbau und kostengünstiger in der Fertigung. Das System kann auch wesentlich kleiner ausgebildet werden, da das Bildfeld in der Bildebene der Abbildungsoptik z. B. bei einem 2/3 "-Sensor nur 1 1 mm im Durchmesser beträgt im Unterschied zu 25 mm bei optischen System konventioneller Mikroskope.
Eine Faltung der optischen Strahlengänge ist nur dann erforderlich, wenn es Bauraumanforderungen unbedingt erfordern.
Mit der Erfindung wird somit ein Mikroskopkonzept bereitgestellt, dessen optische Komponenten ausschließlich auf die Verwendung von bildgebenden Sensoren zur Beobachtung ausgelegt sind, ohne dass ein Okulareinblick vorgesehen ist. Auch ein manueller Eingriff zur Bedienung der optischen Komponenten ist nicht mehr erforderlich. Diese Aufgabe übernehmen Stellmotoren, die mit einem Steuerrechner in Verbindung stehen.
Das Mikroskopkonzept gestattet eine Optimierung auf die Abmessungen der Probengeometrie sowie auf die Geometrie verschiedener Probenträger und auf den verwendeten bildgebenden Sensor. Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung optischer Komponenten im Strahiengang eines automatischen Mikroskops
Fig. 2 die Feldausleuchtung in der Objektebene bei Beleuchtung mit einem zweidimensionalen LED-Array als Beleuchtungseinrichtung
Fig. 3 eine Bildpunktabbildung auf Sensorpixel eines bildgebenden Sensors
Gemäß der Erfindung enthält das automatische Mikroskop entsprechend Fig. 1 als optische Komponenten ein Beleuchtungsfeld 1 als Lichtquelle, das in oder in der Nähe der Aperturblendenebene ABE eines dem Beleuchtungsfeld 1 nachgeordneten Kondensors 2 positioniert ist. In einer Objektebene OE kann ein zu untersuchendes Objekt 3 angeordnet werden, das über eine Abbildungsoptik 4, bestehend aus einem, ins Unendliche abbildenden Objektiv 4.1 und einer bildformenden Linse 4.2, einen in der Bildebene BE der Abbildungsoptik 4 angeordneten bildgebenden Sensor 5 abgebildet wird.
Das Beleuchtungsfeld 1 setzt sich gemäß Fig. 2 bevorzugt aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen (LEDs) 6 zusammen, so dass durch Überlagerung einzelner Farben in der Objektebene OE Mischfarben erstellt werden können. Zur besseren Anpassung des bereits flächig ausgebildeten Beleuchtungsfeldes 1 an das zu beleuchtende Objekt ist ein Mikrolinsenarray 7 vorgesehen.
Die Anpassung des Beleuchtungsfeldes 1 an das Objekt hat den Vorteil, dass eine bisher notwendige starke Vergrößerung der Beleuchtungsquelle entfällt. Außerdem ist mit einer derartig aufgebauten Beleuchtungsquelle eine Farbfehlerreduzierung verbunden.
Die Halbleiterbauelemente 6 sind mittels einer als mehrkanaliger LED-Controller (pro Farbe ein Kanal) ausgebildeten Lichtquellensteuerung 8 in der Intensität einzeln aπsteuerbar, wodurch eine Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes 1 erfolgen kann.
Trotz der nichtlambert'schen Abstrahlcharakteristik eines zweidimensionalen LED-Arrays ist zur Beleuchtung ein einfacher Kondensor 2 ausreichend.
Der bildgebende Sensor 5 ist über eine Auswerteelektronik 9 mit einem Monitor 10 zur Bildanzeige verbunden. Ein zur Komponentensteuerung (Verbindungen nicht dargestellt) dienender Auswerte- und Steuerrechner 1 1 nimmt auch die Steuerung des Beleuchtungsfeldes 1 über die Lichtquellensteuerung 8 vor.
Im Unterschied zu Mikroskopen, die auf eine okulare Objekterfassung ausgelegt sind, ist die Abbildungsoptik 4 auf die Verwendung des bildgebenden Sensors 5 abgestimmt, wobei sich die objektseitige Apertur durch die aufzulösende Struktur im Objekt ergibt. Feldgröße und Vergrößerung sind so an den bildgebenden Sensor 5 angepasst, dass jeder aufzulösende Bildpunkt durch die Abbildungsoptik 4 entsprechend Fig. 3 auf zwei mal zwei Sensorpixel 12 abgebildet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Automatisches Mikroskop, enthaltend ein optisches System mit einem zumindest annähernd in der Aperturblendenebene (ABE) eines Kondensors (2) angeordneten und zur Objektbeleuchtung vorgesehenen Beleuchtungsfeld (1 ), einer Abbildungsoptik (4) und einem in der Bildebene (BE) der Abbildungsoptik (4) angeordneten bildgebenden Sensor (5).
2. Automatisches Mikroskop nach Anspruch 1 , bei dem eine mit einem Auswerte- und Steuerrechner (1 1 ) verbundene Lichtquellensteuerung (8) vorgesehen ist, durch die das Beleuchtungsfeld (1 ) in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur ansteuerbar ist.
3. Automatisches Mikroskop nach Anspruch 2, bei dem das Beleuchtungsfeld (1) aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen (6) zusammengesetzt ist, welche durch die Lichtquellensteuerung (8) in der Intensität einzeln und/oder in Gruppen gleicher Art ansteuerbar sind, wodurch die Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes (1) erfolgen kann.
4. Automatisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem Feldgröße und Vergrößerung der Abbildungsoptik (4) derart an den bildgebenden Sensor (5) angepasst sind, dass jeder aufzulösende Bildpunkt durch die Abbildungsoptik (4) auf zwei mal zwei Sensorpixel des bildgebenden Sensors (5) abgebildet wird.
5. Automatisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der bildgebende Sensor (5) über eine Auswerteelektronik (9) mit einem Monitor (10) zur Bildanzeige verbunden ist.
6. Automatisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die objektseitige Apertur des bildgebenden Sensors (5) durch die aufzulösende Struktur eines in der Objektebene (OE) anzuordnenden Objektes (3) bestimmt ist.
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