WO2018215359A1 - Verfahren und adapter zur adaption eines mikroskopobjektivs an ein digitalmikroskop - Google Patents

Verfahren und adapter zur adaption eines mikroskopobjektivs an ein digitalmikroskop Download PDF

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Dominik Stehr
Johannes Winterot
Thomas Milde
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Carl Zeiss Microscopy GmbH
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    • G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes

Definitions

  • the invention relates to a method and an adapter for adapting a standard analog-microscope objective
  • microscope objective hereafter generally referred to as a microscope objective to a digital microscope.
  • Microscope users often own a larger number of
  • DE 3202461 C1 describes a mechanical adaptation of the objective via a bayonet on the objective revolver of a microscope.
  • the lens can be a coding for
  • Reading device can be detected and used to control device functions.
  • a terminal disposed at the first end has a plurality of electrical contact pins, the interact with the corresponding electrical contacts on the camera.
  • Memory modules are connected and via which of
  • WO 2011/095609 A1 describes a mechanical-electronic bayonet interface for microscope objectives. Via this mechanical interface, data can also be transferred or the electrical supply for the coupled optical
  • Tripod or revolver of a microscope which may also have an electrical interface for component detection and a data memory.
  • the object of the invention is a traditional coded or non-coded microscope objective or
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1 and by an adapter having the features of claim 10.
  • Standard objectives to an electronic interface of a digital microscope comprises the steps of measuring and / or reading and storing optical properties of the
  • Standard lens Measuring and storing mechanical Properties of the standard lens; Providing the optical and mechanical data to the interface.
  • the optical properties are selected from the group:
  • the mechanical properties are selected from the group:
  • connection size is, for example, a thread size or a
  • connection diameter The connection type can be defined for example by thread, bayonet or more.
  • the optical adjustment length can be described by
  • correction data are determined from the optical and / or mechanical properties which are necessary for adapting the operation of the digital microscope to the microscope objective.
  • correction data ⁇ magnification, color magnification difference, lateral image offset, distortion, longitudinal chromatic aberration,
  • correction data is sent to the electronic interface
  • Digital microscope for example, to execute or prohibit defined workflows for the respective objective (eg fluorescence, phase contrast, illumination control,
  • Microscope objectives with a digital microscope comprise a mechanical interface with adjustment means for adjusting the optical components of the standard objective; a digital memory and an electronic interface and at least one electronic component for providing the data of the digital memory to the electronic
  • Digital camera or a digital image sensor is expressly not in the sense of the present invention as
  • Imaging and the application are usable.
  • Image scales real optical correction states, or even more complex characteristics, e.g. the real
  • Downstream coded optical systems e.g., tube lenses or optical zoom systems
  • Downstream coded optical systems are error compensated within certain limits and used to improve digital imaging. For example, by storing distortion characteristics of the standard analog microscope objective into the memory of the adapter, a computational distortion correction including the downstream optical zoom system can be digitally, i. H. non-optical with less effort
  • optical residual-error compensation result from adaptive, dynamic optical elements (for example, displaceable lenses) which are additionally arranged in the adapter and with which within defined limits
  • Temperature and / or refractive index changes of immersion media or a cover glass thickness change can be corrected. This can by a digital readjustment optical
  • Microscope lenses can be used by the adapter according to the invention as a digital lens with its essential features:
  • Multi-contact E-Baj onett interface for the defined optical-mechanical positioning of the lens on the microscope, for the supply of energy and for
  • identification data e.g. as a CAN component
  • Beieuchtungs drivingen Hei1- / dark field lighting, segment lighting
  • sensors proximity sensor, active preparation / collision protection, active compensation ⁇ mechanisms such as auto-correction, autofocus,
  • System components including the digital lenses or with the adapter according to the invention upgraded microscope objectives in an internal microscopic network, according to the deposited system algorithm (in firmware or software), the system optimization in terms of optimal
  • Image formation process either as a one off
  • Fig.l A schematic diagram of a digital microscope
  • Fig. 2 A system structure of a digital microscope according to the
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of an adapter in a first
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of an adapter in a second
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of an adapter in a third
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of an adapter in a fourth
  • embodiment; 7 is a schematic diagram of a first variant of the optical adaptation of the standard lens to the
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the integration of an analog microscope objective 1 into a digital microscope 2, here in a variant of an inverted microscope.
  • the microscope objective 1 according to the invention by means of an adapter 3 to the
  • the adapter 3 has a mechanical interface function with preferably the following selectable features (individually or in combination):
  • the mechanical interface function of the adapter comprises the mechanical adaptation of the objective to the mechanical digital microscope objective interface with regard to the exact positioning, if necessary also the
  • Adjustability of the optical lens system to the optical system of the digital microscope 2 e.g., zoom system or
  • Tubus lens or in the case of finely-imaging objectives directly to the integrated sensor 6 of the digital microscope.
  • Microscope lens 1 to the optical system of
  • adapter 3 also other optical elements, e.g. POL filters, DIC prisms or adaptive optical elements mechanically held and positioned in the adapter 3.
  • POL filters e.g. POL filters, DIC prisms or adaptive optical elements mechanically held and positioned in the adapter 3.
  • the adapter 3 takes over the provision of sufficient mechanical space, so as possible
  • the adapter 3 further has an optical
  • Interface function characterized by the following features (individually or in combination).
  • optical correction element for conveying various Definitions of the interface between a lens and a tube optic of the microscope and the pupil position of the objective (eg for ZEISS objectives as described, inter alia, in WO 2005/088378 A1)
  • Illumination adaptation (dark field objectives, e.g., integration of a LED ring),
  • Optical contrasts e.g. DIC / POL integration
  • Additional optical interface e.g.
  • optical-mechanical corrections e.g.
  • the adapter 3 also has an electronic
  • Interface functions of the adapter is called the memory function of optical and / or systemic parameter data. These are listed by way of example in Table 1 for the adaptation of a 5x objective with its real optical parameters and an integratable and controllable LED illumination.
  • the parameter file definitions of the data are derived, which are then displayed in a calibration process Memory (eg EPROM) of the lens interface are stored.
  • the digital-microscopic system concept (see also FIG. 2) is defined by the holistic view of the optical-digital image formation process from an object 8 to the digital imaging on the image sensor 6 and the output via one or more digital interfaces, eg on a monitor 9 or a digital eyepiece 11. That is, the theoretical linkage of a purely optical system with the image sensor 6, including various
  • Image capture technologies in microscopy such as widefield laser scanning, spinning disc, fluorescence microscopy and others, further using digital
  • Image processing tools and methods independent of hardware and software
  • optical concept is optimized for the image sensor 6 and the digital image processing components and guarantees the best possible, low-loss image data transfer up to the
  • Deviations can be corrected with knowledge of the optical system with modern image processing, so that complex correction optics are not needed. In this way, in addition to the performance gain, a cost minimum for the optomechanical system can be achieved.
  • light-sensitive microscopic applications eg fluorescence or fluorescence
  • Moving original PC functions using the camera interface
  • the surrounding microscope hardware e.g., FPGA and media processors for fast real-time imaging and image processing
  • Powerful firmware and / or software tools can transform the digital image into digital
  • Fields of view 20 to 25 mm can provide the images on the sensors without the vorstage
  • the microscopic "hardware” does not necessarily have to be within the immediate reach of the user (view into the eyepieces), since the user's interaction only with the preferably digital input medium, eg the monitor (Touch screen) or other known
  • location variable digital input devices touchpads, digital encoders, joysticks, mouse or the like.
  • digital eyepieces e.g. about high-resolution
  • Miniature display eyepiece observation (with HD, 2K or 4K display technology) or, for example, a head-up display or VR glasses, or the ZEISS VR ONE as smartphone / smart app technology - one is not on Tripod localized observation and control of
  • Microscope functions are possible since the new visualization and control techniques are usually coupled wirelessly (e.g., via Wi-Fi or Bluetooth) or merely wired (e.g., via USB) to the tripod or microscope body.
  • Table 2 shows an example extract of available ones
  • Contrast Technique H BrightField, HD Bright Field / Dark Field, DIC Application Differential Interference Contrast, RL DIC
  • Lenses according to the new correction principle, graduation of the NA (Numerical Aperture) in the ranges 0.02-0.19, 0.20-0.49, 0.50-0.79, 0.80-0.99,> 1.00, WD (working distance) ⁇ 1.0 mm, 1.0-4.0 mm, 4.0-10.0 mm,> 10.0 mm, without cover glass correction, with cover glass correction, variable cover glass thickness correction,
  • Fig. 3 is a first preferred embodiment of
  • the adapter 3 has a mechanical interface 14 for coupling to the digital microscope.
  • An electronic interface 16 is used for communication with and / or the power supply of the other electronic components in the adapter 3, such as memory 17, ring illumination 18, contrast module 19, overview camera 20 or control module 21. With dotted lines are communication links of
  • Control module 21 to the components shown.
  • the adapter 3 has an optical
  • Incident illumination and / or an internal incident light module 23 are real data of the optics 13, which were determined by measurement, stored. Furthermore, the memory 17 may include further information about built-in modules and options. The assembly, measurement, configuration and calibration takes place at the factory, ie this option is preferably offered by a manufacturer of the digital microscope, to which the lens is to be adapted.
  • Contrast method by means of the contrast module 19 in the adapter 3 is also opened to digital microscopes a technical alternative that was originally not for POL, DIC or
  • Fluorescence contrast provided or equipped.
  • the system performance can be further increased and workflows are streamlined.
  • Embodiments according to the figures 4 to 6 may be present.
  • FIG. 4 likewise shows a solution as an embedded system, in which a complete microscope objective 25 is installed in the adapter 3.
  • the assembly, measurement, configuration and calibration also takes place here preferably factory.
  • the factory lens integration as an embedded system according to Figures 3 and 4 has the advantage that all
  • the microscope objectives 25 to be adapted from the own, manufacturer-specific delivery program are coupled either with the factory or the customer as so-called add-on systems with appropriately designed adapters 3.
  • the adapter 3 has a mechanical interface 26 compatible with the lenses to be adapted, for example a corresponding thread or
  • the objective 25 can no longer be separated from the adapter 3, i. this combination is retained and the customer can not operate any further lenses on the adapter 3.
  • Fig. 6 is an add-on system in which the customer can make the mechanical connection to the adapter 3, as well as the configuration and calibration itself.
  • Image quality criteria such as the point spread function (PSF) or the Strehlian definition brightness (calculated from measured Nijboer-Zernike coefficients) and measured as real world system data in the digital
  • the adapter can use different lenses from its inventory with the adapter 3, after he has performed the updates and calibration routines described above.
  • the adapter must have the necessary hardware requirements, e.g. the presence of an objective type-specific or manufacturer-specific correction lens / correction optics 30 in the adapter 3 or the corresponding manufacturer-specific mechanical interface 26.
  • FIGS. 5 and 6 can also be used with foreign lenses, i. Lenses from the product range of other manufacturers, as so-called add-on systems with
  • the adapter 3 has the mechanical interface 26 compatible with the foreign lenses, e.g. a corresponding thread and in most cases a necessary optical adaptation by further optical correction elements.
  • geometric optics are image height by focal length of the
  • Figure 7 shows the basic structure of an adapter with an optical correction element 100 using the example of a zoom 200 in a digital microscope (not shown) as described in DE 10 2013 000 999 AI and a lens
  • the zoom 200 maps from °° to a sensor 300 in the focal plane f x zoom.
  • the optical correction element 100 is arranged in the form of an afocal cemented element in the pupil plane of the zoom 200.
  • the light emitted or reflected by the object, the objective, the correction element 100 and the zoom 200 passes through light (beam path
  • the correction section 100 corrects the systematic differences in the aberrations between the lenses designed for the zoom 200 and those designed for WO2005088378A1. These are in this example color longitudinal and
  • the correction term 100 is afocal with
  • Telescope magnification 1 designed.
  • Fig. 8 shows an arrangement for optically adapting an objective to a zoom tube of the digital microscope.
  • the zoom 201 forms °° a sensor 301 from the image plane with variable focal length f x zoom.
  • the afocal optical adapter as a correction member 101 in the form of a Galileiteleskops of two cemented sections 102, 103 arranged in the pupil plane of the zoom 201.
  • the adapter with the optical correction member 101 corrects the systematic aberration differences between those lenses designed for the zoom 201 and those designed for US-8576482 B2. These are color longitudinal and lateral chromatic aberration and magnification difference and these can be corrected by two achromats or the cemented segments 102, 103. Cutting widths are not corrected. For this reason, the correction term 101 is designed to be afocal. The magnification difference is corrected by the telescope magnification of the correction element 101.
  • the correction element 101 corrects via the relation of the focal lengths of the two achromats or
  • Kittglieder 102, 103 the difference in the focal lengths between a reference focal length of the zoom system 201 and to the tube lens from US-8576482 B2 2013/11/05 corrected lens.
  • the selection of crown and flint glass in the two cemented sections 102, 103 in combination allows for the correction of the remaining named errors.
  • the correction member 101 has virtually no influence on the distortion. These are advantageously digitally correctable.
  • the correction element 101 comprises a first achromatic data
  • r is the radius of the respective lens
  • a is the distance to the next lens
  • n e is the refractive index
  • v e is the Abbe number of the lens
  • f is the focal length.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Adapter zur Adaption eines Mikroskopobjektives (25) an eine elektronische Schnittstelle (16) eines Digitalmikroskopes (2), das Verfahren umfasst die Schritte Vermessen und Speichern optischer Eigenschaften des Mikroskopobjektives (25); Vermessen und Speichern mechanischer Eigenschaften des Mikroskopobjektives (25); Bereitstellen der gespeicherten optischen und mechanischen Eigenschaften als optische und mechanische Daten an die elektronische Schnittstelle (16). Der Adapter umfasst eine mechanische Schnittstelle (26) mit Justiermitteln zur Justierung der optischen Komponenten des Standardobjektivs (25), einen digitalen Speicher (17), eine elektronische Schnittstelle (16) und mindestens eine elektronische Komponente zur Bereitstellung der Daten des digitalen Speichers (17) an die elektronische Schnittstelle (16).

Description

Verfahren und Adapter zur Adaption eines Mikroskopobjektivs an ein Digitalmikroskop
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Adapter zur Adaption eines Standard-Analog-Mikroskop-Obj ektivs ,
nachfolgend generell als Mikroskopobjektiv bezeichnet an ein Digitalmikroskop .
Aus dem Stand der Technik sind generell Schnittstellen und Koppelstellen, auch elektronischer Art für Mikroskopobjektive und Kameraobjektive bekannt.
Mikroskop-Anwender besitzen oft eine größere Anzahl von
Objektiven in ihrem Bestand, die sie auch gerne weiter an den neuen Digitalmikroskopen nutzen würden. Damit besteht der Wunsch, traditionelle, codierte oder nichtcodierte
Mikroskopobjektive oder Spezialobjektive verschiedener
Hersteller an einem Digitalmikroskop betreiben zu können. In DE 3202461 Cl ist eine mechanischen Adaption des Objektivs über ein Bajonett am Objektivrevolver eines Mikroskops beschrieben. Das Objektiv kann eine Codierung zur
Verschlüsselung technischer Daten tragen, die beim
Einschwenken des Revolvers von einer gehäusefesten
Leseeinrichtung erfasst und zur Steuerung von Gerätefunktionen verwendet werden können.
Die DE 10 2006 001 722 AI offenbart eine Anschlussvorrichtung für eine Kamera mit automatischem Belichtungsbetrieb an einem optischen System. Ein Adaptertubus ist als
mechanisch/elektrische Verbindung mit einem ersten Ende an der Kamera und einem zweiten Ende an dem optischen System
befestigt. Ein am ersten Ende angeordnetes Anschlusselement weist eine Vielzahl von elektrischen Kontaktstiften auf, die mit den entsprechenden elektrischen Kontakten an der Kamera zusammenwirken .
In DE 10 2004 048 099 AI wird eine zum Einbau in ein Mikroskop bestimmte Optik- oder Optikanbau-Komponente beschrieben, an der ein elektronischer Speicherbaustein und zwei Kontaktfelder vorgesehen sind, welche elektrisch mit Anschlüssen des
Speicherbausteins verbunden sind und über welche der
Speicherbaustein bei eingebauter Komponente elektrisch
kontaktierbar ist und mit Energie versorgt wird. Damit wird eine Komponentenerkennung realisiert.
WO 2011/095609 AI beschreibt eine mechanisch-elektronische Bajonettschnittstelle für Mikroskopobjektive. Über diese mechanische Schnittstelle können auch Daten transferiert oder die elektrische Versorgung für die angekoppelte optische
Komponente vorgenommen werden
In DE 8 701 482 Ul wird eine Baj onettverschluss-Halterung für ein Wechselobjektiv einer fotografischen Kamera beschrieben. An der Baj onettverschluss-Halterung befinden sich auch
elektrische Kontakte, um eine in dem Objektiv befindliche elektrische Schaltung mit einer im Kameragehäuse befindlichen elektrischen Schaltung zu verbinden und dadurch den Austausch von Informationen zu ermöglichen, die für den Autofokusbetrieb notwendig sind.
Stellvertretend für zahlreiche, in der Patentliteratur beschriebene Objektivadapter sei DE 10 2007 006 066 B4 genannt. Diese Anordnung betrifft eine Vorrichtung zum
schnellen Wechseln von Objektiven mit Gewindebefestigung an einem optischen Gerät mittels Kopplung einer Bajonettfassung mit einem Bajonettsockel. Die US 5 703 714 A beschreibt ein Mikroskopsystem, welches optische Elemente, wie Helligkeit einer
Beleuchtungseinrichtung oder Blenden in Abhängigkeit der
Beobachtungsbedingungen steuert. In einem Speicher des Systems sind in Tabellen Einstellbedingungen gespeichert.
Aus der DE 10 2010 001 604 AI ist eine Befestigungsvorrichtung zur einfachen und genauen Befestigung eines Objektivs am
Stativ oder Revolver eines Mikroskopes bekannt, welcher auch eine elektrische Schnittstelle zur Komponentenerkennung und einen Datenspeicher aufweisen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein traditionelles codiertes oder nichtcodiertes Mikroskopobjektiv oder
Spezialobjektiv eines beliebigen Herstellers an einem
Digitalmikroskop verwendbar zu machen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Adapter mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Dabei geht es nicht um eine bloße mechanische, optische und elektronische Adaption der Objektive an das Digitalmikroskop, sondern es soll eine vollständige Integration dieser Objektive über einen intelligenten Adapter und ein Interface mittels Interaktion über die System-Firmware und -Software in das digitalmikroskopische Gesamtsystem erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Adaption eines
Standardobjektives an eine elektronische Schnittstelle eines Digitalmikroskopes umfasst die Schritte Vermessen und/oder Auslesen und Speichern optischer Eigenschaften des
Standardobjektives; Vermessen und Speichern mechanischer Eigenschaften des Standardobjektives; Bereitstellen der optischen und mechanischen Daten an die Schnittstelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die optischen Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe:
Abbildungsmaßstab ß, Verzeichnungscharakteristik,
Farblängsfehler, Farbquerfehler, Zentrierfehler (lateraler Bildstandsfehler) . Der Fachmann kennt solche optischen
Spezifikationen, deren Bezeichnungen auch zwischen
verschiedenen Herstellern differieren können.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die mechanischen Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe:
Arbeitsabstand, Anschlussgröße, Anschlussart, Baulänge und optische Abgleichlänge. Bei der Anschlussgröße handelt es sich beispielsweise um ein Gewindemaß oder einen
Anschlussdurchmesser. Die Anschlussart kann beispielsweise durch Gewinde, Bajonett oder weitere definiert werden. Die optische Abgleichlänge kann beschrieben werden durch die
Baulänge und die obj ektseitige Schnittweite. Der Fachmann kennt die mechanischen Eigenschaften der Objektive und kann eine entsprechend erforderliche Auswahl treffen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus den optischen und/oder den mechanischen Eigenschaften Korrekturdaten bestimmt, die zur Anpassung der Arbeitsweise des Digitalmikroskops an das Mikroskopobjektiv erforderlich sind. Beispielhaft seinen an dieser Stelle als Korrekturdaten genannt: Δ Abbildungsmaßstab, Farbvergrößerungsdifferenz , lateraler Bildversatz, Verzeichnung, Farblängsfehler,
Fokuskorrektur. Der Fachmann kennt diese Spezifikationen und Begriffe und kann entsprechend erforderliche Korrekturdaten bei Kenntnis der Systeme einfach bestimmen und anwenden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Korrekturdaten an die elektronische Schnittstelle
bereitgestellt. Diese können beispielsweise als update in die Mikroskopsoftware eingespielt werden oder beim Betrieb des Digitalmikroskopes laufend von der Schnittstelle abgefragt werden .
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform werden
Identifikationsdaten des Mikroskopobjektivs an die
elektronische Schnittstelle übermittelt. Damit kann das
Digitalmikroskop beispielsweise definierte Arbeitsabläufe für das jeweilige Objektiv ausführen oder auch verbieten (z. B. Fluoreszenz, Phasenkontrast, Beleuchtungssteuerung,
Komponentenerkennung) .
Bei Kenntnis der optischen und mechanischen Eigenschaften des Mikroskopobjektivs und des Digitalmikroskops kann der Fachmann mit verschiedenen Hilfsmitteln des Optikdesigns eine
erforderlich optische Anpassung ermitteln.
Ein erfindungsgemäßer Adapter zum Koppeln eines
Mikroskopobjektives mit einem Digitalmikroskop umfasst eine mechanische Schnittstelle mit Justiermitteln zur Justierung der optischen Komponenten des Standardobjektivs; einen digitalen Speicher und eine elektronische Schnittstelle und mindestens eine elektronische Komponente zur Bereitstellung der Daten des digitalen Speichers an die elektronische
Schnittstelle .
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen angegeben. Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass der Kunde seine vorhandenen (teuren) Objektive mit modernsten Digitalmikroskopen verwenden kann.
Eine typische Systemstruktur und die grundsätzliche
Wirkungsweise der digitalen Mikroskopie sind in Fig. 2
dargestellt, eine solche Systemstruktur wird im Sinne der vorliegenden Erfindung als Digitalmikroskop verstanden. Die bloße Kopplung eines klassischen Mikroskops mit einer
Digitalkamera oder einem digitalen Bildsensor wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ausdrücklich nicht als
Digitalmikroskop verstanden. Ein erfindungsgemäßer Adapter bietet damit für ein
konventionelles Objektiv dieselbe Funktionalität wie ein digitales Objektiv, d.h. wie ein Objektiv, das zum Einsatz an einem Digitalmikroskop geeignet ist, welches die Realdaten der Optik und Mechanik intern gespeichert hat, die damit im
Digitalmikroskop zur Verbesserung bzw. Optimierung der
Bildgebung sowie der Anwendung verwendbar sind. Durch die Codierung und die damit verbundenen internen
Speichermöglichkeit aktueller, realer optischer Objektivdaten (z. B. reale Arbeitsabstände, Objektschnittweiten, reale
Abbildungsmaßstäbe, reale optische Korrektionszustände oder auch komplexere Charakteristika wie z.B. die reale
Definitionshelligkeit als Quadratsumme der realen Zernike- Koeffizienten) besteht die Möglichkeit, diese Realdaten zur Optimierung der Bildgebung zu nutzen. Dies kann z.B. durch ein Systemoffset oder eine variable, applikationsbezogene
Regelung optischer Arbeitspunkte (z. B. applikationsbezogener optischer Wellenlängen) , durch eine sensorgestützte interne Vermessung der optischen Objektiv- Qualitäten oder auch eine stetige Rechnung des Live-Bildes erfolgen. Damit können durch Berücksichtigung der realen, exemplarischen optischen Restfehler des mit dem Adapter ausgestatteten
Mikroskopobjektivs oder des Digitalobjektivs und ihrer
nachgeschalteten codierten optischen Systeme (z.B. Tubuslinsen oder optische Zoomsysteme) in bestimmten Grenzen Fehler kompensiert und im Sinne einer Verbesserung der digitalen Bildgebung genutzt werden. So kann beispielsweise durch Einspeicherung von Verzeichnungs- Charakteristika des Standard-Analog-Mikroskopobj ektivs in den Speicher des Adapters eine rechnerische Verzeichnungskorrektur unter Einbeziehung des nachgeschalteten optischen Zoomsystems digital, d. h. nichtoptisch mit geringerem Aufwand
durchgeführt werden.
Weitere Möglichkeiten der optischen Restfehlerkompensation ergeben sich durch adaptive, dynamische optische Elemente (z.B. verschiebbare Linsen), die zusätzlich in dem Adapter angeordnet sind und mit denen in definierten Grenzen
Temperatur- und/oder Brechzahländerungen von Immersionsmedien oder eine Deckglasdickenänderung korrigiert werden können. Damit kann durch eine digitale Nachregelung optischer
Parameter eine gleichbleibend hohe Bildqualität garantiert werden.
Das rein optisch-mechanische System traditioneller
Mikroskopobjektive kann durch den Adapter erfindungsgemäß als Digitalobjektiv mit seinen wesentlichen Merkmalen verwendet werden:
- Komplexes optisch-mechatronisches System, umfassend
optische, mechanische, elektronische Baugruppen sowie Firmware/Software-Funktionen, eine mechanisch-elektronische Schnittstelle (z.B.
Mehrkontakt-E-Baj onett-Schnittstelle) zur definierten optisch-mechanischen Positionierung des Objektivs am Mikroskop, zur Zuführung von Energie und zum
Datenaustausch,
Speicherung von Identifikationsdaten, optischen Realdaten oder Messdaten, elektronische Systemkomponenten - Definition z.B. als CAN - Komponente,
Optionale Integration weiterer Funktionen wie z.B.
Beieuchtungseinrichtungen (Hei1- /Dunkelfeldbeleuchtung, Segmentbeleuchtung) , Sensoren (Annäherungssensor, aktiver Präparate- /Kollisionsschutz, aktive Kompensations¬ mechanismen wie z.B. Autokorrektur- , Autofokus-,
Autoimmersionsfunktion, Innenfokussierung, aktive
Bildstabilisierung, Übersichtssensor, zusätzliche
optische Schnittstelle zur Lichteinkopplung) ,
Integration des Prozessings (Prozessoren und
entsprechende prozessornahe elektronische Hardware) , damit die objektiv-eigenen spezifischen Daten in das mikroskopische Gesamtsystem einlesbar sind, auch beim Obj ektivwechsel
Durch das Zusammenwirken aller codierten mikroskopischen
Systemkomponenten, inclusive der Digitalobjektive bzw. mit dem erfindungsgemäßen Adapter aufgewerteten Mikroskopobjektive in einem internen mikroskopischen Netzwerk, wird entsprechend der hinterlegten Systemalgorithmik (in Firmware oder Software) die Systemoptimierung im Sinne eines optimalen
Bildentstehungsprozesses entweder als einmalige
Systemkalibrierung oder einmaliger System-Offset oder als laufender Prozess in der digitalen Quasi-Echtzeit- Bildgenerierung durchgeführt. Die Auskopplung und Darstellung der digitalen Bilder bzw. Bilddaten auf einem Monitor, All-In- One-PC, Tablet-PC oder Smartphone sowie die Einbindung in umgebende Netzwerke, Clouds, Datenbanken bzw. das Internet geschieht ausschließlich über bekannte digitale Schnittstellen (z.B. USB, Ethernet, W-LAN oder mobile Technologien für größere Datenvolumen wie z.B. UMTS, HSPA, LTE) .
Damit entwickelt sich das klassische, eher statische und technikorientierte mikroskopische System von einer
vorzugsweisen stand-alone Lösung Mikroskop-Digitalkamera-PC- digitales Netzwerk hin zu einem zunehmend „Thinking System", einer zeitgemäßen, rein applikationsbezogenen smarten
digitalen Systemlösung mit all ihren genannten Vorteilen.
Die Erfindung und Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig.l: Eine Prinzipskizze eines Digitalmikroskops und
Einbindung eines analogen Mikroskopobjektivs mittels eines erfindungsgemäßen Adapters;
Fig. 2: Eine Systemstruktur eines Digitalmikroskops gemäß dem
Stand der Technik;
Fig. 3: eine Prinzipskizze eines Adpaters in einer ersten
Ausführungsform;
Fig. 4: eine Prinzipskizze eines Adpaters in einer zweiten
Ausführungsform;
Fig. 5: eine Prinzipskizze eines Adpaters in einer dritten
Ausführungsform;
Fig. 6: eine Prinzipskizze eines Adpaters in einer vierten
Ausführungsform; Fig. 7: eine Prinzipskizze einer ersten Variante der optischen Anpassung des Standardobjektivs an das
Digitalmikroskop; Fig. 8: eine Prinzipskizze einer zweiten Variante der
optischen Anpassung des Standardobjektivs an das Digitalmikroskop .
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze der Einbindung eines analogen Mikroskopobjektivs 1 in ein Digitalmikroskop 2, hier in einer Variante eines inversen Mikroskops. Das Mikroskopobjektiv 1 wird mittels eines Adapters 3 erfindungsgemäß an das
Digitalmikroskop 2 angekoppelt, so dass es die volle
Funktionalität eines Digitalobjektivs 4 erfüllt. Einzelheiten dieser Ankopplung werden später detaillierter erläutert.
Der Adapter 3 hat eine mechanische Schnittstellenfunktion mit vorzugsweise folgenden wählbaren Merkmalen (einzeln oder in Kombination) :
- Adaption eines Gewinde-Anschlusses (z.B. M27x0.75) auf einen Baj onett-Anschluss ,
- Adaption verschiedener Objektiv-Gewindearten und - Durchmesser,
- Ausgleich verschiedener Objektiv-Übertragungslängen (z.B. 45 mm auf 60 mm) ,
- Möglichkeit der Zentrierung des optischen Kernsystems,
- Vorteilhafte definierte azimutale Ausrichtung und
Justierbarkeit des optischen Kernsystems,
- Kollisions- und Präparateschutz,
- Mechanische Aufnahme- und Integrationsmöglichkeit optischer Korrekturglieder, optischer Kontrasteinrichtungen,
Beleuchtungseinrichtungen sowie eine mechanische
Schnittstelle 5 zur Lichteinkopplung von externen
Beieuchtungseinrichtungen, - Mechanisch-optische Adaption von Fremdsystemen
(Spezialobjektive, z. B. telezentrische Objektive, Long- Distance-Objektive, z.B. der Fa. MITUTOYO, EDMUND OPTICS oder anderer Hersteller) .
Die mechanische Schnittstellenfunktion des Adapters umfasst die mechanischen Anpassung des Objektivs an die mechanische Digitalmikroskop-Objektivschnittstelle hinsichtlich der genauen Positionierung, erforderlichenfalls auch der
Justierbarkeit des optischen Objektiv-Systems zum optischen System des Digitalmikroskops 2 (z.B. Zoomsystem oder
Tubuslinse) oder bei endlich abbildenden Objektiven direkt zum integrierten Sensor 6 des Digitalmikroskops. Im Falle einer zusätzlich erforderlichen optischen Adaption des
Mikroskopobjektivs 1 an das optische System des
Digitalmikroskops 2 übernimmt der Adapter 3 die genaue
Positionierung und Zentrierung dieser zusätzlichen Optik zwischen Objektiv 1 und einem optischen System 7 des
Digitalmikroskops 2. Gegebenenfalls werden im Adapter 3 auch noch weitere optische Elemente, z.B. POL-Filter, DIC-Prismen oder adaptive optische Elemente mechanisch gehalten und im Adapter 3 positioniert.
Des Weiteren übernimmt der Adapter 3 die Bereitstellung von genügend mechanischem Bauraum, damit eine möglichst
platzsparende Integration der gesamten erforderlichen
elektronischen Hardware, wie z.B. Controller- und Processing- Platinen, elektrische Antriebe, LED/OLED-Beleuchtungs- einrichtungen und elektronische Sensorik erfolgen kann. Der Adapter 3 hat weiterhin eine optische
Schnittstellenfunktion, die durch folgende Merkmale (einzeln oder in Kombination) charakterisiert ist.
- Bei Bedarf: Adaption des Mikroskopobjektivs durch ein
optisches Korrekturglied zum Vermitteln verschiedener Definitionen der Schnittstelle zwischen einem Objektiv und einer Tubusoptik des Mikroskops und der Pupillenlage des Objektives (z. B. für ZEISS - Objektive wie unter anderem beschrieben in WO 2005/088378 AI)
Bei Bedarf: Integration dynamischer oder adaptiver Optiken oder Blenden für spezifische Korrekturaufgaben,
Innenfokussierung,
Beleuchtungsadaption (Dunkelfeld-Objektive, z.B. Integration eines LED-Ringes) ,
Optische Kontraste: z.B. DIC-/POL-Integration,
Zusätzliche optische Schnittstelle (z.B. zur
Lichteinkopplung für Fluoreszenzkontrast) ,
Integration einer Phasenplatte zur optischen
Wellenfrontmanipulation,
Spezifische optisch-mechanische Adaption von Fremd- oder Katalogobjektiven (Objektive anderer Hersteller), d.h.
Objektiven, die nicht dem optischen Konzept des
Digitalmikroskops entsprechen,
Datenablage im Speicher (theoretische oder reale, spezifische Daten) wie z . B . :
Abbildungsmaßstab,
Arbeitsabstand,
Verzeichnungskorrektur,
Reflexkorrektur,
Ablage verschiedener PSF,
Ablage realer optischer Definitionshelligkeiten bzw. der realen Zernike-Koeffizienten,
Farbquerfehlerkorrektur,
Ablage von Beleuchtungscharakteristika,
Einstellung optischer Arbeitspunkte,
adaptive Korrekturen,
optisch - mechanische Korrekturen, wie z.B.
Bildstandskorrektur . Der Adapter 3 hat außerdem eine elektronische
Schnittstellenfunktion, die durch folgende Merkmale
gekennzeichnet ist:
- Bestromung des Adapters für Beleuchtung, Prozessing,
Algorithmik, Datenspeicherung, Motorik und Sensorik,
- Speicher-, Prozessor-, und Controller-Integration (zur
Bauraumminimierung Ausführung in SMD-Technologie auf
miniaturisierten, hochintegrierten Platinen, z.B. in
Mehrlagen- und/oder Starrflex-Technologie) ,
- Definition eines Kommunikationsstandards, z.B. CAN 29,
übereinstimmend mit dem, der im Digitalmikroskop 2 eingesetzt wird,
- Elektrische Signalübertragung über mechanische Kontakte, wie z.B. Druckfederkontakte der Fa. PRECI-DIP oder Einsatz moderner Funktechnologien, z.B. der NFC-Technologie,
- Sensorik: Entfernungssensor, Annäherungssensor,
Temperatursensor, Übersichtssensor,
- Elektronische Hardware-Voraussetzungen zur Updatefähigkeit von Firmware und Software,
- Elektronische Hardware-Voraussetzungen für set up ' s - zur mechanischen, optischen, beleuchtungsseitigen Kalibrierung des Objektivs 1 im Zusammenwirken mit dem digitaloptischen System inklusive Servicebarkeit/Ferndiagnose (z.B. über AXEDA Remote Service) bzw. Remote Control
Als ein Beispiel für die oben genannten elektronischen
Schnittstellenfunktionen des Adapters sei die Speicherfunktion von optischen und/oder systemischen Parameterdaten genannt. Diese sind beispielhaft in Tabelle 1 für die Adaption eines 5x-Objektivs mit seinen realen optischen Parametern und einer zu integrierenden und steuerbaren LED-Beleuchtung aufgeführt. Gleichzeitig werden die Parameter-File-Definitionen der Daten abgeleitet, die während eines Kalibrierprozess dann im Speicher (z.B. EPROM) des Objektiv-Interfaces gespeichert werden .
Figure imgf000015_0001
Tabelle 1
Das digitalmikroskopische Systemkonzept (siehe auch Fig. 2) definiert sich aus der ganzheitlichen Betrachtung des optischdigitalen Bildentstehungsprozesses von einem Objekt 8 bis zur digitalen Bildgebung auf dem Bildsensor 6 und der Ausgabe über eine oder mehrere digitale Schnittstellen, z.B. auf einem Monitor 9 oder einem digitalen Okular 11. Das heißt, der theoretischen Verknüpfung eines rein optischen Systems mit dem Bildsensor 6, einschließlich verschiedener
Bilderfassungstechnologien in der Mikroskopie, wie Weitfeld- Laser-Scanning- , Spinning Disc-, Fluoreszenzmikroskopie und andere, weiterhin unter Verwendung digitaler
Bildverarbeitungstools und -methoden (inclusive Hardware und Software) unabhängig von der Hardware- und
Schnittstellenstruktur des Mikroskops.
Im Sinne einer Systemoptimierung wird abgeleitet, welche bildgebende bzw. bildwandelnde Funktion mit welchem Mittel erzeugt wird. Das heißt, je nach optischer Eigenschaft und Aufwand kann für eine Systemoptimierung im Sinne der
Verbesserung der Bildvisualisierung und/oder Bildinformation entschieden werden, ob diese Eigenschaft rein optisch oder mit „digitalen" Software - Tools erzeugt wird. Das gesamte
optische Konzept ist auf den Bildsensor 6 und die digitalen Bildverarbeitungskomponenten optimiert und garantiert einen bestmöglichen, verlustarmen Bilddatentransfer bis zur
Visualisierung auf dem Monitor 9 oder anderem Anzeigegerät und ggf. Speicherung und/oder Verteilung. Auf Basis dieser Systemableitung definieren sich die Modulbzw. Komponenten-Schnittstellen neu, das heißt, auf nicht zwingend nötige optische Schnittstellen kann verzichtet werden, der Anteil der optischen „Hardware" wird reduziert und die funktionsunterstützende Optomechanik wird auf das
erforderliche Maß beschränkt. Viele optischer Fehler bzw.
Abweichungen lassen sich bei Kenntnis des optischen Systems mit moderner Bildverarbeitung korrigieren, sodass aufwändige Korrekturoptiken nicht benötigt werden. Auf diese Weise kann neben dem Performancegewinn ein Kostenminimum für das optomechanische System erreicht werden. Bei lichtsensitiven mikroskopischen Applikationen (z. B. Fluoreszenz- oder
Multiphotonenmikroskopie) bringt die Reduzierung der Glas- Transmissionsverluste durch „weniger Optik" im
bildübertragenden Gesamtsystem deutliche
Sensitivitätsvorteile.
Im Rahmen der Bild- und Performanceverbesserung, sowie einer Datenverlustminimierung und einer deutlich schnelleren und qualitativ besseren Bildgebung wird die traditionelle
Kameraschnittstelle abgelöst und durch eine direkte
Integration des Bildsensors 6 in das Mikroskop. Die
Verlagerung von ursprünglichen PC-Funktionen (bei Verwendung der Kameraschnittstelle) in die umgebende Mikroskop-Hardware (z.B. FPGA - u. Mediaprozessoren für eine schnelle Echtzeit - Bildgebung und Bildverarbeitung) als „embedded PC" erreicht.
Durch leistungsfähige Firmware- und/oder Software-Tools kann das digitale Bild im Rahmen der digitalen
Applikationsanforderungen weiter verbessert bzw. verrechnet und in Quasi-Echtzeit zur Anzeige gebracht werden. Gleiches wäre mit einer traditionellen Digitalkamera an der
Kameraschnittstelle und anschließender Bilddatenverarbeitung auf einem externen PC nicht oder nur mit großem technischen Aufwand (extrem leistungsfähiger und teurer PC) möglich.
Durch die Verwendung des digitalen Okulars 11 und ggf. die Verwendung einer zusätzlichen Übersichtskamera 12, die in Echtzeit vorzugsweise Übersichtsbilder vom mikroskopischen Objekt 8 liefert, ergeben sich eine Reihe weiterer
systemischer Vorteile:
- Die Mikroskopkonstruktion in aufrechter und umgekehrter Bauart ist nicht mehr an eine ergonomische Okulareinblickhöhe gebunden, das schafft Freiheiten im applikationsbezogenen Funktionsaufbau und spart durch den Wegfall der sonst notwendigen optischen Tuben und
Zusatzoptiken Kosten. Insbesondere bei einem inversen Mikroskop kann auf die zusätzliche Zwischenabbildung verzichtet werden und der erhebliche Aufwand für
Binokular-, Trinokular- oder Ergotuben entfällt.
Durch den Wegfall der optischen Korrekturen für die
Okularauskopplung vereinfacht sich der optische Aufwand weiter. Aufgrund der fehlenden Notwendigkeit, die
Sehfelder für klassische optische Okulare mit
Sehfeldzahlen 20 bis 25 mm bereitzustellen, können die Abbildungen auf die Sensoren ohne den vorgehaltenen
Glasweg auf diese optimal angepasst werden. Des Weiteren reduziert sich der Aufwand für die Adaptionsoptik für die Kamera- oder Scannerauskopplung hauptsächlich um den Anteil der Rückkompensation des optischen Glasweges.
Die Stativkonstruktion vereinfacht sich und die
Probenzugänglichkeit insbesondere bei inversen Stativen verbessert sich durch den Wegfall der vorgelagerten Tuben Die mikroskopische „Hardware" muss nicht zwingend in unmittelbarer Erreichbarkeit des Nutzers (Einblick in die Okulare) stehen, da die Interaktion des Nutzers nur noch mit dem vorzugsweise digitalen Eingabemedium, z.B. dem Monitor (Touch-Screen) oder anderen bekannten
ortsvariablen digitalen Eingabeeinrichtungen (Touchpads, digitalen Drehgebern, Joysticks, Maus oder dergleichen) erfolgt. Bei gewünschter optionaler Beobachtung über digitale Okulare - z.B. über hochauflösende
Miniaturdisplay-Okularbeobachtung (mit HD-, 2K- oder 4K- Displaytechnologie) oder beispielsweise ein Head-Up- Display oder eine VR-Brille, oder die ZEISS VR ONE als Smartphone/Smart-App-Technologie - ist eine nicht an ein Stativ ortsgebundene Beobachtung und Steuerung von
Mikroskopfunktionen möglich, da die neuen Visualisierungsund Steuerungstechniken meist drahtlos (z.B. über Wi-Fi oder Bluetooth) oder lediglich drahtgebunden (z.B. über USB) mit dem Stativ bzw. Mikroskopkörper gekoppelt sind.
In den Figuren 3 bis 6 sind verschiedene erfindungsgemäße
Adapterkonfigurationen als Prinzipskizzen dargestellt.
Es existiert eine Vielzahl verschiedenartiger Objektive, die sich hinsichtlich ihrer optischen Korrektionskonzepte,
Schnittstellendefinitionen, ihrer Abbildungsmaßstäbe, ihrer speziellen optischen Kontrastverfahren, Komplexität und
technisch-applikativen Ausstattungsmerkmalen unterscheiden.
Tabelle 2 zeigt einen beispielhaften Auszug verfügbarer
Mikroskopobjektive und die große applikative Vielfalt dieser Mikroskopobj ektive .
Objektiv - Objektiv - Ausführungen
Auswahlkriterium
Objektivklassen A-Plan, LD A-Plan, Achoplan/N-Achroplan, W
Achroplan/W N-Achroplan, C-Achroplan, Fluar, Ultrafluar, alpha Plan-Fluar, Plan-Neofluar , EC Plan-Neofluar, LD Plan-Neofluar, LCI Plan- Neofluar, LCI Plan-Apochromat, Plan-Apochromat SF20, Plan-Apochromat SF23, Plan-Apochromat SF25, W Plan-Apochromat, C-Apochromat, LD C- Apochromat, Epiplan, EC Epiplan, LD Epiplan, Epiplan-Neofluar , EC Epiplan-Neofluar , LD Epiplan-Neofluar, EC Epiplan-Apochromat ,
Abbildungsmaßstab l.Ox, 1.25x, 2.5x, 5x, lOx, 20x, 25x, 32x, 40x,
50x, 63x, lOOx, 150x
Kontrastverfahren/ H BrightField, HD BrightField/Dark Field, DIC Applikation Differential Interference Contrast, RL DIC
Reflected Light DIC, HC DIC High Contrast DIC, C DIC DIC ith circular polarized light,
PlasDIC Polarization-Optical DIC, TIC Total Interference Contrast, PH Phase Contrast, VAREL Objektiv - Objektiv - Ausführungen
Auswahlkriterium
Contrast, HMC Hoffmann Modulation Contrast, POL Polarization Contrast, FL Fluorescence, TIRF Total Internal Reflection Fluorescence,
Confocal Microscopy, NLO-IR / 2 Photon, Apo Tome, Microdissection
Technische ohne Immersion, Wasser- /Öl- /Glycerin- Optionen Immersion, Korr-Funktion, Blenden-Funktion, LD
(Long Distance) , Anschlussgewinde-Ausführungen in WO.8x1/36", M27x0.75, M32x0.75, neue
Objektive (nach neuem Korrektionsprinzip) , Staffelung der NA (Numerische Apertur) in den Bereichen 0.02-0.19, 0.20-0.49, 0.50-0.79, 0.80-0.99, >1.00, WD (working Distance) < 1.0 mm, 1.0-4.0 mm, 4.0-10.0 mm, > 10.0 mm, ohne Deckglaskorrektur, mit Deckglaskorrektur, variable Deckglasdicken-Korrektur,
Spezialobj ektive Telezentrische Objektive, Messobjektive,
Zoomobj ektive , Makroskop-Obj ektive ,
Stereomikroskop-Obj ektive ,
Tabelle 2
In Fig. 3 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung dargestellt. Dabei wird zumindest eine Optik 13 des Mikroskopobjektivs ohne das ursprüngliche Objektivgehäuse als embedded System in den Adapter 3 eingebaut und dort mit mechanischen Mitteln ausgerichtet. Dabei ist der Bauraumgewinn vorteilhaft. Weiterhin weist der Adapter 3 eine mechanische Schnittstelle 14 zur Ankopplung an das Digitalmikroskop auf. Eine elektronische Schnittstelle 16 dient zur Kommunikation mit und/oder der Energieversorgung der weiteren elektronischen Komponenten im Adapter 3, wie Speicher 17, Ringbeleuchtung 18, Kontrastmodul 19, Übersichtskamera 20 oder Steuermodul 21. Mit punktierten Linien sind Kommunikationsverbindungen des
Steuermoduls 21 zu den Komponenten dargestellt.
Vorteilhafterweise weist der Adapter 3 eine optische
Schnittstelle 22 zur Einkopplung von Licht für eine
Auflichtbeleuchtung und/oder ein internes Auflichtmodul 23 auf . Im Speicher 17 sind Realdaten der Optik 13, die durch Vermessung ermittelt wurden, gespeichert. Weiterhin kann der Speicher 17 weitere Informationen über eingebaute Module und Optionen umfassen. Die Montage, Vermessung, Konfiguration und Kalibrierung erfolgt dabei werksseitig, d.h. diese Option wird vorzugsweise von einem Hersteller des Digitalmikroskops angeboten, an das das Objektiv adaptiert werden soll.
Für den Betrieb von motorischen Funktionseinheiten (z.B.
Autofocus) bzw. der integrierten Ringlicht- Beleuchtungseinrichtung müssen über die elektronische
Schnittstelle 16 des Adapters 3 neben den für den
Datentransfer vorgesehenen elektrischen Kontakten entweder zusätzlich Kontakte vorgesehen werden, die der elektrischen Energieübertragung zur Bereitstellung der erforderlichen elektrischen Leistung dienen oder die vorhandenen Kontakte schaltungstechnisch dafür ausgelegt werden. Beim Einsatz einer kontaktlosen Technologie, wie z.B. NFC-Funktechnologie als elektrische Schnittstelle ist für den Betrieb dieser
energieintensiveren Funktionseinheiten in der elektrischen Schaltungsdimensionierung auf eine ausreichend große
elektrische Leistungsübertragung zu achten.
Durch die Möglichkeit der Nachrüstung optischer
Kontrastverfahren mittels des Kontrastmoduls 19 im Adapter 3 wird auch an Digitalmikroskopen eine technische Alternative eröffnet, die ursprünglich nicht für POL-, DIC- oder
Fluoreszenz-Kontrast vorgesehen bzw. ausgestattet sind.
Dadurch kann der Applikationsumfang der Digitalmikroskope deutlich erweitert werden. Die Verfahren und die Anordnungen der optischen Elemente oben genannter Kontrastverfahren sind bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
Durch zusätzlich in den Adapter integrierbare Sensoren, wie z.B. einen Entfernungssensor 24, Autofokus-Sensoren oder die Übersichtskamera 20 kann die Systemperformance weiter erhöht und Arbeitsabläufe rationalisiert werden.
Die dargestellten Zusatzkomponenten sind teilweise als optionale Komponenten zu verstehen, die auch in den
Ausführungsformen gemäß der Figuren 4 bis 6 vorhanden sein können.
Fig. 4 zeigt ebenfalls eine Lösung als Embedded System, bei der ein komplettes Mikroskopobjektiv 25 in den Adapter 3 eingebaut ist. Die Montage, Vermessung, Konfiguration und Kalibrierung erfolgt auch hier vorzugsweise werksseitig. Die werksseitige Objektivintegration als Embedded System gemäß der Figuren 3 und 4 hat den Vorteil, dass sämtliche
notwendigen Adaptionsarbeiten werksseitig durchgeführt werden können, wie z.B.
- Vermessung des zu Mikroskopobjektivs 25 hinsichtlich seiner optischen Realdaten,
- Montage, Justierung und Kalibrierung der Optik 13 oder des kompletten Mikroskopobjektivs 25,
- Ggf. Integration und Justage weiterer optischer
Korrekturglieder bzw. weiterer optischer oder motorisierter Komponenten und Baugruppen,
- Elektrisch- / elektronische Inbetriebnahme,
- Update mit aktuellen Firmware- u. Softwareversionen,
- Justierung, Kalibrierung und Prüfung des Komplettsystems.
Damit entfällt für den Kunden bei werksseitig adaptierten Objektiv vorteilhaft eine zusätzliche Konfiguration und
Kalibrierung des Adapters. In den Ausführungsvarianten gemäß der Fig. 5 und 6 werden entweder werksseitig oder kundenseitig die zu adaptierenden Mikroskopobjektive 25 aus dem eigenen, herstellerspezifischen Lieferprogramm als so genannte Add-on-Systeme mit entsprechend ausgeführten Adapter 3 gekoppelt. Dabei besitzt der Adapter 3 eine zu den zu adaptierenden Objektiven kompatible mechanische Schnittstelle 26, z.B. ein entsprechendes Gewinde oder
Bajonett. Bei der werksseitigen Ausführungsform (Fig. 5) werden wieder alle Konfigurations- und Kalibrieraufgaben vorteilhaft beim Hersteller ausgeführt und beim Nutzer
entfallen weitere Konfigurations- und Kalibrieraufgaben. Hier kann in der Regel das Objektiv 25 nicht mehr vom Adapter 3 getrennt werden, d.h. diese Kombination bleibt erhalten und der Kunde kann keine weiteren Objektive an dem Adapter 3 betreiben.
Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform ist ein Add-on-System, bei der der Kunde die mechanische Anbindung an den Adapter 3, sowie die Konfiguration und Kalibrierung selbst vornehmen kann.
Hier müssen alle erforderlichen Daten für das zu adaptierende Mikroskopobjektiv 25 als Datei 27, z.B. als Download aus einer Datenbank 28 oder Cloud 29 zur Verfügung stehen und über die elektronische Schnittstelle 16 in dem Speicher 17 abgelegt werden. Das sind die Daten, die für alle Objektive dieses Typs identisch sind, z.B. Bezeichnungen zur Identifikation oder optische Restfehlerkorrekturen (z. B. Verzeichnungskorrektur), die exemplarisch nur gering variieren. Weiterhin kommen individuelle Objektivdaten hinzu, die erst in einer über die Software/Firmware des Digitalmikroskops angebotenen
Kalibrierroutine unter Nutzung eines Kalibrier-Slides vom Kunden gemessen und gespeichert werden müssen. In einer weiteren Ausbaustufe können auch noch - wenn das Digitalmikroskop über entsprechende Sensorik (z. B. ein integrierter Wellenfrontsensor) verfügt - die Qualität des Mikroskopobjektivs 25 beschreibende objektive
Bildgütekriterien wie z.B. die Point-Spread-Funktion (PSF) oder die Strehlsche Definitionshelligkeit (aus gemessenen Nijboer-Zernike-Koeffizienten berechnet) gemessen und als realoptische Systemdaten mit in den digitalen
Bildentstehungsworkflow eingehen bzw. gemessene optische
Restfehler über implementierte adaptive optische Elemente oder wie bei motorisierten Korr . -Obj ektiven über einstellbare
Linsenglieder in bestimmten Grenzen korrigiert werden.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Kunde
unterschiedliche Objektive aus seinem Bestand mit dem Adapter 3 nutzen kann, nachdem er die oben beschriebenen Updates und Kalibrierroutinen ausgeführt hat. Selbstverständlich muss der Adapter die dafür notwendigen hardwareseitigen Voraussetzungen haben, z.B. das Vorhandensein einer objektiv-typgebundenen oder herstellerspezifischen Korrekturlinse/Korrekturoptik 30 im Adapter 3 oder die entsprechende herstellerspezifische mechanische Schnittstelle 26.
Die Ausführungsformen gemäß der Figuren 5 und 6 können auch mit Fremdobjektiven, d.h. Objektiven aus dem Lieferprogramm anderer Hersteller, als so genannte Add-On-Systeme mit
entsprechend ausgeführtem Adapter 3 realisiert werden. Dabei besitzt der Adapter 3 die zu den Fremdobjektiven kompatible mechanische Schnittstelle 26, z.B. ein entsprechendes Gewinde und in den meisten Fällen eine notwendige optische Adaption durch weitere optische Korrekturglieder.
Entscheidend für die Einbindung von Objektiven anderer
Hersteller in den digitalen Bildgebungsprozess in Digitalmikroskopen ist die Kenntnis und Verfügbarkeit ihrer relevanten Daten. Durch die Möglichkeit der Einbindung von geeigneten Objektiven anderer Hersteller, insbesondere auch von Spezialobjektiven, wie z. B. telezentrische Objektive, LD- Objektive oder Zoomobjektive erweitert sich die
Anwendungsbreite der Digitalmikroskope beträchtlich.
Stellvertretend für die o.g. verschiedenartigen optischen Schnittstellenfunktionen sei in einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 die optische Adaption eines Objektivs an ein Digitalmikroskop angeführt.
Mikroskope mit °°-Obj ektiven beinhalten die Bestandteile
Objektiv und Tubuslinse. Zwischen beiden ist der als
Unendlichraum benannte Abstand 60. Genormt ist die
Vergrößerung als Verhältnis von Bild zu Objektgröße. Das
Objekt liegt dabei in der Nähe des vorderen Brennpunktes des Objektivs und das Bild entsprechend in der Nähe des hinteren Brennpunktes der Tubuslinse. Mit den Grundgesetzen der
geometrischen Optik sind Bildhöhe durch Brennweite der
Tubuslinse und Objektgröße durch Objektivbrennweite zu
ersetzen. Aus unterschiedlichen Gründen werden Tubuslinsen mit unterschiedlichen Brennweiten und auch mit unterschiedlichem Korrektionen eingesetzt. Ein Austausch der Objektive ist damit oft schon aus optischen Gesichtspunkten nicht ohne
Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit gegenüber der
zugrundeliegenden Originalkonfiguration möglich. Mit Kenntnis der Korrektionsprinzipien der Tubuslinsen ist die Ermittlung der Differenz für Mischkonstellationen möglich. Für einige Konstellationen gibt es Lösungen, nicht kompatible
Konfigurationen durch Hinzufügen von Anpassungsgliedern im Unendlichraum zu korrigieren. Figur 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Adapters mit einem optischen Korrekturglied 100 am Beispiel eines Zooms 200 in einem Digitalmikroskop (nicht dargestellt) entsprechend der Beschreibung in DE 10 2013 000 999 AI und einem Objektiv
(nicht dargestellt) für eine Tubuslinse nach Beschreibung in WO2005088378A1 (dort Fig.2) . Der Zoom 200 bildet von °° auf einen Sensor 300 in der Bildebene mit variabler Brennweite f xzoom ab. Zwischen dem Objektiv und dem Zoom 200 ist das optische Korrekturglied 100 in Form eines afokalen Kittglieds in der Pupillenebene des Zooms 200 angeordnet. Das vom Objekt emittierte oder reflektiert, das Objektiv, das Korrekturglied 100 und den Zoom 200 durchlaufende Licht (Strahlengang
dargestellt mit 50) wird in der Bildebene fokussiert. Das Korrekturglied 100 korrigiert die systematischen Differenzen der Aberrationen zwischen denen für den Zoom 200 ausgelegten Objektiven und denen für WO2005088378A1 Fig.2 ausgelegten Objektiven. Dies sind in diesem Beispiel Farblängs- und
Farbquerfehler und lassen sich durch den Adapter mit dem
Korrekturglied 100 korrigieren. Schnittweiten und
Vergrößerungsdifferenzen sind nicht zu korrigieren. Aus diesem Grund ist das Korrekturglied 100 afokal mit
Fernrohrvergrößerung 1 ausgelegt.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung zur optischen Anpassung eines Objektivs an einen Zoom-Tubus des Digitalmikroskops.
Dargestellt ist der prinzipielle Aufbau eines optischen
Adapters mit einem Korrekturglied 101 am Beispiel eines Zooms 201 im Digitalmikroskop entsprechend der Beschreibung in
DE 10 2013 000 999 AI und einem Objektiv für eine Tubuslinse nach Beschreibung in US-8576482 B2. Der Zoom 201 bildet von °° auf einen Sensor 301 in der Bildebene mit variabler Brennweite f xzoom ab. Zwischen dem Objektiv und dem Zoom 201 ist der afokale optische Adapter als Korrekturglied 101 in Form eines Galileiteleskops aus zwei Kittgliedern 102, 103 in der Pupillenebene des Zooms 201 angeordnet. Das vom Objekt
reflektierte oder emittierte, das Objektiv, den Adapter und den Zoom 201 durchlaufende Licht wird in der Bildebene 301 fokussiert. Der Adapter mit dem optischen Korrekturglied 101 korrigiert die systematischen Differenzen der Aberrationen, zwischen denen für den Zoom 201 ausgelegten Objektiven und denen für US-8576482 B2 ausgelegten Objektiven. Dies sind Farblängs- und Farbquerfehler sowie Vergrößerungsdifferenz und diese lassen sich durch zwei Achromate bzw. die Kittglieder 102, 103 korrigieren. Schnittweiten werden nicht korrigiert. Aus diesem Grund ist das Korrekturglied 101 afokal ausgelegt. Die Vergrößerungsdifferenz wird durch die Fernrohrvergrößerung des Korrekturgliedes 101 behoben.
In den Ausführungsbeispielen zu Patent US-8576482 B2 ist eine Tubuslinse eines Herstellers offenbart. Die Einzelheiten sind dort in Tabelle 19 und Darstellung 25 ersichtlich. Die
zwischen der dort angegebenen Tubuslinse und der Korrektion des Zooms-Tubus (z. B. aus DE 10 2013 000 999 AI) bestehenden Unterschiede sind Brennweite, Farblängsfehlerkorrektion,
Farbquerfehlerkorrektion und Bildfeldwölbung. Dies sind
Fehler, die sich im Unendlichraum mittels des Korrekturgliedes 101 korrigieren lassen. Das Korrekturglied 101 korrigiert über die Relation der Brennweiten der beiden Achromate bzw.
Kittglieder 102, 103 die Differenz der Brennweiten zwischen einer Referenzbrennweite des Zoomsystems 201 und dem zu der Tubuslinse aus US-8576482 B2 2013/11/05 korrigierten Objektiv. Die Auswahl von Krön- und Flintglas in den beiden Kittgliedern 102, 103 gestattet in Kombination die Korrektion der übrigen benannten Fehler.
Die Fernrohrvergrößerung des Korrekturgliedes 101 beträgt Γ=1,08. Farbquer- und Farblängsfehler sowie Koma und Astigmatismus sind deutlich reduziert. Das Korrekturglied 101 hat praktisch keinen Einfluss auf die Verzeichnungen. Diese sind vorteilhafterweise digital korrigierbar.
Das Korrekturglied 101 umfasst einen ersten Achromaten
(Kittglied 102) mit positiver Brechkraft mit vorangestelltem Flint in der Sammellinse und einem zweiten Achromaten
(Kittglied 103) mit negativer Brechkraft mit endständigem Krön in der Sammellinse.
Nachfolgende Tabelle gibt eine mögliche exakte Ausführungsform des in Fig. 8 beschriebenen optischen Korrekturgliedes 101 an. Dabei sind r der Radius der jeweiligen Linse, a der Abstand zur nächsten Linse, ne die Brechzahl, ve die Abbe-Zahl der Linse und f die Brennweite.
Figure imgf000028_0001
Bezugs zeichenliste
1 Mikroskopobjektiv 100 optisches Korrekturglied
2 Digitalmikroskop 101 optisches Korrekturglied
3 Adapter 102 Kittglied
4 Digitalobjektiv 103 Kittglied
5 optische Schnittstelle 200 Zoom
6 Bildsensor 201 Zoom
7 Optik 300 Sensor
8 Objekt 301 Sensor
9 Monitor
10 -
11 digitales Okular
12 Übersichtskamera
13 Optikkomponente
14 mechanische Schnittstelle
15 -
16 elektronische Schnitt¬ stelle
17 Speicher
18 Ringbeleuchtung
19 Kontrastmodul
20 Übersichtskamera
21 Steuermodul
22 optische Schnittstelle
23 Auflichtmodul
24 Entfernungssensor
25 Mikroskopobjektiv
26 mechanische Schnittstelle
27 Datei
28 Datenbank
29 Cloud
50 Strahlengang
60 Abstand

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Adaption eines Mikroskopobjektives (25) an eine elektronische Schnittstelle (16) eines
Digitalmikroskopes (2), gekennzeichnet durch
Vermessen und Speichern optischer Eigenschaften des Mikroskopobjektives (25);
Vermessen und Speichern mechanischer Eigenschaften des Mikroskopobjektives (25);
- Bereitstellen der gespeicherten optischen und
mechanischen Eigenschaften als optische und
mechanische Daten an die elektronische Schnittstelle (16) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Eigenschaften ausgewählt werden aus der
Gruppe Abbildungsmaßstab, Verzeichnungscharakteristik, Farblängsfehler, Farbquerfehler, Zentrierfehler.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden aus der Gruppe: Arbeitsabstand, Anschlussgröße, Anschlussart,
Baulänge, optische Abgleichlänge.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den optischen und/oder mechanischen Eigenschaften Korrekturdaten zur Anpassung der Arbeitsweise des
Digitalmikroskops (2) bestimmt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturdaten an die elektronische Schnittstelle (16) bereitgestellt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Identifikationsdaten des Mikroskopobjektivs an die elektronische Schnittstelle übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskopobjektiv (25) als Ganzes oder nur dessen Optikkomponente (13) in den Adapter (3) integriert wird, wobei der Adapter (3) zumindest einen Speicher (17) und eine elektronische Schnittstelle (16) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskopobjektiv (25) mittels seiner vorhandenen mechanischen Schnittstelle (26) an ein Adaptergehäuse angeflanscht wird, wobei das Adaptergehäuse zumindest einen Speicher (17) und die Schnittstelle (16)
bereitstellt .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Anpassung an das
Digitalmikroskop ermittelt wird.
Adapter (3) zum Koppeln eines Mikroskopobjektives (25) mit einem Digitalmikroskop (2), umfassend:
eine mechanische Schnittstelle (26), umfassend
Justiermittel zur Justierung der optischen Komponenten des Standardobjektivs (25);
einen digitalen Speicher (17);
eine elektronische Schnittstelle (16);
mindestens eine elektronische Komponente zur
Bereitstellung der Daten des digitalen Speichers (17) an die elektronische Schnittstelle (16).
Adapter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet dass die mechanische Schnittstelle (26) auf einer Objektiv-Seite einen Gewindeanschluss aufweist und auf einer der Obj ektivseite abgewandten Mikroskopseite einen Bajonett- Anschluss aufweist.
12. Adapter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung zum Kollisionsschutz umfasst.
13. Adapter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass es ein optisches Korrekturglied (100, 101) zur Brennweiten- und/oder Farbkorrektur umfasst .
14. Adapter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass es eine Beleuchtungseinrichtung umfasst .
15. Adapter nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass es eine Koppelstelle (5, 22) zur Einkopplung von Beleuchtungslicht umfasst.
16. Adapter nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass es ein Kontrastmodul (19) umfasst.
17. Adapter nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass es ein optisches
Phasenschieberelement umfasst.
18. Adapter nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, dass es ein Steuermodul (21) zur
Steuerung elektronischer Komponenten umfasst.
19. Adapter nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektronische Schnittstelle (16) einen Kommunikationsstandard bereitstellt.
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