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Dokumentenidentifikation DE3810639C2 18.12.1997
Titel Durchlichtmikroskopanordnung zur optoelektronischen Fourieranalyse
Anmelder JENOPTIK AG, 07743 Jena, DE
Erfinder Thorwirth, Günter, Dr., O-6900 Jena, DE
DE-Anmeldedatum 29.03.1988
DE-Aktenzeichen 3810639
Offenlegungstag 26.01.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.12.1997
IPC-Hauptklasse G02B 21/18
IPC-Nebenklasse G02B 21/06   G01N 35/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Durchlichtmikroskopanordnung zur optoelektronischen Fourieranalyse von Objektvorlagen. Sie ist besonders geeignet zur automatischen Objektklassifizierung von Objekten in Mikropräparaten, so z. B. zur Blutbildanalyse, Metaphasenplattensuche, für Aufgaben des Gewässer- und Umweltschutzes usw.

Auf dem Gebiet der biologischen und medizinischen Wissenschaften hat die automatische Bildverarbeitung von Mikroskopbildern zunehmend an Bedeutung gewonnen. Auf dem internationalen Markt sind eine Reihe automatisierter Mikroskope mit elektronischer Bildverarbeitung präsent. Auch in der Fachliteratur wurden in zunehmenden Maße Anordnungen und Verfahren zur kohärent-optischen Fouriertransformation für die Bildverarbeitung von Mikroskopbildern beschrieben. Trotz der teilweise nachgewiesenen guten Klassifikationsergebnisse (wie z. B. bei der Methaphasenplattensuche) hat sich die kohärent-optische Mikroskopanalyse bislang nicht in technischen Mikroskopen durchgesetzt.

Die zwei wesentlichen Gründe dafür sind in dem großen gerätetechnischen Aufwand für die kohärent-optische Bildverarbeitung und in der Notwendigkeit der Unterdrückung bzw. Minimierung des entstehenden kohärenten Rauschens zu suchen (GB 1409731, US 3 482 102).

Neben den kohärent-optischen Bildverarbeitungsprozessen haben die inkohärent-optischen Lösungen zunehmend an Bedeutung gewonnen (GB 12 81 075, US 32 88 018, US 33 90 257). Die vorgeschlagenen Anordnungen kommen allerdings nicht ohne einen erheblichen optischen Aufwand aus, erfordern teilweise einen erheblichen mathematischen Aufwand zur elektronischen Nachverarbeitung oder sind nur auf eindimensionale Objektvorlagen sinnvoll anwendbar.

In der DE 35 38 413 A1 wird eine Anordnung zur Auswertung zweidimensionaler Objektvorlagen mittels optischer Fourieranalyse auf Basis einer sogenannten inkohärenten strukturzonalen Auswertung vorgeschlagen, die eine optische Fourieranalyse mittels inkohärentem Beleuchtungsstrahl vorgegebener Form und Fläche beschreibt, wobei ein Einzelempfänger in der Ortsfrequenzebene eines Fourierobjektivs, die zugleich eine Objektebene für die Abbildung des Ausgangs der Beleuchtungseinheit darstellt, angeordnet ist. Diese Anordnung zur Auswertung zweidimensionaler Bildvorlagen ist dazu geeignet, als kompletter "Bildverarbeitungsmodul" an übliche Mikroskope angesetzt oder als separate Auswertestation für Fotoaufnahmen von den Mikropräparaten genutzt zu werden, wobei für die Ankopplung eines Ergänzungsmoduls zusätzlich ein Bildwandler und weitere technische Mittel, die das reelle, vergrößerte Bild des Mikropräparates in die Ebene des Bildwandlers abbilden, notwendig sind. Eine Möglichkeit zur visuellen Betrachtung des Mikropräparates - wie in der Mikroskopie üblich und von den Anwendern automatisierter Mikroskope gefordert - wäre aber in einer solchen Anordnung nicht mehr gegeben.

Weiterhin ist aus der DE 34 09 657 A1 eine Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung für Mikroskope bekannt geworden, die sich mit einer modifizierten Auflichtmikroskopievariante beschäftigt, mit der in Richtung des Beleuchtungsstrahlenbündels azimutal zum Objekt einstellbar ist. Dabei werden mittels einer zwischen Lichtquelle und Kondensor angeordneten Sektorblende quasikontinuierlich einzelne Sektoren des ringförmigen Strahlenbündels ausgeblendet, so daß zwei diametral gegenüberliegende Strahlenbündel, deren Breite variabel ist, erzeugt und zur Optimierung des Signalrauschverhältnisses an das zu untersuchende Objekt angepaßt werden. Wegen der Vorschrift der diametral gegenüberliegenden Teilstrahlenbündel und ihrer azimutalen Ausrichtung ist eine Verwendung dieser Art einer strukturierten Beleuchtung jedoch nur für die Auflichtmikroskopie zum effektiveren Nachweis von Kanten geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikroskopanordnung anzugeben, die unter Ausnutzung des Grundaufbaus und der optischen Baugruppen von kommerziell verfügbaren Mikroskopen eine inkohärente optoelektronische Fourieranalyse bei gleichzeitiger visueller Betrachtung der vergrößerten Abbildung der Objektvorlage ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit einer Durchlichtmikroskopanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhaft wird im Falle der Ausbildung der Blenden als Flüssigkristalldisplay dem Flüssigkristalldisplay ein Polarisator vor- und ein Analysator nachgeordnet.

Bei breitbandigem Licht der Lichtquelle ist es günstig, ein Farbfilter zur Kontrasterhöhung dem Polarisator vorzuordnen.

Wird statt eines Flüssigkristalldisplays eine Blendenplatte als sehr einfache Variante der Erzeugung einer Leuchtzone verwendet und die Leuchtzone in ihrer Größe, Form oder/und Lage zeitlich nacheinander durch Austausch von Blendenplatten oder Bewegung der Blendenplatte gegenüber der optischen Achse erzeugt, erweist es sich als vorteilhaft, daß die Blendenplatte zur visuellen Betrachtung der Objektvorlage aus dem Strahlengang herausnehmbar ist, um die Objektvorlage ausreichend stark zu beleuchten.

Zur Realisierung der Leuchtzonen durch einen flächigen Eigenstrahler wird zweckmäßig ein Elektrolumineszenzdisplay eingesetzt, dessen Lumineszenzflächen wahlweise angesteuert werden.

Soll zur inkohärenten optoelektronischen Fourieranalyse nur ein Teil der Objektvorlage wirksam werden, ordnet man vorteilhaft eine Tubusblende in einer zur Objektebene konjugierten Ebene vor der dem Empfängerelement vorgeordneten Linse an.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn dem Empfängerelement eine Lochblende direkt vorgeordnet ist, wodurch die wirksame Fläche des Empfängerelements durch die Blendenöffnung genau festgelegt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Durchlichtmikroskopanordnung wird einerseits die Objektvorlage in bekannter Weise vergrößert abgebildet, so daß sie zur visuellen Betrachtung zur Verfügung steht. Andererseits wird eine in der Aperturblendenebene des Kondensors angeordnete Leuchtzone, die entweder durch einen innerhalb seiner Fläche strukturierten Eigenstrahler oder durch eine beleuchtete Blende mit unterschiedlich wählbarer Lichtdurchlaßöffnung erzeugt wird, auf ein optoelektronisches Empfängerelement abgebildet. Die auf das Empfängerelement treffende Lichtmenge liefert einen Meßwert, der beeinflußt wird durch die Größe, Fläche und Lage der Leuchtzone sowie durch das Beugungsverhalten der Mikroobjekte in der Objektvorlage. Mehrere Messungen bei Verwendung von Leuchtzonen unterschiedlicher Größe, Form oder/und Lage liefern eine Meßreihe, die als Träger der Objektinformation eine Klassifikation und Identifikation von Mikroobjekten in der Objektvorlage erlaubt.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ausschließlich mikroskoptypische optische Bauelemente und -gruppen verwendet werden, kein zusätzliches Fouriertransformationsobjektiv und kein gesonderter Bildwandler notwendig sind, um eine inkohärente optoelektronische Fourieranalyse zu realisieren. Die Beleuchtungseinrichtung und der Hauptteil der optischen Baugruppen werden sowohl für die Abbildung zur visuellen Betrachtung, als auch für die Durchführung der optischen Fourieranalyse genutzt, so daß ein mit der erfindungsgemäßen Anordnung realisiertes Gerät die Größe eines herkömmlichen Durchlichtmikroskopes kaum überschreitet. Insbesondere können herkömmliche Polarisationsmikroskope auf einfache Weise nachgerüstet werden, indem einer vorhandenen Bertrandlinse die neue Funktion einer permanent genutzten Linse vor dem optoelektronischen Empfängerelement zugeordnet wird.

Nachfolgend soll anhand von drei Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Durchlichtmikroskopanordnung mit einer Blendenplatte, die mit ihrer Lichtdurchlaßöffnung eine Leuchtzone definiert,

Fig. 2: eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Flüssigkristalldisplay als elektrisch steuerbare Blende,

Fig. 3: eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem flächigen Eigenstrahler als Beleuchtungseinheit in der Aperturblendenebene des Mikroskopes,

Fig. 4: eine Beleuchtungseinheit mit einer Blendenplatte, die eine keilförmige Leuchtzone mit veränderlicher Lage realisiert.

Die in Fig. 1 dargestellte Durchlichtmikroskopanordnung umfaßt eine Lichtquelle 1 beliebiger Art, einen Kollektor 2, eine Blendenplatte 3, die in der Brennebene eines Kondensors 4 steht, eine Objektvorlage 5, ein Objektiv 6, einen Strahlteiler 7, der das aus dem Objektiv 6 austretende Strahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel aufspaltet, sowie ein Okular 8, dessen optische Achse mit dem Achsstrahl des einen Teilstrahlenbündels zusammenfällt und eine Linse 9 auf der Achse des anderen Teilstrahlenbündels, der ein Empfängerelement 10 nachgeordnet ist. Das Empfängerelement 10 steht dabei in einer konjugierten Ebene zur Blendenplatte 3. Die von der Lichtquelle 1 kommende Strahlung beleuchtet die Objektvorlage 5, welche über das Objektiv 6, den Strahlteiler 7 und das Okular 8 visuell betrachtbar ist. Zum Zweck der inkohärenten optoelektronischen Fourieranalyse erfolgt eine Abbildung der Blendenplatte 3, die als Aperturblende wirkt, über den Kondensor 4, das Objektiv 6, den Strahlteiler 7 und die Linse 9 auf das Empfängerelement 10. Die auf das Empfängerelement 10 treffende Lichtmenge wird bestimmt durch die Struktur und die Transparenz der einzelnen Mikroobjekte in der Objektvorlage 5 und die Größe, Form oder/und Lage der Leuchtzone der Blendenplatte 3.

Um eine objekttypische Meßreihe zu erhalten, werden verschiedene Blendenplatten 3 in den optischen Strahlengang gebracht, oder man ändert ihre Lage bezüglich der optischen Achse. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Blendenplatte 3 eine geschwärzte Platte mit einer ringförmigen transparenten Leuchtzone.

Entsprechend der Anzahl der gewünschten Meßwerte werden nacheinander Blendenplatten 3 mit unterschiedlichen Durchmessern der transparenten Strukturzonen in den optischen Strahlengang eingebracht. Es sind auch beliebige andere Leuchtzonenformen geeignet. Als besonders vorteilhaft bietet sich eine keilförmige Leuchtzone an (Fig. 4). Hier kann man beliebig viele Meßwerte erhalten allein durch die schrittweise Drehung der Blendenplatte 3 um die optische Achse. Zur visuellen Betrachtung wird die Blendenplatte 3 zweckmäßigerweise aus dem Strahlengang herausgenommen.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier wird als Blende keine Blendenplatte 3 wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet, sondern ein Flüssigkristalldisplay 11, bei dem die angesteuerten Flüssigkristallzonen die Polarisationsebene des Lichtes um 90° drehen. Dadurch erspart man sich den Fertigungsaufwand für verschiedene Blendenplatten 3. Zusätzlich zu den im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Bauelementen und -gruppen, die hier in gleicher Weise angeordnet sind, ist das Einfügen eines Polarisators 1 3 vor und eines Analysators 14 hinter dem Flüssigkristalldisplay 11 erforderlich. Stehen der Polarisator 13 und der Analysator 14 senkrecht zueinander, so wird die durch die angesteuerten Elemente des Flüssigkristalldisplays 11 erzeugte Lichtdurchlaßöffnung auf dem Empfängerelement 10 abgebildet. Das durchgelassene Strahlenbündel beleuchtet außerdem die Objektvorlage 5 für die visuelle Betrachtung. Ist diese Beleuchtung zur visuellen Betrachtung unzureichend, kann z. B. durch Abschalten des Flüssigkristalldisplays 11 und Parallelstellung des Polarisators 13 und Analysators 14 zueinander oder durch Ausschwenken des Polarisators 13 oder/und des Analysators 14 aus dem Strahlengang, die gesamte, über den Kollektor 2 abgebildete Lichtmenge zur Beleuchtung genutzt werden.

Der gleiche Effekt wird erzielt bei Senkrechtstellung des Polarisators 13 zum Analysator 14 und der Ansteuerung des gesamten Flüssigkristalldisplays 11. Die visuelle Betrachtung der Objektvorlage 5 ist dann nicht zeitgleich mit der optoelektronischen Fourieranalyse möglich.

Verwendet man zur Beleuchtung eine Lichtquelle 1 mit großer Bandbreite, ist es von Vorteil z. B. vor den Polarisator 13 ein Farbfilter 12 anzuordnen, um einen höheren Kontrast zu erzielen.

Das vorteilhafteste Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Im Gegensatz zu den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispielen, wo die Beleuchtungseinheit eine Lichtquelle 1, einen Kollektor 2 und eine strukturierte Blende umfaßt, stellt die Beleuchtungseinheit hier ein Elektrolumineszenzdisplay 15 dar, das in der Brennebene des Kondensors 4 angeordnet ist. Die nachfolgenden Bauelemente und -gruppen, das sind der Kondensor 4, die Objektvorlage 5, das Objektiv 6, der Strahlteiler 7, das Okular 8, die Linse 9 und das Empfängerelement 10 sind in bereits beschriebener Weise angeordnet. Zusätzlich befindet sich eine Tubusblende 16 in einer Bildebene der Objektvorlage 5, der Linse 9 unmittelbar vorgeordnet. Mit ihr ist es möglich, die Abbildung so abzuschatten, daß nur ein bestimmter Ausschnitt der Objektvorlage 5 den optoelektronischen Meßwert bestimmt. Das ist z. B. dann sinnvoll, wenn die Objektvorlage 5 mehrere gleiche Objekte beinhaltet, die identifiziert bzw. klassifiziert werden sollen.

Eine weitere Blende 17 ist dem Empfängerelement 10 direkt vorgeordnet. Dadurch läßt sich die wirksame Fläche des Empfängerelements 10 genau festlegen. Zum Beispiel wird diese Fläche bei der Verwendung einer Lochblende auf einen winzigen Kreis auf der optischen Achse der Mikroskopanordnung begrenzt, so daß die Größe der Integrationszone im Fourierspektrum, aus der der empfangene Meßwert resultiert, ausschließlich durch Größe, Form oder/und Lage des Strahlenbündels in der Aperturblendenebene bestimmt wird. Strahlenbündel unterschiedlicher Größe, Form und/oder Lage werden zur Erlangung mehrerer Meßwerte durch die Ansteuerung unterschiedlicher Lumineszenzflächen erreicht.

Bei einem auf unendlich korrigierten Objektiv 6 ist es notwendig, diesem eine Tubuslinse 18 nachzuordnen.

Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuer- und Auswerteelektronik synchronisiert die Arbeitsweise des Elektrolumineszenzdisplays 15 und des Empfängerelements 10, und wertet die erhaltene Meßreihe aus.

Die Auswertung ist für alle Ausführungsbeispiele gleich. Eine größere Anzahl von Meßwerten führt bei der Objektklassifizierung zu einer höheren Sicherheit. Zur Objektklassifizierung werden in der Auswerteeinheit die Meßwerte mit dort abgespeicherten Werten von Musterobjekten verglichen, die zuvor aus der gleichen Folge von in Form, Größe sowie Lage gegenüber der optischen Achse variierten Leuchtzonen gewonnen wurden.

Die Auswertung erfolgt in der gleichen Weise wie bei den bekannten Anordnungen zur kohärenten optoelektronischen Fourieranalyse, allerdings mit dem Unterschied, daß die integralen Meßwerte seriell anfallen und dieser Sachverhalt entsprechend berücksichtigt werden muß, ggf. durch Zwischenspeicherung. Prinzipiell wird jedoch nach den von CASASENT, D., und SHARMA, V., in der Veröffentlichung "Fourier-Transform Feature- Space Studies" (Proceedings of SPIE; Vol. 440, Nov. 1983, pp. 2-8), vorgestellten Auswertemethoden verfahren.

Bezugszeichenliste

1 Lichtquelle

2 Kollektor

3 Blendenplatte

4 Kondensor

5 Objektvorlage

6 Objektiv

7 Strahlteiler

8 Okular

9 Linse

10 Empfängerelement

11 Flüssigkristalldisplay

12 Farbfilter

13 Polarisator

14 Analysator

15 Elektrolumineszenzdisplay

16 Tubusblende

17 Lochblende

18 Tubuslinse


Anspruch[de]
  1. 1. Durchlichtmikroskopanordnung zur optoelektronischen Fourieranalyse,
    1. - mit einer auf der optischen Achse angeordneten Beleuchtungseinheit, einer Objektvorlage (5) mit zu untersuchenden Mikroobjekten und einem Objektiv (6),
    2. - mit einer in die Beleuchtungseinheit integrierten, inkohärenten Lichtquelle (1), welche die Objektvorlage (5) über einen Kondensor (4) homogen ausleuchtet,
    3. - wobei die Beleuchtungseinheit in der dem Kondensor (4) vorgeordneten Aperturblendenebene Leuchtzonen aufweist, die
    4. - entweder durch von- der Lichtquelle (1) beleuchtete Blenden (3, 11), die Lichtdurchlaßöffnungen mit unterschiedlicher Form und/oder Fläche besitzen,
    5. - oder durch einen flächigen Eigenstrahler (15) mit ansteuerbaren Strahlerzonen unterschiedlicher Form und/oder Fläche definiert und aufeinanderfolgend aktivierbar sind, und
    6. - mit einem einzelnen, auf der Objektivachse konjugiert zu der Aperturblendenebene angeordneten Empfängerelement (10), das für jede Leuchtzone einen Meßwert der Objektvorlage (5) registriert und bei aufeinanderfolgender Aktivierung unterschiedlicher Leuchtzonen eine Meßreihe erzeugt,
    7. - wobei eine unbekannte Objektvorlage (5) durch Vergleich von Meßreihen dieser unbekannten Objektvorlage (5) mit Meßreihen von Mustervorlagen rechnerisch klassifizierbar ist,
  2. dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß dem Objektiv (6) ein Strahlteiler (7) nachgeordnet ist, der das von der Leuchtzone kommende und an der Objektvorlage (5) gebeugte Licht in Transmission zu einer dem Empfängerelement (10) vorgeordneten Linse (9) passieren läßt, in deren Brennebene das Empfängerelement (10) angeordnet ist, und der Licht zur visuellen Beobachtung der Objektvorlage in Reflexion zu einem Okular (8) auskoppelt, und
    2. - daß die Leuchtzonen außerhalb der optischen Achse liegen und
    3. - entweder im Fall ihrer Erzeugung mittels Blenden
    4. - die Blenden (3) als Blendenplatten in den Beleuchtungsstrahlengang der Beleuchtungseinheit einschiebbar oder schrittweise um die optische Achse rotierbar sind, oder
    5. - als Flüssigkristalldisplay (11), bei dem einzelne Bereiche als Lichtdurchlaßöffnungen gezielt transparent schaltbar sind, ausgebildet sind
    6. - oder im Fall ihrer Erzeugung mittels eines flächigen Eigenstrahlers (15) als einzelne Strahlerzonen gezielt einschaltbar sind.
  3. 2. Durchlichtmikroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall einer Ausbildung der Blenden als Flüssigkristalldisplay (11) dem Flüssigkristalldisplay (11) ein Polarisator (13) vor- und ein Analysator (14) nachgeordnet ist.
  4. 3. Durchlichtmikroskopanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polarisator (13) ein Farbfilter (12) zur Kontrasterhöhung vorgeordnet ist.
  5. 4. Durchlichtmikroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenplatten (3) zur visuellen Betrachtung der Objektvorlage aus dem Strahlengang herausnehmbar sind.
  6. 5. Durchlichtmikroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eigenstrahler als Elektrolumineszensdisplay (15) ausgebildet ist, dessen Lumineszenzflächen wahlweise ansteuerbar sind.
  7. 6. Durchlichtmikroskopanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der dem Empfängerelement (10) vorgeordneten Linse (9) eine zur Objektebene konjugiert liegende Tubusblende (16) angeordnet ist.
  8. 7. Durchlichtmikroskopanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfängerelement (10) eine Lochblende (17) direkt vorgeordnet ist.






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