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Dokumentenidentifikation DE102005036143A1 05.04.2007
Titel Verfahren zur Ermittlung konfigurations- und zustandsabhängiger Mikroskopparameter
Anmelder Carl Zeiss Jena GmbH, 07745 Jena, DE
Erfinder Steinborn, Stefan, 37120 Bovenden, DE;
Leidenbach, Steffen, 37130 Gleichen, DE
Vertreter Patentanwälte Oehmke und Kollegen, 07743 Jena
DE-Anmeldedatum 27.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005036143
Offenlegungstag 05.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.04.2007
IPC-Hauptklasse G02B 21/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 9/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Ermittlung konfigurations- und zustandsabhängiger Mikroskopparameter, die durch mehrere, im Lichtweg eines Mikroskops angeordnete Mikroskopkomponenten beeinflusst werden, besteht die Aufgabe, das Quantifizierungsverfahren für die Mikroskopparameter allgemeingültiger, d. h. für unterschiedlich aufgebaute Mikroskope besser anwendbar zu gestalten.
Nach einer Erstellung einer,von einem zu beobachtenden Objekt ausgehenden bis zum Anfang der Beleuchtungsstrahlengänge und bis zum Ende der Beobachtungsstrahlengänge reichenden mikroskopspezifischen Baumstruktur der Lichtwege werden die Positionen der Mikroskopkomponenten in der Baumstruktur festgestellt und Komponentenvorgänger und Komponentennachfolger einer jeden Mikroskopkomponente festgelegt. Ausgehend von einem Anfangsort in der Baumstruktur wird rekursiv entlang einer Kette von Komponentenvorgängern oder Komponentennachfolgern der Grad der Beeinflussung auf den zu ermittelnden Mikroskopparamter für jede Einfluss ausübende Mikroskopkomponente als Teilbeitrag festgestellt, um die Gesamtbeeinflussung des Mikroskopparameters durch die Mikroskopkomponenten aus den Teilbeträgen ermitteln zu können.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung konfigurations- und zustandsabhängiger Mikroskopparameter, die durch mehrere, im Lichtweg eines Mikroskops angeordnete Mikroskopkomponenten beeinflusst werden.

Die Komponenten eines Mikroskops, die zwischen den Lichtquellen und dem zu beobachtenden Objekt sowie zwischen zu beobachtendem Objekt und den Beobachtungsausgängen angeordnet sind, beeinflussen durch ihre Eigenschaften das Licht und damit die Beleuchtung und die Abbildung des Objekts.

Eine Quantifizierung dieser Beeinflussung bildet einerseits die Voraussetzung für eine Zustandsüberwachung sowie für eine automatisierte Steuerung und Regelung der Mikroskopkomponenten, um letztlich die mit dem Mikroskop durchgeführten Untersuchungen auch dokumentieren zu können.

Andererseits erfordert die Quantifizierung, bei der die Gesamtwirkung eines von verschiedenen Mikroskopkomponenten abhängigen Parameters, wie z. B. die Gesamtvergrößerung, zu ermitteln ist, eine detaillierte Kenntnis der individuellen Mikroskop-Hardware, denn Mikroskope können im Aufbau voneinander abweichen oder unterschiedliche Beobachtungsmöglichkeiten, wie einen Okulareinblick oder eine Kameraaufnahme aufweisen. Außerdem muss bekannt sein, durch welche der vorhandenen Mikroskopkomponenten der interessierende Parameter in einem aktuellen Zustand des Mikroskops tatsächlich beeinflusst wird.

Da die Bereitstellung eines auf unterschiedliche Mikroskopkonfigurationen zugeschnittenen Quantifizierungs-verfahren deshalb Schwierigkeiten bereitet, ist es Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen, insbesondere das Quantifizierungsverfahren allgemeingültiger, d. h. für unterschiedlich aufgebaute Mikroskope besser anwendbar zu gestalten.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung konfigurations- und zustandsabhängiger Mikroskopparameter, die durch mehrere, im Lichtweg eines Mikroskops angeordnete Mikroskopkomponenten beeinflusst werden, gelöst, bei dem nach einer Erstellung einer, von einem zu beobachtenden Objekt ausgehenden, bis zum Anfang der Beleuchtungsstrahlengänge und bis zum Ende der Beobachtungsstrahlengänge reichenden mikroskopspezifischen Baumstruktur der Lichtwege die Positionen der Mikroskopkomponenten in der Baumstruktur festgestellt und Komponentenvorgänger und Komponentennachfolger einer jeden Mikroskopkomponente festgelegt werden und bei dem, ausgehend von einem Anfangsort in der Baumstruktur, entlang einer Kette von Komponentenvorgängern oder Komponentennachfolgern der Grad der Beeinflussung auf den zu ermittelnden Mikroskopparameter für jede Einfluss ausübende Mikroskopkomponente als Teilbeitrag festgestellt wird, um die Gesamtbeeinflussung des Mikroskopparameters durch die Mikroskopkomponenten aus den Teilbeiträgen ermitteln zu können.

Mit Hilfe einer als Baumstruktur erstellten mikroskopspezifischen Lichtwegestruktur, der darin festgelegten Positionen der Mikroskopkomponenten und der Kenntnis über Komponentenvorgänger und Komponentennachfolger sowie deren Einflüsse im Lichtweg, sei es z. B. eine Verringerung des Lichtes durch eine Filterung oder eine Beeinflussung der Vergrößerung des Bildes, können Algorithmen zur Parameterermittlung allgemeingültig formuliert werden, ohne dass die spezifisch für jeden Mikroskoptyp definierten Mikroskopkomponenten in der Definition geändert werden müssen.

Da die Baumstruktur von jeder Stelle aus in eindeutiger Weise bis zu einem Ziel zu durchlaufen ist, kann bei den Definitionen der Mikroskopkomponenten auf eine systemweite Weitergabe von Informationen verzichtet werden. So muss dem Okular beispielsweise nicht bekannt sein, von welchen Mikroskopkomponenten die Vergrößerung abhängig ist. Stattdessen reicht es aus, dass dem Okular lediglich der Vorgänger in der Baumstruktur bekannt ist, der wiederum seinen Vorgänger kennt.

Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird ausschließlich die Eigenschaft einer aktuellen Mikroskopkomponente in der Baumstruktur überprüft. Die Prüfungsergebnisse werden für die Mikroskopkomponenten nacheinander erfasst und verarbeitet.

Zur Bestimmung der Gesamtwirkung eines von mehreren Mikroskopkomponenten abhängigen Mikroskopparameters wird z. B. im Beobachtungsstrahlengang, beginnend beim interessierenden Beobachtungsausgang, die Kette der Komponentenvorgänger durchgegangen. Da jede Mikroskopkomponente, die den Mikroskopparameter beeinflusst, den Grad der Beeinflussung an einen zentralen Rechner meldet, lässt sich aus den gemeldeten Graden der Beeinflussung die Gesamtwirkung eines Mikroskopparameters ermitteln, wenn der rekursive Prozess das zu beobachtende Objekt erreicht.

Entsprechend wird im Beleuchtungsstrahlengang die Kette der Komponentenvorgänger bis zur Beleuchtungseinrichtung rückverfolgt.

Beispielsweise wird zur Ermittlung der Gesamtvergrößerung am Ende eines Beobachtungsstrahlenganges von den in der Baumstruktur des Beobachtungsstrahlenganges angeordneten Mikroskopkomponenten der Grad der Beeinflussung der Vergrößerung, ausgehend vom Ende des Beobachtungsstrahlenganges bis zum Objekt rekursiv als Teilvergrößerungen ermittelt, die miteinander multipliziert die Gesamtvergrößerung ergeben.

Die Bestimmung des transmittierten Lichtes zur Beleuchtung des zu untersuchenden Objekts kann dadurch erfolgen, dass von den in der Baumstruktur des Beleuchtungsstrahlenganges angeordneten Mikroskopkomponenten der Grad der Beeinflussung der Transmission, ausgehend von dem Objekt bis zur Lampe rekursiv als Teiltransmissionen ermittelt wird, die miteinander multipliziert die Gesamttransmission ergeben.

Durch die rekursive Überprüfung der Mikroskopkomponenten in der Baumstruktur sowohl eines Auflicht- als eines Durchlichtbeleuchtungsstrahlenganges kann ermittelt werden, in welchem Maße die zur Verfügung stehenden Lampen zur Beleuchtung des Objekts beitragen. Außerdem wird bekannt, ob das Objekt im Auflicht oder im Durchlicht beleuchtet wird.

Damit ist der Vorteil verbunden, dass die Helligkeit des Objektes beim Umschalten zwischen verschiedenen Lampen konstant gehalten werden kann, um z. B. eine Blendwirkung auf einen Beobachter zu verhindern.

Ferner können die ermittelten Werte des Beleuchtungsbeitrages und/oder der Beobachtung als Eingangsparameter für einen Lichtmanager genutzt werden, der Mikroskopkomponenten in Abhängigkeit von der Beobachtungs- und Beleuchtungssituation steuert.

Bei einer Veränderung des Grades der Beeinflussung eines Mikroskopparameters bei einer Mikroskopkomponente erfolgt eine Weitergabe der Parameteränderung an die Komponentennachfolger, wobei bis zu der Mikroskopkomponente, bei welcher sich der Grad der Beeinflussung eines Mikroskopparameters ändert, die Teilwirkungen der Komponentenvorgänger auf den Mikroskopparameter bei der Ermittlung der Gesamtbeeinflussung des Mikroskopparameters berücksichtigt werden.

Außer der Vergrößerung und der Transmission können mit den erfindungsgemäßen Verfahren als weitere Mikroskopparameter z. B. die Polarisation und die spektrale Transmission bestimmt werden. Während sich die Gesamtpolarisation aus der Aufsummierung der rekursiv entlang der Kette von Komponentenvorgängern ermittelten Teilbeiträge zur Polarisation ergibt, werden zur Bestimmung der spektralen Gesamttransmission die rekursiv entlang der Kette von Komponentenvorgängern ermittelten Teilbeiträge zur Transmission für einzelne Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche miteinander multipliziert.

Vorteilhaft kann bei der Bestimmung der Polarisation z. B. die Auslöschungsstellung des Analysators beim Verändern einer Komponente im Strahlengang korrigiert werden.

Der Ablauf der Ermittlung der spektralen Transmission lässt es zu, dass eine automatisierte Lichtregelung auch für die Fluoreszenz-Mikroskopie verwendet werden kann.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

1 ein als Baumstruktur modellierter Beobachtungs-strahlengang

2 ein als Baumstruktur modellierter Durchlicht-strahlengang

3 ein als Baumstruktur modellierter Auflicht-strahlengang

4 ein Mikroskop, das eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Steuer- und Auswerteeinheit aufweist

Entsprechend der in 1 als Baumstruktur dargestellten Lichtwegestruktur des Beobachtungsstrahlenganges wird zur Bestimmung der Gesamtwirkung eines von mehreren Mikroskopkomponenten abhängigen Mikroskopparameters vom interessierenden Beobachtungsausgang aus die Kette der Komponentenvorgänger durchgegangen. Jede Mikroskopkomponente, die den Mikroskopparameter beeinflusst, gibt eine Meldung über den Grad der Beeinflussung ab. Erreicht der rekursive Prozess das zu beobachtende Objekt, ist der Mikroskopparameter in seiner Gesamtauswirkung bekannt.

Da es sich bei den Mikroskopkomponenten um solche eines automatischen, in 4 mit 1 bezeichneten Mikroskops handelt, sind diese Komponenten kodiert, motorisiert und weisen eine eigene Intelligenz in Form einer Steuereinheit (Prozessor) auf, die aktuelle Positionen und Zustände auslesen bzw. erkennen kann und von der eine Verbindung zu einer zentralen Steuer- und Auswerteeinheit 2 besteht, welche die von der Steuereinheit gesendeten Informationen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens empfängt, speichert und verarbeitet.

Beispiel 1a Bestimmung der aktuellen Gesamtvergrößerung am Okular

Am Okular beginnend wird für alle Komponentenvorgänger rekursiv die Vergrößerung ermittelt, um die Gesamtvergrößerung aus den miteinander multiplizierten Vergrößerungswerten der einzelnen Komponenten errechnen zu können.

So ist z. B. eine Gesamtvergrößerung 500x am Okular wirksam, wenn die rekursiv abgefragten Mikroskopkomponenten die folgenden Vergrößerungswerte aufweisen:

Okular (10x, Gesamt: 10x) → Tubusshutter (1x, Gesamt: 10x) → 2TV Tubus-Vis/Cam-Umschalter (1x, Gesamt: 10x) → Tubuslinsenrevolver (1,25x, Gesamt: 12,5x) → Sideport-Revolver (1x, Gesamt: 12,5x) → ... → Objektivrevolver (40x, Gesamt: 500x) → Objekt (Gesamt: 500x)

Beispiel 1b Bestimmung der aktuellen Gesamtvergrößerung am Kameraadapter 1

Mit dem gleichen Algorithmus wie in Beispiel 1a wird für alle Komponentenvorgänger, beginnend am Kameraadapter 1, rekursiv die Vergrößerung ermittelt, um die Gesamtvergrößerung aus den miteinander multiplizierten Vergrößerungswerten der einzelnen Komponenten errechnen zu können.

Kameraadapter 1 (1.6x, Gesamt: 1.6x) → Kameraausgang 1 (1.0x, Gesamt: 1.6x) → Sideport-Revolver (1x, Gesamt: 1,6x) → ... → Objektivrevolver (40x, Gesamt: 64x) → Objekt (Gesamt: 64x)

Somit resultiert bei gleichem Zustand des Mikroskops wie in Beispiel 1a am Kameraausgang 1 eine Gesamtvergrößerung 64x.

Verändert sich bei einer Mikroskopkomponente der Grad der Beeinflussung eines Mikroskopparameters, erfolgt über die Komponentennachfolger eine Weitergabe der Parameteränderung, wodurch die Gesamtbeeinflussung des Mikroskopparameters mit dem geänderten Grad der Beeinflussung bestimmt werden kann.

Beispiel 2 Objektivrevolver ändert die Vergrößerung von 40x auf 5x

Vom Objektivrevolver wird die Änderung der Vergrößerung an seinen Komponentennachfolger, den DIC-Revolver weitergegeben, der wiederum seinen Komponentennachfolger (Reflektorrevolver) benachrichtigt. Die Informationsweitergabe erfolgt innerhalb der Kette der Komponentennachfolger, bis alle Beobachtungsausgänge erreicht sind.

Die Vergrößerung jeder Mikroskopkomponente wird analog dem ersten Beispiel berücksichtigt, so dass an den Astenden der Baumstruktur die Gesamtvergrößerung zur Verfügung steht.

Diese Art der Ermittlung der Gesamtwirkung eines Mikroskopparameters setzt voraus, dass bis zu der Mikroskopkomponente, bei welcher sich der Grad der Beeinflussung eines Mikroskopparameters ändert, die Teilwirkungen der Komponentenvorgänger auf den Mikroskopparameter berücksichtigt werden.

Für den Fall, dass das Okular als Beobachtungsausgang dienen soll, ergibt sich der nachfolgend dargestellte Algorithmus:

Objektivrevolver (40x/5x, Gesamt: 40x/40x·5x = 5x) → DIC-Revolver (1x, Gesamt: 5x) → ... → Sideport-Revolver (1x, Gesamt: 5x) → Tubuslinsenrevolver (1,25x, Gesamt: 6,25x) → ... → Okular (10x, Gesamt: 62,5x)

Am Okular ist eine Gesamtvergrößerung 62,5x wirksam.

Da die Änderung des Grades der Beeinflussung des Mikroskopparameters nicht nur im Ast des Okulars wirksam wird, erfolgt auch eine Informationsweitergabe an die anderen Beobachtungsausgänge, mit dem Ergebnis, dass z. B. am Kameraadapter 1 eine Gesamtvergrößerung 8x vorliegt.

Objektivrevolver (40x → 5x, Gesamt: 40x/40x·5x = 5x) → DIC-Revolver (1x, Gesamt: 5x) → ... Sideport-Revolver (1x, Gesamt: 5x) → Kameraausgang 1 (1x, Gesamt: 5x) → Kameraadapter 1 (1,6x, Gesamt: 8x)

Anhand 2 soll in einem Beispiel 3 die Bestimmung des transmittierten Lichtes zur Beleuchtung des zu untersuchenden Objekts für eine am TLLampenstutzen angeschlossene Lampe im Durchlichtstrahlengang ermittelt werden.

Vom Objekt aus werden die Äste der Beleuchtungsstrahlengänge rekursiv bis zu den Lampen durchgegangen und die Beiträge der Mikroskopkomponenten zur Transmission miteinander multipliziert. Auf diese Weise kann für jede Lampe ermittelt werden, welcher Anteil des eingestrahlten Lichts bis zum Objekt gelangt. Bei Bekanntsein der Lampenintensität kann außerdem ermittelt werden, wie das Objekt beleuchtet wird (Auflicht/Durchlicht, HAL/HBO...).

Objekt (100%, Gesamt 100%) → Frontlinsenrevolver (95%, Gesamt: 95%) → Kondensorrevolver (100%, Gesamt: 95%) → TLApertur (100%, Gesamt: 95%) → TLFilterervolver (25%, Gesamt: 23,75%) → TLFeldblende (100%, Gesamt: 23.75%) → TLAbschwächer (70%, Gesamt: 16,7%) → TLLampenstutzen (95%, Gesamt: 15,8%)

Von einer am TLLampenstutzen angeschlossenen Lampe gelangen somit 15,8% des Lichts zum Objekt.

Soll eine bestimmte Lampe das Objekt beleuchten, kann, ausgehend von dieser Lampe, rekursiv der Ast der Komponentenvorgänger durchgegangen werden. Die im Ast befindlichen Mikroskopkomponenten können anhand der in der Mikroskopkomponente gehaltenen Informationen so geschaltet werden, dass das Licht bis zum Objekt durchkommt.

Beispiel 4:

Soll die Lampe am rechten Lampenstutzen das Objekt beleuchten, ergibt sich entsprechend 3 der folgende Algorithmus:

Lampe → Lampenspiegelstutzen rechts → Lampenumschaltspiegel (schaltet auf rechten Lampenspiegelstutzen) → RLLampenstutzen (schaltet auf Lampenumschaltspiegel) → RLAbschwächer → ... → Objekt

Ergebnis: das Objekt wird beleuchtet.

Anhand der beschriebenen Beispiele wird insbesondere auch deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein allgemeingültiges Ordnungsprinzip darstellt, mit welchem in Baumstrukturen durch Hinzufügen, Löschen und Ändern von Knoten spezifische Strukturanpassungen vorgenommen werden können.


Anspruch[de]
Verfahren zur Ermittlung konfigurations- und zustandsabhängiger Mikroskopparameter, die durch mehrere, im Lichtweg eines Mikroskops angeordnete Mikroskopkomponenten beeinflusst werden, bei dem nach einer Erstellung einer, vorzugsweise von einem zu beobachtenden Objekt ausgehenden, bis zum Anfang der Beleuchtungsstrahlengänge und bis zum Ende der Beobachtungsstrahlengänge reichenden mikroskopspezifischen Baumstruktur der Lichtwege die Positionen der Mikroskopkomponenten in der Baumstruktur festgestellt und Komponentenvorgänger und Komponentennachfolger einer jeden Mikroskopkomponente festgelegt werden und bei dem, ausgehend von einem Anfangsort in der Baumstruktur, entlang einer Kette von Komponentenvorgängern oder Komponentennachfolgern der Grad der Beeinflussung auf den zu ermittelnden Mikroskopparameter für jede Einfluss ausübende Mikroskopkomponente als Teilbeitrag festgestellt wird, um die Gesamtbeeinflussung des Mikroskopparameters durch die Mikroskopkomponenten aus den Teilbeiträgen ermitteln zu können. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Ermittlung der Gesamtvergrößerung am Ende eines Beobachtungsstrahlenganges von den in der Baumstruktur des Beobachtungsstrahlenganges angeordneten Mikroskopkomponenten der Grad der Beeinflussung der Vergrößerung, ausgehend vom Ende des Beobachtungsstrahlenganges bis zum Objekt rekursiv als Teilvergrößerungen ermittelt wird, die miteinander multipliziert die Gesamtvergrößerung ergeben. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Bestimmung des transmittierten Lichtes zur Beleuchtung des zu untersuchenden Objekts von den in der Baumstruktur des Beleuchtungsstrahlenganges angeordneten Mikroskopkomponenten der Grad der Beeinflussung der Transmission, ausgehend von dem Objekt bis zur Lampe rekursiv als Teiltransmissionen ermittelt wird, die miteinander multipliziert die Gesamttransmission ergeben. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Bestimmung der Gesamtpolarisation die rekursiv entlang der Kette von Komponentenvorgängern ermittelten Teilbeiträge zur Polarisation aufsummiert werden. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Bestimmung der spektralen Gesamttransmission die rekursiv entlang der Kette von Komponentenvorgängern ermittelten Teilbeiträge zur Transmission für einzelne Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche miteinander multipliziert werden. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei einer Veränderung des Grades der Beeinflussung eines Mikroskopparameters bei einer Mikroskopkomponente eine Weitergabe der Parameteränderung an die Komponentennachfolger erfolgt, wobei bis zu der Mikroskopkomponente, bei welcher sich der Grad der Beeinflussung eines Mikroskopparameters ändert, die Teilwirkungen der Komponentenvorgänger auf den Mikroskopparameter bei der Ermittlung der Gesamtbeeinflussung des Mikroskopparameters berücksichtigt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die ermittelten Werte für die Gesamtbeeinflussung eines Mikroskopparameters der Beleuchtung und/oder der Beobachtung des Beleuchtungsbeitrages und der Beobachtung als Eingangsparameter für einen Lichtmanager genutzt werden, der Mikroskopkomponenten in Abhängigkeit von der Beobachtungs- und Beleuchtungssituation steuert. Mikroskop mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (2) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.






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