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Dokumentenidentifikation DE102006025445A1 06.12.2007
Titel Laser-Scanning-Mikroskop mit Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung
Anmelder Carl Zeiss MicroImaging GmbH, 07745 Jena, DE
Erfinder Möhler, Gunter, 07745 Jena, DE;
Liedtke, Mirko, 07745 Jena, DE
Vertreter GEYER, FEHNERS & PARTNER (G.b.R.), 80687 München
DE-Anmeldedatum 31.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006025445
Offenlegungstag 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse G02B 21/00(2006.01)A, F, I, 20060531, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird beschrieben ein Laser-Scanning-Mikroskop mit Proben-Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3), die zur Bildgewinnung eine Probe (12) rasternd beleuchten und detektierend abtasten, einer Echtzeit-Steuerungseinrichtung (3), welche die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) zur Beleuchtung und Detektion ansteuert und Detektionssignale ausliest, wobei die Steuerungseinrichtung (3) Ansteuerung und Auslesen synchron zu einem die Rasterung festlegenden Pixeltakt durchführt, einem zwischen die Steuerungseinrichtung (3) und die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) geschalteten Dateninterface (6), das mit der Steuerungseinrichtung (3) über einen parallelen, bidirektionalen Datenstrom (5) und mit den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) über einen seriellen, bidirektionalen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom (7) kommuniziert und dazu eine Datenkonversion von parallel in seriell bzw. zurück ausführt, wobei der Hochgeschwindigkeitsdatenstrom (7) zwischen Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) und Dateninterface (6) aus Datenpaketen (18, 19) mit Datenbits und Typbits und ohne weitere Header- oder Protokollbits aufgebaut ist, die Datenbits Daten von bzw. zu den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) enthalten und die Typbits die Art der Daten kodieren und in den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) sowie in der Steuerungseinrichtung (3) Typinformationen abgelegt sind, die Verarbeitungsaufgaben für durch ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Scanning-Mikroskop mit Proben-Beleuchtungs- und Detektormitteln, die zur Bildgewinnung eine Probe rasternd beleuchten und detektierend abtasten, einer Echtzeit-Steuerungseinrichtung, welche die Beleuchtungs- und Detektormittel zur Beleuchtung und Detektion ansteuert und Detektionssignale ausliest, wobei die Steuerungseinrichtung Ansteuerung und Auslesen synchron zu einem die Rasterung festlegenden Pixeltakt durchführt, ein zwischen die Steuerungseinrichtung und die Beleuchtungs- und Detektormittel geschaltetes Dateninterface, das mit der Steuerungseinrichtung über einen parallelen, bidirektionalen Datenstrom und mit den Beleuchtungs- und Detektormitteln über einen seriellen, bidirektionalen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom kommuniziert und dazu eine Datenkonversion von parallel in seriell bzw. zurück ausführt. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Laser-Scanning-Mikroskop mit Proben-Beleuchtungs- und Detektormitteln, die zur Bildgewinnung eine Probe rasternd beleuchten und detektierend abtasten, einer Echtzeit-Steuerungseinrichtung, welche die Beleuchtungs- und Detektormittel zur Beleuchtung und Detektion ansteuert und Detektionssignale ausliest, wobei die Steuerungseinrichtung Ansteuerung und Auslesen synchron zu einem die Rasterung festlegenden Pixeltakt durchführt, ein zwischen die Steuerungseinrichtung und die Beleuchtungs- und Detektormittel geschaltetes Dateninterface, das mit der Steuerungseinrichtung über einen parallelen, bidirektionalen Datenstrom und mit den Beleuchtungs- und Detektormitteln über einen seriellen, bidirektionalen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom kommuniziert und dazu eine Datenkonversion von parallel in seriell bzw. zurück ausführt.

Bei einem Laser-Scanning-Mikroskop dieser Art, wie es beispielsweise von der Carl Zeiss AG unter der Bezeichnung LSM 510 angeboten wird, erfolgt eine Bildgewinnung, indem eine Probe pixelweise mit Anregungs- oder Beleuchtungsstrahlung beaufschlagt und abgetastet wird. Das Bild entsteht, indem die festgestellte Strahlungsintensität den entsprechenden Pixelkoordinaten zugeordnet und so zu einem Bild zusammengefügt wird. Für Beleuchtung und Detektion ist somit eine pixelsynchrone Abstimmung von Beleuchtungs- und Detektormitteln, insbesondere eines Scanners, d.h. einer Ablenkeinrichtung erforderlich, um die Bildinformation zu gewinnen. Dies hat zur Folge, daß bei der Ansteuerung sowie dem Auslesen der eine möglichst hohe Datenübertragungsrate verwendet werden sollte, da sich die Geschwindigkeit und das Volumen der Datenübertragung automatisch auf die Zeitdauer, die für das Aufnehmen eines Bildes benötigt wird, auswirkt. Gerade bei biologischen Proben möchte man ein Bild aber möglichst schnell erhalten, z.B. um biologische Prozesse analysieren zu können. Dabei kommt es nicht nur auf die Datenrate, d.h. das Produkt aus Datenpaketgröße und Übertragungsfrequenz an, sondern auch auf die Reaktionszeit, mit der die Kommunikation zwischen Echtzeit-Steuerungseinrichtung und Beleuchtungs- und Detektormitteln abläuft. Für diese ist die Übertragungsfrequenz ein bestimmender Faktor.

Dabei ist auch zu beachten, daß nicht nur die Ansteuerung der Ablenkeinrichtung oder der Beleuchtungseinheiten, z.B. Laser etc., pixelsynchron erfolgen muß, sondern daß moderne hochempfindliche Detektoreinheiten zum Auslesen der den Pixeln zuzuordnenden Strahlungsintensität ebenfalls einer zum Teil aufwendigen Ansteuerung bedürfen. Als Beispiel seien Photomultipliereinheiten (PMT) erwähnt, die unter anderem der Steuerung von Strahlungsintegrationsvorgängen und von Ausleseprozessen bedürfen. Es müssen für jedes Pixel Daten zur PMT übertragen werden und auch Daten von der PMT ausgelesen werden. Letztendlich ist man deshalb bemüht, die Datenkommunikation so schnell zu gestalten, daß sie nicht das zeitbestimmende Glied in der Kette ist, was zur Folge hat, daß die Datenkommunikation schnell genug sein sollte, um innerhalb der Mindestzeit, die zur Detektion der Strahlung eines Pixels vom Detektor benötigt wird (sog. Pixelzeit), den dazu nötigen Datenverkehr abzuwickeln.

Zur Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikation sind in der Datenverarbeitungstechnik verschiedene Ansätze bekannt, die jedoch entweder erheblichen gerätetechnischen Aufwand benötigen oder unzureichende Geschwindigkeitsleistungen haben.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop bzw. Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß aufwandsgering eine Ansteuerung der Beleuchtungs- und Detektormittel erreicht ist und zugleich die erzielte Datenrate es erlaubt, für jedes Pixel innerhalb der detektorseitig vorgegebenen Pixelzeit die erforderlichen Daten zu übertragen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Laser-Scanning-Mikroskop der genannten Art gelöst, bei dem der Hochgeschwindigkeitsdatenstrom von den Beleuchtungs- und Detektormitteln zum Dateninterface aus Datenpaketen mit Datenbits und Typbits und ohne weitere Header- oder Protokollbits aufgebaut ist, die Datenbits Daten zu den Beleuchtungs- und Detektormitteln enthalten und die Typbits die Art der Daten kodieren und in den Beleuchtungs- und Detektormitteln ggf. auch in der Steuerungseinrichtung Typinformationen abgelegt sind, die Verarbeitungsaufgaben für durch die Typbits kodierten Datenarten definieren, und die Beleuchtungs- und Detektormittel beim Senden in einer Typauswertung die Typbits für die Datenarten setzen. Die Aufgabe wird weiter mit einem Verfahren der genannten Art gelöst, bei dem der Hochgeschwindigkeitsdatenstrom zwischen den Beleuchtungs- und Detektormitteln und dem Dateninterface aus Datenpaketen mit Datenbits und Typbits und ohne weitere Header- oder Protokollbits aufgebaut ist, die Datenbits Daten von den Beleuchtungs- und Detektormitteln enthalten und die Typbits die Art der Daten kodieren und in den Beleuchtungs- und Detektormitteln und der Steuerungseinrichtung Typinformationen abgelegt sind, die sich auf Verarbeitungsaufgaben für durch die Typbits kodierten Datenarten beziehen, und die Beleuchtungs- und Detektormittel und/oder die Steuerungseinrichtung beim Senden in einer Typvorgabe für die Datenarten die Typbits setzen und die Steuerungseinrichtung und/oder die Beleuchtungs- und Detektormittel in einer Typauswertung anhand der Typbits die Datenarten ermitteln und die in den Datenbits kodierten Daten entsprechend verarbeiten.

Erfindungsgemäß wird für die Übertragung von den Beleuchtungs- und Detektormitteln auf Header- oder Protokolldaten, wie sie bei üblichen Hochgeschwindigkeitsdatensystemen (z.B. Firewire oder USB) bei der seriellen Kommunikation verwendet werden und wie sie bei einer normalen parallen/seriell-Wandlung üblicherweise auftreten, verzichtet. Es ist also im Datenpaket kein Datenkopf mehr vorhanden, wer z.B. die Daten sendet, an welchen Adressaten im Bus sie gerichtet sind, was bei Fehlerbehandlungen zu machen ist, etc. Der Datenstrom ist von den Beleuchtungs- und Detektormitteln zur Steuerungseinrichtung ausschließlich aus Datenbits und Typbits aufgebaut, wobei letztere eine Information über die Art der in den Datenbits gespeicherten Daten kodieren. Jedes an die den Datenstrom führende Verbindung angeschlossene Modul macht also beim Absetzen der Daten eine Typbitvorgabe. Die Typbits unterscheiden sich von Headerbits normaler Kommunikationsdatenströme dadurch, daß sie keine allgemeinen Informationen enthalten, sondern lediglich in Kombination mit Typangaben, die sender- und empfängerseitig vorgehalten sind, und der darauf basierten empfängerseitigen Typauswertung eine Aussage über die Verarbeitung, der die Daten in den Datenbits zu unterwerfen sind, treffen. Der Hochgeschwindigkeitsdatenstrom ist somit mikroskopindividuell angepaßt und erfordert in der Regel auf der Empfänger- und Senderseite abgespeicherte Typinformationen, wie die Daten aufzubauen sind bzw. zu verarbeiten sind. Diese Art der Datenkommunikation erreicht zum einen die Eliminierung jeglicher redundanter Information und erhöht damit die effektive Nutzrate für die zu übertragenden Daten. Zum anderen erleichtert sie den datentechnischen Aufwand auf der Sender- und Empfängerseite, da die Typvorgabe wie die Typauswertung anhand der Typbits bei den Sendern bzw. Empfängern sehr einfach ausgeführt werden kann und den Empfängern sofort die nötige Information verleiht, ob und ggf. wie sie die Datenbits verarbeiten müssen, oder ob nicht. Zugleich müssen die Sender keine Adreßdaten verwalten und kommunizieren.

Die erfindungsgemäße Umsetzung des parallelen, bidirektionalen Datenstroms in den seriellen, bidirektionalen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom, welcher auf die erwähnte Weise an die Anforderungen im Laser-Scanning-Mikroskop angepaßt ist, erleichtert weiter die Verkabelung im Mikroskop, da serielle Datenkabel weniger Platz benötigen. Zudem kann für die Echtzeit-Steuerungseinrichtung ein Standardcomputer verwendet werden, und aufwendige bzw. kostenträchtige Sonderschnittstellen auf Seite der Echtzeit-Steuerungseinrichtung entfallen. Die Wandlung in den/aus dem mikroskopindividuellen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom findet erst in dem als Schnittstelle des Mikroskops wirkenden Dateninterface statt.

Zwar ist das erfindungsgemäße Konzept für die Kommunikation von den Beleuchtungs- und Detektormitteln zur Steuerungseinrichtung besonders vorteilhaft, jedoch ist ein Einsatz im Rückkanal, also von der Steuerungseinrichtung weg gleichermaßen möglich.

Die Verwendung der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit Typbits hat weiter den Vorteil, daß jedes aus Datenbits und Typbits aufgebaute Datenpaket nun simultan von mehreren Stellen der Beleuchtungs- und Detektormittel ausgesendet oder auch empfangen werden kann, wenn nämlich die Typauswertung für eine Datenart ergibt, daß sie an verschiedenen Stellen, z.B. von verschiedenen Einheiten der Beleuchtungs- und Detektormittel relevant ist. Bei herkömmlicher adreßbasierter Datenkommunikation wäre eine gleichzeitige Aussendung eines Datenpakets von/an verschiedene Einheiten schlichtweg unmöglich und man müßte stattdessen mehrere Datenpakete mit verschiedenen Adressen versehen und zeitversetzt durch den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom übertragen. Es ist leicht verständlich, daß die dann erreichte Nutz-Datenübertragungsrate um ein Vielfaches geringer wäre.

Üblicherweise sind Laser-Scanning-Mikroskope in Einzelmodule aufgeteilt, die bei der Beleuchtung und Abtastung zusammenwirken. Ein Beispiel hierfür sind verschiedene, in ein Mikroskop integrierbare Beleuchtungsmodule, welche Strahlung verschiedener Wellenlängen bereitstellen. Auch ist es bekannt, Laser-Scanning-Mikroskope mit verschiedenen Detektormodulen, die z.B. unterschiedliche spektrale Analysefähigkeiten haben, zu versehen. Für eine solche modulare Bauweise ist es zweckmäßig, einen Datenmanager vorzusehen, der mit den Einzelmodulen kommuniziert und die Einzelmodule entsprechend den seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom anbindet, da die Einzelmodule zwar aufeinander abgestimmt betrieben werden müssen, jedoch einzeln meist für die Kommunikation nicht die volle Datenrate des Hochgeschwindigkeitsdatenstroms benötigen; diese Datenrate ist erst im Zusammenspiel aller Module auf Seiten der Echtzeit-Steuerungseinrichtung erforderlich.

Es ist für diese Ausgestaltung natürlich vorteilhaft, die seriellen Einzeldatenströme (die z.B. gemäß der bekannten LVDS-Datenübertragung ausgeführt werden können) zwischen den Einzelmodulen und dem Datenmanager ebenfalls aus Datenbits und Typbits und unter Verzicht auf weitere Headerbits aufzubauen, da ansonsten von den Einzelmodulen Adreß- und Headerinformationen erzeugt und auch übertragen werden müßten. Zweckmäßigerweise wird der Datenmanager dann entsprechende Anschlüsse für die Einzelmodule aufweisen. Günstigerweise arbeitet der Datenmanager weiter mit einem festen Aufteilungsschema, mit dem er die Datenpakete der Einzelmodule in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom speist. Eine zeitaufwendige oder prozessorbedürftige Analyse der Einzeldatenströme im Datenmanager ist dann nicht erforderlich, allerdings muß die Echtzeit-Steuerungseinrichtung bzw. das Dateninterface die am Datenmanager fest eingestellte Zusammenführung des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes aus den Einzeldatenströmen berücksichtigen, d.h. die Datenpakete der Einzeldatenströme werden vom Dateninterface bzw. der Echtzeit-Steuerungseinrichtung entsprechend im Hochgeschwindigkeitsdatenstrom angeordnet, so daß die Aufteilung am Datenmanager sich in der Struktur des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes widerspiegelt. Da ein modular aufgebautes Laser-Scanning-Mikroskop aber nur selten verändert wird bzw. im Falle des Umbaus feste Anschlußregeln vorgegeben werden können, ist diese Einschränkung nicht hinderlich. Ggf. kann zusätzlich oder alternativ am Dateninterface und/oder der Echtzeit-Steuerungseinrichtung eine Einstellvorrichtung (z.B. als Software- oder Hardwarestelleinrichtung) vorgesehen werden, über die an die Einzeldatenstromanschlüsse angebundenen Einzelmodule mitgeteilt wird/werden, so daß das Dateninterface bzw. die Steuereinrichtung weiß, wie die Datenpakete im Hochgeschwindigkeitsdatenstrom aus den Einzeldatenströmen zusammengesetzt sind.

Zusammengenommen ist deshalb für ein modulares Mikroskop vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Beleuchtungs- und Detektormittel mehrere Einzelmodule aufweist, die bei der Beleuchtung und Abtastung zusammenwirken, zwischen das Dateninterface und die Einzelmodule der Beleuchtungs- und Detektormittel ein Datenmanager geschaltet ist, der mit den Einzelmodulen kommuniziert und aus seriellen Einzeldatenströmen von den Einzelmodulen den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom zusammenführt und aus Dateninterface leitet, wobei die seriellen Einzeldatenströme zwischen Datenmanager und Einzelmodulen ebenfalls aus Datenbits und Typbits und ohne weitere Headerbits aufgebaut ist, die Typinformationen in den Einzelmodulen abgelegt sind und die Einzelmodule die Typauswertung und die Verarbeitung der in den Datenbits kodierten Daten ausführen.

Natürlich kann dieses Konzept auch in Kommunikationsrichtung von der Echtzeitsteuerung zu den Einzelmodulen verwendet werden.

Die Arbeit des Datenmanagers ist besonders einfach, wenn die Einzeldatenströme Datenpakete führen, die ein Bruchteil so lang sind, wie die Datenpakete des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes. Vorzugsweise sind die Datenpakete der Einzeldatenströme halb so lang, wie die des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes. Dann setzt der Datenmanager einfach jedes Hochgeschwindigkeitsdatenstrom-Datenpaket aus zwei Hälften zusammen, die aus zwei Einzeldatenströmen stammen. Die Datenpaketfrequenz jedes Einzeldatenstromes ist dann gleich groß, wie die des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes, jedoch bei halbierter Paketlänge. Genügt für ein Einzelmodul die halbe Frequenz des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes, kann der Datenmanager jedes Paket des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes abwechselnd geteilt aus zwei Einzeldatenströmen aufbauen, so daß insgesamt vier Einzeldatenströme verwendet werden, die jeweils die halbe Frequenz des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes und die halbe Paketlänge aufweisen. Der eine Hochgeschwindigkeitsdatenstrom ist dann einfach aus vier Einzeldatenströmen zusammengesetzt. Dies ist natürlich auch bei gleichzeitigem Senden (Broadcast) der Einzeldatenpakete möglich.

Gleichermaßen ist natürlich auch eine Skalierung möglich, d.h. es können zwei verschiedene Dateninterface bzw. ein Doppel-Dateninterface vorgesehen werden, die bzw. das den parallelen Datenstrom von der Echtzeit-Datensteuerungseinrichtung in zwei Hochgeschwindigkeitsdatenströme umsetzt. Dies kann bei sehr komplexen Laser-Scanning-Mikroskopen zweckmäßig sein.

Möchte man eine Vielzahl von Einzelmodulen ansprechen, kann es weiter günstig sein, daß mehrere Einzelmodule an einen gemeinsamen Einzeldatenstrom angeschlossen sind und diesen nach Art eines Datenbusses nutzen, wobei die Typauswertung wiederum implizit festlegt, welches Einzelmodul bzw. welche Einzelmodule die in den Datenbits kodierten Daten eines Datenpaktes verarbeiten bzw. im Sendefall senden.

In Laser-Scanning-Mikroskopen haben die Beleuchtungs- und Detektormittel neben pixelsynchron anzusteuernden Elementen üblicherweise auch Stellelemente, die meist über eine Rückmeldefunktion an die Steuereinheit verfügen und die für den Betrieb geeignet bzw. eingestellt werden müssen, ohne daß eine im Pixeltakt erfolgende Einwirkung bzw. Verstellung erforderlich ist. Beispiele für solche Stellelemente sind die Pinholeverstellmechanik vor Detektoren, die Einstellung von Treibern akustooptischer Filter in Beleuchtungseinheiten, die Antriebe von Farbteilerwechslern oder Shuttern, Sicherheitsblenden o.ä. All solche Bauelemente müssen zwar während des Betriebes des Laser-Scanning-Mikroskops eine bestimmte Stellung haben, jedoch ist eine im Pixeltakt erfolgende Ansteuerung/Rückmeldung entbehrlich. Üblicherweise werden solche Stellelemente deshalb bislang mit langsam arbeitenden Datenbussen, z.B. dem sog. CAN-Busses angesteuert, was zur Folge hat, daß in herkömmlichen Mikroskopen neben der Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikation auch noch ein (nicht pixelsynchroner) langsamerer (CAN-)Bus durch das gesamte Gerät geführt werden muß.

Im erfindungsgemäßen Laser-Scanning-Mikroskop ist es nun möglich, diese separate Stelldaten-Bus-Vernetzung des gesamten Mikroskops entbehrlich zu machen, indem die Stelldaten oder Rückmeldedaten, die beispielsweise den Einheiten gemäß dem erwähnten CAN-Busprotokoll zugeführt werden, mit einer bestimmten Typkodierung in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom eingebettet sind und die Beleuchtungs- und Detektormittel die Stelldaten bzw. das Dateninterface, der Datenmanager oder die Steuerungseinheit die Rückdaten anhand der vom jeweiligen Sender vorgenommenen Typkodierung aus dem Hochgeschwindigkeitsdatenstrom extrahieren und an die Stellelemente leiten bzw. verarbeiten. Die langsamen und nicht notwendigerweise pixelsynchronen Stelldaten werden also von der Echtzeit-Steuerungseinrichtung bzw. dem Dateninterface in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom eingespeist und empfängerseitig, d.h. bei den Beleuchtungs- und Detektormitteln extrahiert. Umgekehrtes gilt für Rückdaten. Es ist deshalb in einer vorzugsweisen Weiterbildung des Mikroskops vorgesehen, daß die Beleuchtungs- und Detektormittel Stellelemente aufweisen, welche im Mikroskopbetrieb asynchron zum Pixeltakt ansteuerbar sind, wobei die Steuerungseinrichtung entsprechende Stelldaten für die Stellelemente bereitstellt, die Stelldaten z.B. mit einer bestimmten Typkodierung oder Adresse in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom eingebettet sind und die Beleuchtungs- und Detektormittel die Stelldaten extrahieren und an die Stellelemente leiten. Alternativ oder zusätzlich erfolgt dies im Rückkanal.

Eine zweckmäßige Realisierung für die Weiterleitung der Stelldaten an die Stellelemente ist der bereits erwähnte CAN-Bus. Es ist deshalb in einer Weiterbildung vorgesehen, daß mindestens ein Einzelmodul einen CAN-Bus für mindestens ein dem Einzelmodul zugeordnetes oder an ihm vorgesehenes Stellelement bereitstellt und die Stelldaten/Rückdaten mittels eines Konvertierungselementes in/aus CAN-Busdaten konvertiert.

Um bei herkömmlichen Mikroskopen die Stellelemente, welche z.B. über den CAN-Bus angesteuert werden, zu testen, ist üblicherweise ein vollständiger Betrieb des Mikroskops nötig, da alle Stellelemente an einem gemeinsamen CAN-Bussystem angeschlossen sind. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der die Stelldaten aus dem/in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom von den Beleuchtungs- und Detektormitteln, d.h. üblicherweise von den Einzelmodulen, gewandelt werden, erlaubt nun eine Ausgestaltung, in der die Einzelmodule bzw. einzelnen Bestandteile der Beleuchtungs-Detektormittel individuell getestet werden können. Dazu ist vorteilhafterweise ein Diagnoseanschluß zum CAN-Bus im Einzelmodul vorgesehen, über den zu Diagnose- und Prüfzwecken eine direkte CAN-Busansteuerung des Stellelementes möglich ist. Der Diagnoseanschluß befindet sich also zwischen dem Konvertierungselement, das aus dem/in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom die Stelldaten wandelt, und dem Stellelement. Dadurch ist es möglich, ein Stellelement individuell ohne Betrieb des übrigen Mikroskops in seiner Funktionalität zu überprüfen.

Eine weitergehende Überprüfung ist möglich, wenn das Konvertierungselement, welches z.B. die CAN-Busdaten bereitstellt, auch eine Rückkonversion der Stelldaten in den seriellen Datenstrom vornimmt. Dann kann auch das Zusammenspiel zwischen Steuerungseinrichtung und Einzelmodul bzw. dessen Stellelement überprüft werden, da die Steuerungseinrichtung mittels der Rückkonversion die am Diagnoseanschluß eingespeisten Werfe bzw. gemachten Vorgaben erhält. Die Hin- und Rückkonversion können jeweils für sich aber auch in Kombination vorgesehen werden.

Die Verwendung von Einzeldatenströmen erlaubt, wie bereits erwähnt, eine einfache Anbindung verschiedener Module, wobei zugleich eine unnötig hohe Datenrate zu einzelnen Modulen vermieden und die Gesamtübertragungsrate des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes entsprechend auf die Einzelmodule verteilt wird. Man kann nun den Datenmanager so ausbilden, daß er für jedes Einzelmodul einen Einzeldatenstrom bereitstellt. Alternativ bietet sich die Möglichkeit, daß mindestens eines der Einzelmodule einen Ausgang aufweist, an den es den zugeführten und von ihm ausgewerteten Einzeldatenstrom durchleitet und über den ein weiteres Einzelmodul versorgt ist. Dieser Einzeldatenstrom wird also in Art eines Datenbusses verwendet, wobei die Länge der Kette im wesentlichen nur durch die Laufzeit der Signale bis zum letzten Einzelmodul und die vom Einzeldatenstrom bereitgestellte Datenrate begrenzt ist. Ein solcher Einzeldatenstrom-Bus kann besonders gut ausgenutzt werden, wenn darin Einzeldatenmodule kombiniert werden, die unterschiedliche Datenraten in die beiden Kommunikationsrichtungen benötigen. Vorteilhafterweise wird man also Einzelmodule mit einer hohen up-load-Rate kombinieren mit Einzelmodulen, die eine hohe down-load-Rate brauchen. Wiederum ist natürlich am Steuergerät bzw. am Dateninterface einzustellen und zu berücksichtigen, wie die Einzelmodule an die Einzeldatenströme angebunden sind, da dann der Datenmanager einfach eine Zerlegung/Zusammenführung des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes auf die/aus den Einzeldatenströme(n) ausführen kann. In anderen Worten, der Hochgeschwindigkeitsdatenstrom spiegelt in seiner Zusammensetzung die am Datenmanager erfolgende Aufteilung/Zusammenführung der Datenpakete der Einzeldatenströme wider und wie die Einzelmodule an die Einzeldatenströme angebunden sind, d.h. welchen der Einzeldatenströme ein bestimmtes Einzelmodul empfängt.

Soweit die Erfindung hier mit Bezug auf eine Vorrichtung oder ein Verfahren erläutert wird, gilt entsprechendes für das erfindungsgemäße Verfahren oder die Vorrichtung, auch wenn diese Entsprechung von Vorrichtungs- und Verfahrensmerkmalen nicht ausdrücklich erwähnt sein sollte.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Laser-Scanning-Mikroskops bezüglich der Ansteuerungs- und Datenkommunikation,

2 eine schematische Darstellung des Laser-Scanning-Mikroskops der 1 bezüglich der Strahlablenkung im Mikroskop,

3 eine Darstellung ähnlich der 1 mit detaillierterer Wiedergabe des Aufbaus von Komponenten des Mikroskops,

4a eine detailliertere Darstellung einer Datenmanagers des Mikroskops der 1 und 3,

4b, 4c und 5 die Aufteilung von Datenpaketen durch den Datenmanager der 4a,

6 ein Einzelmodul des Mikroskops der 1 und 3 bezüglich der Ansteuerung eines Stellelementes,

7 eine Darstellung ähnlich der 6 eines weiterentwickelten Einzelmoduls und

8 mehrere Einzelmodule, die Bus-artig an den Datenmanager der 1 bzw. 3 im dortigen Mikroskop angeschlossen sind.

Weiter zeigt beiliegende Tabelle 1 ein Beispiel für eine Datenumsetzung des Mikroskops der 1.

Die Schemazeichnung der 1 zeigt ein Laser-Scanning-Mikroskopsystem 1, das im wesentlichen aus einem modularen Mikroskop 2 und einer Steuereinrichtung 3 aufgebaut ist. Das Mikroskop 2 stellt ein vom Mikroskopieprinzip her bekanntes Laser-Scanning-Mikroskop dar, bei dem mittels einer rasternden Beleuchtung sowie einer rasternden Detektion eine Probe abgetastet wird. Das Mikroskop 2 verfügt über dazu geeignete Module 4.1, 4.2 und 4.3 (diese werden zusammenfassend auch mit dem Bezugszeichen 4 versehen), die beispielsweise als Scanner-Modul 4.1, als Detektor-Modul 4.2 und als Laser-Modul 4.3 ausgebildet sein können. Die Module (die in 1 dargestellte Anzahl ist rein beispielhaft zu verstehen) werden von der Steuereinrichtung 3 angesteuert, wobei für die Aufnahme jedes Pixel eines Bildes eine bestimmte Ansteuersituation vorliegen muß, damit der erforderliche, abgestimmte Betrieb der Module erreicht ist. Die Steuereinrichtung 3 gibt dazu über eine parallele Datenverbindung 5, die beispielsweise als bekannter PCI-Bus ausgebildet sein kann, entsprechende Steuersignale an das Mikroskop 2 ab und empfängt entsprechende Daten vom Mikroskop 2. Die parallele Datenverbindung 5 ist mikroskopseitig mit einer Schnittstelle 6 verbunden, die den parallelen Datenstrom in einen seriellen Datenstrom umsetzt und über eine serielle Hochgeschwindigkeits-Datenverbindung 7 abgibt. Diese Datenverbindung führt einen seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom, in dem die Daten, welche über die parallele Datenverbindung 5 angeliefert wurden, als serielle Abfolge von Datenpaketen geführt werden. Auf die Struktur dieser Datenpakete und die Arbeitsweise der Schnittstelle 6 wird noch eingegangen.

Die nachfolgend erläuterte Funktionsweise sowie der entsprechende Aufbau ist nicht auf eine Kommunikationsrichtung eingeschränkt. Er (sie) kann nur in Richtung auf die Module, in Richtung von den Modulen oder in beiden Richtungen verwirklicht werden. Eine nachfolgend ggf. nur in einer Richtung beschriebene Variante kann somit auch in der Gegenrichtung oder beiden Richtungen verwirklicht werden.

Die seriellen Datenpakete, die über die Datenverbindung 7 geführt sind, werden von einem Datenmanager 8 an im Ausführungsbeispiel drei serielle Moduldatenverbindungen 9 weitergeleitet. Der Datenmanager 8 zerlegt dabei den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom in Einzeldatenströme, die dann in die seriellen Moduldatenverbindungen 9 eingespeist werden.

Die Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 3 muß in nahezu Echtzeit die Arbeit der Module abstimmt. Dies sei exemplarisch anhand der Schemazeichnung der 2 verdeutlicht. In 2 ist zu sehen, daß von dem Laser-Modul 4.3 bereitgestellte Beleuchtungsstrahlung, die z.B. in der Probe Fluoreszenz anregt, über das Scanner-Modul 4.1 auf ein Probenfeld 10 gerichtet wird, wobei das Probenfeld 10 durch Abrastern verschiedener Pixel 11 angetastet wird. Die bei einer bestimmten Stellung des Scanner-Moduls 4.1 durch die Beleuchtung mit der Strahlung aus dem Laser-Modul 4.3 bewirkte und zu detektierende Strahlung (z.B. Fluoreszenzstrahlung) an einem der Pixel 11 des Probenfelds 10 wird wiederum durch das Scanner-Modul 4.1 aufgenommen und dann an einem Teiler 14 zum Detektor-Modul 4.2 abgeteilt, das entsprechend die Strahlung nachweist. Es liegt also zwischen dem Laser-Modul 4.3 über den Teiler 14 und das Scanner-Modul 4.1 ein Beleuchtungsstrahlengang vor, und die zu detektierende Strahlung wird über einen Detektionsstrahlengang vom Pixel 11, über das Scanner-Modul 4.1 und den Teiler 14 zum Detektor-Modul 4.2 in einem Meßstrahlengang geführt und am Detektor nachgewiesen.

Es ist ohne weiteres verständlich, daß der Betrieb und auch das Auslesen von Daten der Module 4 für jedes der Pixel 11 aufeinander abgestimmt erfolgen muß. Dies wird von der Steuereinrichtung 3 entsprechend sichergestellt. Beispielsweise wird zuerst das Scanner-Modul 4.1 auf die Koordinaten des Pixels 11 eingestellt. Dann wird das Laser-Modul 4.3 entsprechend aktiviert, so daß eine Beleuchtung des Pixels stattfindet. Zugleich oder um ein bestimmtes Maß zeitversetzt wird eine Auslesung der detektierten Strahlung am Detektor-Modul 4.2 vorgenommen. Die dabei nachgewiesene Strahlungsintensität wird den Pixelkoordinaten zugeordnet, entsprechend abgespeichert und nach Abrastern aller Pixel 11 des Probenfeldes 10 zu einem Bild zusammengefaßt.

Natürlich ist diese Beschreibung sowie die Darstellung der 2 stark vereinfacht; es sind noch weitere Ansteuerungen erforderlich, beispielsweise Fokusverstellungen, Einstellungen eines Probentisches usw. Aus der Beschreibung ist aber deutlich, daß die Beleuchtungs- und Detektormittel, wie sie beispielsweise durch die Einzel-Module 4 realisiert sein können, pixelsynchron aufeinander abgestimmt betrieben werden müssen, wobei dies sowohl die Ansteuerung der Module als auch ggf. das Auslesen von Daten aus den Modulen (Hinkanal) umfaßt. Wesentlich ist dabei, wie erwähnt, daß im Mikroskop mehrere Module 4 vorgesehen sind, die, wie die Module 4.14.3, pixelsynchron zueinander betrieben werden müssen, so daß für die Erzeugung und Detektion von Strahlungsintensität bei jedem Pixel eine bestimmte Einstellung der Module (Rückkanal) bzw. Auslesung der Module erfolgt. Die Auslesung bzw. Ansteuerung kann dabei von Pixel zu Pixel wechseln, so daß beim Übergang von einem Pixel zum nächsten, wie ja beispielsweise in 2 durch den durchgezogenen bzw. strichpunktierten Strahl auf das Probenfeld 10 symbolisiert ist, eine erneute Zufuhr von Ansteuerwerten bzw. Auslesen von Werten an den Modulen durch die Steuereinrichtung 3 erforderlich ist.

Die im Mikroskopsystem 1 erfolgende Umsetzung der Daten durch die Schnittstelle 6 hat verschiedene Vorteile. Zum einen kann die Steuereinrichtung 3 die Daten nun über eine herkömmliche parallele Datenverbindung 5 absetzen. Es können somit kostengünstige Bauteile für die Steuereinrichtung 3 verwendet werden, unter Umständen kommt sogar ein handelsüblicher PC oder Notebook in Frage. Die Umsetzung dieser parallel angelieferten Daten in eine serielle Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7 hat den Vorteil, daß im Mikroskop eine einfache Verkabelung möglich ist. Weiter läßt sich ein serieller Datenstrom sehr viel einfacher in die Einzeldatenströme über die serielle Moduldatenverbindungen 9 aufteilen bzw. daraus zusammenfügen, wie nachfolgend noch erläutert wird. Wesentlich in den Daten, die über die serielle Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7 und dann über die seriellen Moduldatenverbindungen 9 geführt werden, ist, daß hierbei zumindest in einer Richtung Datenpakete verwendet werden, die kein Protokoll übertragen. Es ist also kein Datenkopf vorhanden, welcher beispielsweise Informationen über den Sender, den Empfänger, Adreßdaten, Fehlerbehandlungsvorgaben, Zeitangaben etc. enthält, vorhanden. Statt dessen enthalten die Datenpakete dann ausschließlich Datenbits und Typbits, wobei die Datenbits im Rückkanal Steuerdaten und/oder im Hinkanal Meßdaten oder Lagemeldungsdaten wiedergeben und die Typbits eine Angabe über den Typ der Datenbits machen. So kann beispielsweise der serielle Hochgeschwindigkeitsdatenstrom, der über die Datenverbindung 7 läuft, Datenpakete enthalten, die jeweils zwei 16 Bit-Pakete zu einem 32 Bit-Paket zusammenfassen, wobei extra zu den 2 mal 16 Bit-Rohdaten noch die vier Bits für die Typkodierung (in Bits 32 bis 35) übertragen werden.

Da die Datenkommunikation von Modulen 4 zum Steuergerät 3, keine Adreßinformationen enthält, muß die Zusammenfügung des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes die Aufteilung in die seriellen Einzeldatenströme auf die seriellen Moduldatenverbindungen 9 berücksichtigen, insbesondere welche Einzelmodule 4 an die jeweiligen seriellen Moduldatenverbindungen angeschlossen sind.

Dazu kann das Dateninterface 6 die Umsetzung bewerkstelligen. Alternativ kann der Datenmanager 8 die anlaufenden Pakete der seriellen Moduldatenverbindungen 9 nach einem festen Schema an die/in dem Hochgeschwindigkeitsdatenstrom einspeisen. Beispielsweise kann jedes Datenpaket aus der Verbindung zum Modul 4.1 ein erstes, jedes Datenpaket aus der Verbindung zum Modul 4.2 ein zweites und jedes Datenpaket aus der Verbindung zum Modul 4.3 ein drittes Element des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes werden. Analoges gilt für den Rückkanal. Für diese Variante ist entweder vorzuschreiben, welches Einzelmodul 4 an welchen Anschluß des Datenmanagers 8 anzuschließen ist, oder in der Steuereinrichtung 3 wird hinterlegt, welches Modul 4 an welchem Anschluß des Datenmanagers 8 hängt.

Zum anderen ist es möglich, daß der Datenmanager bei seiner Weiterleitung an die Einzelmodule 4, die Struktur des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes berücksichtigt und eine variable Wandlung der Datenpakete vornimmt.

Die Verwendung der Datenpakete der Einzelmodule 4 über die seriellen Moduldatenverbindungen 9, erfolgt bei dem in 3 gezeigten Aufbau der Einzelmodule 4 folgendermaßen (die Erläuterung erfolgt dabei, ohne einschränkend sein zu sollen, für den Rückkanal): In der Bauweise, wie sie in 3 gezeigt ist, ist jedes Einzelmodul 4 im wesentlichen in zwei Einheiten unterteilt. Die Datenpakete werden von einer Modulbetriebsschaltung 15.115.3 (zusammengefaßt unter dem Bezugszeichen 15 angesprochen) aufgenommen und entsprechend in Ansteuersignale für das Modul umgesetzt. Die Modulbetriebsschaltungen 15 die beispielsweise jeweils über eine geeignete CPU, ein ROM, ein RAM sowie ein ASIC verfügen können, führen also die eingangs erwähnte Typauswertung aus und setzen die in den Datenbits der Datenpakete enthaltenen Daten, je nach Angabe in den Typbits gegebenenfalls in entsprechende Ansteuervorgänge um. Die Ansteuerung erfolgt dann über eine Betriebsverbindung 16.1, 16.2, 16.3 (zusammengefaßt unter dem Bezugszeichen 16). Jede Betriebsverbindung 16 führt zum entsprechenden Modulelement 17.1, 17.2, 17.3 (zusammengefaßt als Modulelemente 17 angesprochen), welches die entsprechende Funktion im Laser-Scanning-Mikroskop 2 bewirkt. In der Ausführungsform der 3 umfaßt das Modulelement 17.1 zwei orthogonal zueinander abliegende Galvanometerspiegel, das Modulelement 17.2 eine PMT und das Modulelement 17.3 einen Beleuchtungslaser. Im Hinkanal wird die Typauswertung durch die Typbitvorgabe ersetzt.

Die entsprechenden Modulbetriebsschaltungen 15 versorgen das jeweilige Modulelement 17 über die Betriebsverbindungen 16 mit den entsprechenden Versorgungsspannungen, Ansteuersignalen bzw. lesen die entsprechenden Lagemeldungs- oder Meßwertsignale aus. Jede Modulbetriebsschaltung 15 prüft deshalb bei der Typauswertung im Rückkanal, ob die Typbits anzeigen, daß die nachfolgenden Datenbits des Datenpakets von der Modulbetriebsschaltung 15 in eine entsprechende Ansteuerung umgesetzt werden müssen. Gleichzeitig kann je nach Modul im Hinkanal die Modulbetriebsschaltung 15 ein entsprechendes Datenpaket, z.B. mit Meßwerten, erzeugen, indem eine entsprechende Kodierung (Typbits) mit entsprechenden Werten (Datenbits) zu einem Datenpaket zusammengesetzt und über die serielle Moduldatenverbindung 9 zum Datenmanager 8 und von dort über die serielle Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7 und die Schnittstelle 6 an der parallelen Datenverbindung zur Steuereinrichtung 3 zurückgeleitet wird. Exemplarisch sei diese Funktionsweise nun für Rück- und Hinkanal am Beispiel des Scanner-Moduls erläutert: Zum Abrastern eines Pixels 11 gibt die Steuereinrichtung 2 über die parallele Datenverbindung 5 vor, daß die Scannerspiegel eine bestimmte Stellung einnehmen sollen. Diese Vorgabe wird von der Schnittstelle 6 Datenpaket des seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenstroms über die serielle Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7 umgesetzt. Damit läuft über die serielle Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7 mindestens ein Datenpaket, das Typbits (z.B. vier Typbits) enthält, die anzeigen, daß die nachfolgenden Datenbits die von den Galvanometerspiegeln einzunehmende Stellung (Koordinaten) wiedergeben. Nach Aufteilung des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes am Datenmanager 9 läuft dieses Datenpaket im Rückkanal über die serielle Moduldatenverbindung 9 zur Modulbetriebsschaltung 15.1. Die Modulbetriebsstellung 15.1 führt eine Typauswertung aller Datenpakete an, die ihr über ihre serielle Moduldatenverbindung 9 zugeführt sind. Bei dieser Auswertung erkennt sie an den Typbits des besagten Datenpakets, daß neue Koordinaten für die Galvanometerspiegel vorgegeben werden. Die Modulbetriebsschaltung 15.1 gibt dann entsprechende Spannungssignale über die Betriebsdatenverbindung 16.1 an das Modulelement 17.1, d.h. die Galvanometerspiegel ab. Die Galvanometerspiegel nehmen daraufhin die gewünschte Stellung ein. Da beim Ausführungsbeispiel die Galvanometerspiegel über eine Lagemeldung verfügen, erkennt die Modulbetriebsschaltung 15.1 über die Betriebsverbindung 16.1, daß die Galvanometerspiegel die gewünschte Stellung haben und erzeugt daraufhin ein Datenpaket für den Hinkanal, dessen Datenbits die erreichte Stellung der Galvanometerspiegel kodieren und versieht diese Datenbits mit den entsprechenden Typbits, die für diese Art von Information im System 1 vorgesehen sind. Über die serielle Moduldatenverbindung 9, den Datenmanager 8, die Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7, die Schnittstelle 6 sowie die parallele Datenverbindung 5 gelangt diese Meldung zur Steuereinrichtung 3, die dadurch weiß, daß die Galvanometerspiegel, d.h. das Scanner-Modul 4.1 auf die Koordinaten des gewünschten Pixels 11 eingestellt sind. In einem nächsten Schritt bewirkt die Steuereinrichtung 3 dann die Abgabe von Beleuchtungs-Laserstrahlung, indem wiederum eine entsprechende Rückkanal-Ansteuerung über die parallele Datenverbindung 5 erfolgt, so daß letztlich die Modulbetriebsschaltung 15.3 ein Datenpaket erhält, dessen Datenbits Details über die abzugebende Beleuchtungsstrahlung, beispielsweise Frequenz, Pulsbeginn und Pulsdauer eines Laserstrahlungspulses, kodieren, was von der Modulbetriebsschaltung 15.3 an den Typbits des Datenpaketes erkannt wird. Eine gegebenenfalls vorgesehene Statusmeldung über die Abgabe des gewünschten Laserpulses erfolgt ggf. analog wie für das Scanner-Modul erläutert im Hinkanal. Auf analoge Weise bewirkt die Steuereinrichtung 3 auch den Betrieb des Detektor-Moduls, bei dem im Hinkanal über die Betriebsverbindung 16.2 die PMT im Modulelement 17.2 entsprechend angesteuert und Meßwerte zurückgeliefert werden und im Rückkanal entsprechende Datenpakete zur Modulbetriebsschaltung 15.2 gelangen.

In der Ausführungsform der 1 und 3 führt, wie erwähnt, der Datenmanager 8 eine feste Zusammenführung/Aufteilung des über die serielle Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7 geführten Datenstromes aus. Beispielsweise bewerkstelligt, wie in 4a gezeigt ist, der Datenmanager eine Speisung aus zwei seriellen Moduldatenverbindungen 9A und 9B, gemäß dem Schema, wie es in den 4b und 4c gezeigt ist. Natürlich kann auch eine Zusammenführung/Aufteilung aus/in mehr als zwei Moduldatenverbindungen erfolgen; in 4a sind dazu zwei weitere Moduldatenverbindungen 9C und 9D gestrichelt eingezeichnet. 4b zeigt ein Hochgeschwindigkeitsdatenpaket (im folgenden kurz HS-Datenpaket) des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes, das als 32-bit Wort aufgebaut ist. Der Datenmanager 8 zerlegt dieses 32-bit Wort in zwei 16-bit Wörter bzw. baut es darauf aus, die somit zwei Datenpakete 20 und 21 bilden. Diese Datenpakete werden beispielsweise mit Signalen gemäß dem LVDS-Standard übertragen, wie er z.B. in LVDS-Owner's Manual, 3. Aufl., 2004, National Semiconductor, USA, verfügbar unter www.national.com/appinfo/LOM3.pdf, beschrieben ist. Das erste Datenpaket 20 ist der ersten seriellen Moduldatenverbindungn 9A, das zweite Datenpaket 21 der zweiten Moduldatenverbindung 9B zugeordnet. Entweder durch die Steuereinrichtung 3 oder durch die Schnittstelle 6 ist dafür gesorgt, daß der Aufbau des 32-bit HS-Datenpaketes 18 diese fest eingestellte Aufteilung am Datenmanager 8 entsprechend berücksichtigt.

Eine ebenfalls mögliche Struktur, bei der Typbits nur im Hinkanal verwendet werden, zeigt beiliegende Tabelle 1.

Jedes Datenpaket 20, 21 weist Typbits T und Datenbits D auf. Das 32-bit HS-Datenpaket 18 enthält z.B. beginnend ab dem Bit Nr. 0 sowie ab dem Bit Nr. 16 die Typbits T, an die sich Datenbits D anschließen, die bis einschließlich Bit Nr. 15 bzw. Bit Nr. 31 reichen. In der in 4b gezeigten Variante sind jeweils vier Typbits T vorgesehen, die in der Figur schraffiert eingezeichnet sind. Durch die Zerlegung in zwei Datenpakete 20 und 21 am Datenmanager 8 weist folglich jedes der 16-bit Wörter am Anfang (z.B. vier) Typbits T auf, an die sich (z.B. 12) Datenbits D anschließen.

5 zeigt einen exemplarischen Fall, bei dem der Datenmanager 8 auch die gestrichelt gezeichneten Moduldatenverbindungen 9C und 9D aufweist. Hierbei sind zwei aufeinanderfolgende 32-bit lange HS-Datenpakete 18 und 19 des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes in insgesamt vier 16-bit Datenpakete 20, 21, 22 und 23 geteilt, die an den Moduldatenverbindungen 9A, 9B, 9C und 9D zugeordnet sind. Das Prinzip entspricht dem anhand der 4b und 4c erläuterten, mit dem Unterschied, daß zwei aufeinanderfolgende HS-Datenpakete 18 und 19 herangezogen werden. Es wird also die erste Hälfte eines ersten HS-Datenpaketes 18 der seriellen Moduldatenverbindung 9A, die zweite Hälfte des ersten HS-Datenpaketes 18 der seriellen Moduldatenverbindung 9B, die erste Hälfte des zweiten HS-Datenpaketes 19 der Moduldatenverbindung 9C und die zweite Hälfte des zweiten HS-Datenpaktes 19 der seriellen Moduldatenverbindung 9D zugeordnet.

6 zeigt detailliert den exemplarischen Aufbau eines Einzelmoduls, hier eines Detektors. Dargestellt ist die Modulbetriebsschaltung 15.2 des Detektors sowie das Modulelement 17.2. Wie zu sehen ist, weißt das Modulelement 17.2 eine schematisch eingezeichnete PMT 24 sowie eine Pinholeverstellmechanik 25 auf, die ein der PMT 24 vorgelagertes Pinhole hinsichtlich Lage und Größe verstellt. Dieses Pinhole ist für die konfokale Abbildung des Laser-Scanning-Mikroskops 2 von essentieller Bedeutung. Lage und Größe des Pinholes 25 müssen im Betrieb des Mikroskops 2 bestimmte Werte haben. Eine Verstellung während des Abrasterns des Probenfeldes 2, d.h. eine pixelindividuelle Einstellung ist dagegen in der Regel nicht erforderlich. Dementsprechend ist die Modulbetriebsschaltung 15.2 auch mit zwei Sub-Modulen versehen, einem PMT-Betriebsmodul 29 sowie einem CAN-Busmodul 30. Das PMT-Betriebsmodul führt die bereits erwähnte Ansteuerung und Auslesung der PMT 24 aus und ist dazu über eine HS-Verbindung 31 mit der PMT 24 verbunden. Das CAN-Busmodul 30 ist über einen CAN-Bus 32 an die Pinholeverstellmechanik 25 angeschlossen und steuert diese mit CAN-Daten gemäß dem bekannten CAN-Bus. Die Modulbetriebsschaltung 15.2 hat also ein Betriebsmodul, das pixelsynchron und in der Regel im Hochfrequenzbereich arbeiten muß, nämlich das PMT-Betriebsmodul 29, sowie ein langsam arbeitendes Bus-Modul, das mit nichtpixelsynchronen Stelldaten die Pinholeverstellung ansteuert; im Ausführungsbeispiel erfolgt dies über einen CAN-Bus.

Sowohl die pixelasynchronen Daten wie auch die pixelsynchronen Hochfrequenzdaten werden mit der Modulbetriebsschaltung 15.2 über die serielle Moduldatenverbindung 9 kommuniziert. In die Datenpakete, die über dem Datenstrom der seriellen Moduldatenverbindung 9 fließen und die auch im seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom der seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7 geführt werden, sind also nicht nur pixelsynchrone (Hochfrequenz-) Daten enthalten, sondern auch pixelasynchrone Stelldaten eingebettet, letztere zumindest in einer Richtung mit einer bestimmten Typkennung auch eine herkömmliche Adreßangabe verwendet werden. In der Gegenrichtung kann statt Typkennung Die entsprechende Aufteilung/Zusammenführung dieser unterschiedlichen Datenarten im Einzelmoduls bewirkt ein Splitter 28, der einerseits mit der seriellen Moduldatenverbindung 9 verbunden ist und andererseits die Hochfrequenz- bzw. Stelldaten an das PMT-Betriebsmodul 29 bzw. das CAN-Busmodul 30 weiterleiten. Dazu führt er eine Typbewertung oder -auswertung durch. Natürlich ist dieser anhand des Detektor-Moduls erläuterte Aufbau grundsätzlich für weitere oder alle Detektions- und Beleuchtungsmittel in einer Ausführungsform der Erfindung möglich.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Steuereinrichtung 3 nicht nur diejenigen Teile der Beleuchtungs- und Detektormittel in Echtzeit ansteuern kann, die pixelsynchrone Ansteuerung bzw. Auslesung bedürfen, sondern auch Teile des Mikroskops 2, die im Betrieb nur eine bestimmte Stellung haben müssen, jedoch nicht im Pixeltakt verstellt werden müssen. Zugleich kann die Ansteuerung dieser Stellelemente mit herkömmlichen (langsamen) Bus-Systemen, wie dem CAN-Bus erfolgen, ohne daß eine separate Verkabelung des Mikroskops 2gemäß diesem Bus vorgesehen sein muß. Dadurch kann eine solche Busschnittstelle am Steuergerät 3 und auch am Mikroskop 2 selbst entfallen.

7 zeigt eine Weiterbildung eines über eine serielle Moduldatenverbindung 9 angesteuerten Einzelmoduls gemäß 6. Der Aufbau entspricht im wesentlichen dem der 6, so daß dort beschriebene Elemente nicht noch einmal erläutert werden müssen. Die Weiterbildung liegt darin, daß in der Modulbetriebsschaltung 15.2 am CAN-Bus 32 eine CAN-Bus-Abzweigung 33 vorgesehen ist, die zu einem extern zugänglichen CAN-Bus-Anschluß 34 mündet. Dieser Anschluß 34 kann entweder direkt an der Modulbetriebsschaltung 15.2 vorgesehen sein, oder auch an geeigneter anderer Stelle am Mikroskop 2 angeordnet werden, insbesondere ist eine Anordnung an einem Diagnosesteckfeld möglich. Über den CAN-Bus-Anschluß 34 wird nun auf einfache Art und Weise die richtige Funktion der Pinholeverstellmechanik überprüft, indem aus einem Diagnosegerät am Anschluß 34 entsprechende CAN-Bus-Signale eingespeist werden. Auch kann die Arbeitsweise des entsprechenden Moduls einfach durch Mitlesen der am CAN-Bus-Anschluß 34 ankommenden Signale, die das CAN-Busmodul 30 über den CAN-Bus 32 zur Pinholeverstellmechanik 25 liefert, überprüft werden. Schließlich kann in einer nochmaligen Weiterbildung auch vorgesehen werden, daß das CAN-Busmodul 30 am Anschluß 34 einspeiste CAN-Daten rückkonvertiert und über den Splitter 28 in den Moduldatenstrom der seriellen Moduldatenverbindung 9 einspeist. Somit ist auch eine Rückwärtsdiagnose möglich.

In den erläuterten Ausführungsbeispielen nimmt der Datenmanager 8 eine Zusammenfügung/Aufteilung des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes der seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung 7 aus/in Einzeldatenströme vor, die mit seriellen Einzel-Moduldatenverbindungen 9 verbunden sind, beispielsweise die Verbindungen 9A, 9B und gegebenenfalls 9C und 9D. Dabei wurden Fallkonstellationen erläutert, bei denen jedes Einzelmodul eine eigenständige serielle Moduldatenverbindung hat. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Moduldatenverbindung 9 vom Datenmanager 8 kann beispielsweise auch in Art eines Busses verwendet werden. Dazu ist an den entsprechenden Einzelmodulen, die exemplarisch als Einzelmodule 35 und 40 in 8 gezeigt sind, eingangsseitig ein Abzweigknoten 37 vorgesehen, der sämtliche über die Moduldatenverbindung 9 zugeführten Datenpakete auf einen Weiterleitungsast 38 leitet bzw. ankommende Datenpakete zur seriellen Moduldatenverbindung 9 durchschleust. Der Weiterleitungsast 38 endet in einem Busanschluß 39 über den mittels einer Busverbindung 40 ein weiteres Einzelmodul 40, das im wesentlichen dem Einzelmodul 35 entspricht, angeschlossen ist. Somit teilen sich mehrere Einzelmodule eine serielle Moduldatenverbindung in Art eines Busses, wobei wiederum die Typvorgabe bzw. Typauswertung, die innerhalb des Modules 35 bzw. 40 von einer Auswerteeinheit 36 durchgeführt wird, entscheidet, welche Daten die Datenbits enthalten, woraus (implizit) folgt, ob das jeweilige Modul ein Datenpaket verwertet. Eine solche Auswerteeinheit 36 ist prinzipiell in jedem Einzelmodul entweder als eigenständiges Element vorgesehen oder seine Funktion wird von einem anderen Bauelement ausgeführt.

Tabelle 1


Anspruch[de]
Laser-Scanning-Mikroskop mit

– Proben-Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3), die zur Bildgewinnung eine Probe (12) rasternd beleuchten und detektierend abtasten,

– einer Echtzeit-Steuerungseinrichtung (3), welche die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) zur Beleuchtung und Detektion ansteuert und Detektionssignale ausliest, wobei die Steuerungseinrichtung (3) Ansteuerung und Auslesen synchron zu einem die Rasterung festlegenden Pixeltakt durchführt,

– ein zwischen die Steuerungseinrichtung (3) und die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) geschaltetes Dateninterface (6), das mit der Steuerungseinrichtung (3) über einen parallelen, bidirektionalen Datenstrom (5) und mit den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) über einen seriellen, bidirektionalen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom (7) kommuniziert und dazu eine Datenkonversion von parallel in seriell bzw. zurück ausführt,

dadurch gekennzeichnet, daß

– der Hochgeschwindigkeitsdatenstrom (7) zwischen den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) und dem Dateninterface (6) aus Datenpaketen (18, 19) mit Datenbits und Typbits und ohne weitere Header- oder Protokollbits aufgebaut ist,

– die Datenbits Daten von den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) enthalten und die Typbits die Art der Daten kodieren und

– in den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) und der Steuerungseinrichtung (3) Typinformationen abgelegt sind, die sich auf Verarbeitungsaufgaben für durch die Typbits kodierten Datenarten beziehen, und die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) und/oder die Steuerungseinrichtung (3) beim Senden in einer Typvorgabe für die Datenarten die Typbits setzen und die Steuerungseinrichtung (3) und/oder die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) in einer Typauswertung anhand der Typbits die Datenarten ermitteln und die in den Datenbits kodierten Daten entsprechend verarbeiten.
Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

– die Beleuchtungs- und Detektormittel mehrere Einzelmodule (4.1, 4.2, 4.3) aufweisen, die bei der Beleuchtung und Abtastung zusammenwirken,

– zwischen das Dateninterface (6) und die Einzelmodule (4.1, 4.2, 4.3) der Beleuchtungs- und Detektormittel ein Datenmanager (8) geschaltet ist, der mit den Einzelmodulen kommuniziert und die seriellen Einzeldatenströme (9) in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom (7) zusammenführt,

– die seriellen Einzeldatenströme (9) von den Einzelmodulen (4.1, 4.2, 4.3) zum Datenmanager (8) ebenfalls aus Datenbits und Typbits und ohne weitere Headerbits aufgebaut ist,

– die Typinformationen im Datenmanager (4.1, 4.2, 4.3), dem Dateninterface (6) oder der Steuerungseinrichtung (3) abgelegt sind und dort die Typbits einer Typauswertung zur Bestimmung der Datenart unterzogen werden.
Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldatenströme (19) Datenpakete (20, 21, 22, 23) enthalten, die ein Bruchteil, vorzugsweise halb, so lang sind, wie die Datenpakete (18, 19) des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes (7). Mikroskop nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelmodule (35, 40) an einen gemeinsamen Einzeldatenstrom (9) angeschlossen sind und diesen nach Art eines Datenbusses nutzen, wobei die Typbits implizit festlegen, welches Einzelmodul (35, 40) die in den Datenbits kodierten Daten verarbeitet bzw. sendet. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

– die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) Stellelemente (25) aufweisen, welche im Mikroskopbetrieb asynchron zum Pixeltakt auslesbar und/oder ansteuerbar sind, wobei entsprechende Stelldaten zwischen den Stellelementen (25) und der Steuerungseinrichtung (3) ausgetauscht werden, und

– die Stelldaten in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom (7) eingebettet sind.
Mikroskop nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Einzelmodul (4.1, 4.2, 4.3) die Stelldaten aus dem seriellen Datenstrom extrahiert, einen CAN-Bus (32) für mindestens ein dem Einzelmodul zugeordnetes Stellelement (25) bereitstellt und die extrahierten Stelldaten mittels eines Konvertierungselementes (30) in CAN-Busdaten konvertiert. Mikroskop nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Diagnoseanschluß (34) am CAN-Bus (32), über den zu Diagnose- und Prüfzwecken eine direkte CAN-Busansteuerung des Stellelementes (25) erfolgt. Mikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Konvertierungselement (30) am Diagnoseanschluß (34) eingespeiste CAN-Busdaten in den seriellen Datenstrom (9) rückkonvertiert. Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Konvertierungselement (30) die rückkonvertierten Daten mit Typbits versieht. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein mit einem der Einzeldatenströme (9) versorgtes Einzelmodul (35) einen Ausgang aufweist, an den der Einzeldatenstrom (9) weitergeleitet ist und an dem ein weiteres Einzelmodul (40) den Einzeldatenstrom (40) abgreift, so daß dieser in Art eines Datenbusses verwendet ist. Verfahren zur Datenkommunikation in einem Laser-Scanning-Mikroskop (1), bei dem eine Probe (12) mittels Proben-Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) rastend beleuchtet und detektierend abgetastet wird, wobei die Beleuchtungs- und Detektormittel über einen seriellen, bidirektionalen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom pixelsynchron angesteuert und ausgelesen werden, dadurch gekennzeichnet, daß

– der Hochgeschwindigkeitsdatenstrom (7) zwischen den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) und dem Dateninterface (6) aus Datenpaketen (18, 19) mit Datenbits und Typbits und ohne weitere Header- oder Protokollbits aufgebaut ist,

– die Datenbits Daten von den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) enthalten und die Typbits die Art der Daten kodieren und

– in den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) und der Steuerungseinrichtung (3) Typinformationen abgelegt sind, die sich auf Verarbeitungsaufgaben für durch die Typbits kodierten Datenarten beziehen, und die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) und/oder die Steuerungseinrichtung (3) beim Senden in einer Typvorgabe für die Datenarten die Typbits setzen und die Steuerungseinrichtung (3) und/oder die Beleuchtungs- und Detektormittel (4.1, 4.2, 4.3) in einer Typauswertung anhand der Typbits die Datenarten ermitteln und die in den Datenbits kodierten Daten entsprechend verarbeiten.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beleuchtungs- und Detektormittel mehrere Einzelmodule (4.1, 4.2, 4.3) verwendet werden und der serielle Hochgeschwindigkeitsdatenstrom in mehrere Einzeldatenströme für die Einzelmodule (4.1, 4.2, 4.3) aufgeteilt werden, die jeweils aus Datenbits und Typbits und ohne weitere Headerbits aufgebaut werden. Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldatenströme (19) Datenpakete (20, 21, 22, 23) enthalten, die ein Bruchteil, vorzugsweise halb, so lang sind, wie die Datenpakete (18, 19) des Hochgeschwindigkeitsdatenstromes (7). Mikroskop nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelmodule (35, 40) an einen gemeinsamen Einzeldatenstrom (9) angeschlossen werden und diesen nach Art eines Datenbusses nutzen, wobei die Typbits implizit festlegen, welches Einzelmodul (35, 40) die in den Datenbits kodierten Daten verarbeitet bzw. sendet. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einzeldatenstrom busartig an mehrere Einzelmodule (4.1, 4.2, 4.3) angebunden wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in den Beleuchtungs- und Detektormitteln (4.1, 4.2, 4.3) Stellelemente verwendet werden, die mittels Stelldaten asynchron zum Pixeltakt angesteuert und/oder ausgelesen werden, wobei die Stelldaten in den Hochgeschwindigkeitsdatenstrom eingebettet werden.






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