WO2003023482A1 - Method and device for optically examining an object - Google Patents

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WO2003023482A1
WO2003023482A1 PCT/EP2002/010122 EP0210122W WO03023482A1 WO 2003023482 A1 WO2003023482 A1 WO 2003023482A1 EP 0210122 W EP0210122 W EP 0210122W WO 03023482 A1 WO03023482 A1 WO 03023482A1
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image
piezo
lens
controlled
objective
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PCT/EP2002/010122
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French (fr)
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Frank Sieckmann
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Leica Microsystems Wetzlar Gmbh
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/36Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • G02B21/367Control or image processing arrangements for digital or video microscopes providing an output produced by processing a plurality of individual source images, e.g. image tiling, montage, composite images, depth sectioning, image comparison
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes

Definitions

  • the invention relates to a device for the optical examination of an object with a lens and an object table for receiving the object, and a method for the optical examination of an object.
  • confocal scanning microscopy can be used for this.
  • a sample with the focus of a light beam is scanned point by point in a plane, so that an image, albeit with a shallow depth of field, is obtained on this plane.
  • the object can then be represented three-dimensionally by recording a plurality of different planes and by corresponding image processing.
  • Such a confocal scanning microscopy method is known, for example, from US Pat. No. 6,128,077.
  • the optical components used in confocal scanning microscopy are very expensive and, in addition to a good technical understanding, also require a lot of adjustment work.
  • a method for luminescence microscopy is also known from US Pat. No. 6,055,097.
  • dyes are introduced into a sample that fluoresce under suitable lighting conditions, so that the irradiation enables the dyes to be localized in the sample.
  • To generate a spatial image a number of images are taken in different focal planes. Each of these images contains image information that comes directly from the focus plane, as well as image information that comes from spatial sections of the object that lie outside the focus plane. It is necessary to determine a sharp image. to eliminate the parts of the image that do not come from the focal plane.
  • a series of images of an object is recorded in different z-planes by means of an image recording unit, for example a CCD camera.
  • an image recording unit for example a CCD camera.
  • Each of these images in the image stack contains areas of sharp image structures with a high level of detail and areas that were outside the focal plane when the image was taken and are therefore out of focus and without high level of detail in the image.
  • An image can thus be understood as a set of sub-image areas with different, in particular high detail and low detail.
  • the three-dimensional microscope image of the object generated in this way can also be evaluated quantitatively.
  • the distance between the objective and the object has so far been changed by mechanically adjusting the microscope stage, ie the support table of the object.
  • the high table mass and with it the associated inertia of the overall system forms a limit for the speed with which the individual image stacks are recorded. Because the sluggishness of the system means that a relatively long time is required to move the object into the different z-planes into the focus of the lens.
  • the object of the present invention is therefore to propose an apparatus for examining an object and a method for examining an object, with which it is possible to reconstruct the object quickly and in depth using conventional light microscopes.
  • a lens is used for the proposed examination of the object and the object usually lies on an object table, it is necessary to shift different z-planes of the object into the focus area of the lens.
  • the invention there are now basically several options for shifting the desired z-plane of the object into the focus area of the lens. It is possible to use a piezo controlled lens.
  • the lens itself uses a piezo actuator provided, which can be controlled with the aid of a suitable control unit so that it causes a shift of the lens and thus a shift of the focal plane of the lens.
  • a piezo-controlled actuator instead of moving the objective, it is possible to move the object on the table or the table with the object with the aid of a piezo-controlled actuator.
  • the piezo-controlled actuator is connected to the stage and coupled to a control device.
  • the control device is able to control the piezo actuator in such a way that the object is displaced on the object table in the z direction and thus the displacement of a new z plane of the object into the focus area of the objective.
  • both the objective and the object table can be provided with a piezo actuator, both being controlled via a control device, so that both the objective and the object table or the object lying on the object table are in z.
  • Direction can be shifted.
  • the path length by which the object can be shifted in the z-direction into the different focal planes can thus be increased in a simple manner.
  • both the objective and the object table can be provided with a piezo actuator and the object table can also have a conventional controllable adjustment unit (for example an electromechanical), with all units (objective piezo, table piezo and electromechanical table adjustment unit) then having one Control device are controlled so that both the lens and the stage or the object lying on the stage can be moved in the z direction.
  • the path length by which the object can be shifted in the z direction into the different focal planes can thus be increased even further in a simple manner.
  • An essential point of the method in question here is to separate the sharp from the blurred image areas in the individual layers. It has been found here that a significant improvement in the image quality can be generated if each individual plane image is arithmetically deployed with an individual apparatus profile.
  • the apparatus profile means the imaging properties of the entire structure, which are described mathematically by the point transfer function (English: point spread function, PSF) or the optical transfer function (English: optical transfer function, OTF) of the entire apparatus optics. Details of the point transfer function are known to the person skilled in the art from relevant publications, for example from: Joseph W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics", Mc Graw Hill, New York, 1968.
  • the deconvolution has the effect that the imaging errors resulting from the imaging system used are removed from each plane image, i.e. can be deducted.
  • Details of the mathematical unfolding are also known to the person skilled in the art from specialist books.
  • each level image is unfolded before the calculation process for determining and separating the sharp image areas begins. This means that each level becomes sharper and the sharp image areas of each level are easier to determine.
  • the deconvolution can only be carried out on the multifocus image. However, the result of the unfolding can be worse than if all the individual images were unfolded and the multifocus image was calculated.
  • FIG. 3 shows a process sequence of an improved method for examining an object with a piezo-controlled lens
  • FIG. 9 shows a detail from a device for examining an object with a piezo-controlled object table and a piezo-controlled lens
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a section of a device for examining an object with a piezo-controlled lens.
  • a lens 10 is used to examine an object 12 that is attached to an object table 14.
  • a series of individual images is recorded according to the invention, each of these individual images lying in different z-planes of the sample.
  • the focus of the objective 10 must be positioned in the sample such that it lies in the desired plane. This is achieved by setting the distance d of the lens from the object.
  • a piezo actuator 16 is provided on the objective, which is connected to a control device 18.
  • the piezo actuator 16 can be controlled via the control device 18 and thus a displacement of the objective 10 can be achieved, which is indicated by the double arrow.
  • the setting of the focus within the object 12 can be achieved with the piezo-controlled lens 10.
  • the lens With the piezo actuator, the lens can be shifted extremely precisely and in very small shifting distances ⁇ z, which are preferably in the range of the resolution of the observation light used.
  • the z-planes are preferably equidistant from one another.
  • step 2 shows the basic procedure of the examination of an object with a piezo-controlled lens, the method preferably being implemented via software control.
  • the further workflow of the device can proceed automatically.
  • the lens 10 is moved into the starting position by means of the piezo actuator 16.
  • step 34 checked whether the end position entered or automatically determined by the user has already been reached. If this is not the case, the image of this focus plane is recorded and stored in step 36 with the aid of an analog or digital camera, preferably a CCD camera.
  • step 38 the piezo actuator 16 is controlled via the control device 18 in such a way that the objective 10 is moved in such a way that the next z plane in which the object is to be recorded is in the focus of the objective 10.
  • step 40 a multifocus image and then a 3-dimensional surface profile is generated from the series of individual images. This image is stored in step 42 and the method is ended in step 44.
  • FIG. 3 shows the procedure for a method for examining an object, in which the image quality achieved is improved.
  • an additional step 41 is inserted between steps 40 and 42, in which the multifocus image obtained is unfolded with the apparatus profile of the microscope.
  • OTF optical transfer function
  • PSF point spread function
  • step 34 shows the process sequence for a method for examining an object with a piezo-controlled lens and an additional step for further improvement of the image quality.
  • step 34 determines that the end position has been reached
  • each of the stored individual images is unfolded with the respective apparatus function in additional step 39.
  • the unfolding of each individual image with subsequent multifocus image generation leads to a more precise multifocus image; because through the folds, the blurring resulting from the optics is already eliminated in each individual image, so that the overall image, which represents an overlay of the individual images, no longer has such blurring.
  • FIGS. 2 to 4 thus differ in the sharpness and accuracy of the multifocus image determined. It should be taken into account that the increased accuracy requires more computing effort. It takes more time to create the multifocus image. The user is therefore given various options, from which he can choose freely. If a less sharp image is sufficient for him, he can proceed according to the method described in FIG. 2 and very quickly obtain an image of the object to be examined.
  • the method sequence according to FIG. 3 lends itself for higher accuracies, which, however, entails more computational effort and therefore more time for creating the multifocus image. Extremely precise and sharp images can be achieved with the aid of the method shown in FIG. 3. However, since it is necessary to unfold each of the captured individual images, the computing and time expenditure is also greatest here.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the invention.
  • a section of a device for examining an object 12 with a piezo-controlled object table 14 is shown schematically.
  • the objective 10 is used to examine the object 12 which is applied to the object table 14.
  • a piezo actuator 22 is provided on the object table, which is connected to a control device • 20th
  • This stage piezo actuator 22 can on the side facing the lens onto the surface 15 of the stage 14 mounted or mounted on the surface 17 of the table 14 (not shown) facing away from the lens. Mounting on the surface 15 of the table 14 facing the lens 12 is, however, advantageous because fewer masses have to be moved to generate the z movement.
  • the stage table can be
  • Piezo actuator 22 are controlled and thus a displacement of the object 10, which is applied to the piezo actuator 22 on the object table 14, can be achieved in the z direction by ⁇ z. This movement is indicated by the double arrow. Thus, the setting of the focus within the object 12 can be achieved with the piezo-controlled object table 14.
  • FIG. 6 now shows the basic process sequence of examining an object with a piezo-controlled object table, the method preferably being implemented via software control.
  • This method essentially corresponds to that already shown in FIG. 2.
  • the focal plane of the objective is set in this method with method step 37, in which the piezo control 19 is addressed in such a way that a change in thickness in the z direction of the piezo actuator 22 is achieved by an amount ⁇ z. Since the object 12 is applied to the piezo actuator 22, the focus plane can thus be shifted in the object.
  • An improvement in the image quality can also be achieved by using an object stage piezo actuator 22 for adjusting the distance of the objective from the sample.
  • an object stage piezo actuator 22 for adjusting the distance of the objective from the sample.
  • FIG. 8 shows the further improvement by unfolding the individual images in step 39, which corresponds to the method used in the method. 4 can also be used when using a stage piezo actuator with the advantages already described.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the invention.
  • a section of a device for examining an object 12 with a piezo-controlled object table 14 and a piezo-controlled lens 10 is shown schematically.
  • a lens piezo actuator 16 is provided on the lens 10 and is connected to the controller 18.
  • an object table piezo actuator 22 is provided on the object table 14, which can be controlled via a control device 20.
  • the object stage piezo actuator can be mounted both on the side of the surface 15 of the table 14 facing the objective or also on the surface 17 of the table 14 (not shown) facing away from the objective.
  • this embodiment offers the possibility of scanning a substantially larger z range of the object 12 with high resolution, since both the objective piezo actuator 16 by ⁇ z and the object stage piezo actuator 22 can be shifted by ⁇ z 2 .
  • the further workflow of the device can proceed automatically.
  • the objective 10 is moved into the starting position by means of the objective piezo actuator and the objective piezo actuator. It is then checked in step 34 whether the end position of the table pie entered or automatically determined by the user has already been reached. If this is not the case, it is checked in step 46 whether the end position of the objective piezo actuator entered or calculated by the user has been reached.
  • step 46 If it is determined in step 46 that the end position of the lens piezo actuator has not yet been reached, the image of this focus plane is recorded in step 36 with the aid of an analog or digital camera, preferably a CCD camera.
  • step 38 the lens piezo actuator 16 is controlled via the control device 18 in such a way that the lens 10 is moved in such a way that the next z plane in which the object is to be recorded is in the focus of the lens 10 in the object 12.
  • step 34 This loop is repeated until it is determined in step 34 that the end position of the table has been reached.
  • the objective is accordingly controlled by the objective piezo actuator in n steps with a step size of ⁇ zi at different distances from the object.
  • a multifocus image and then a 3-dimensional surface profile are generated in step 40 from the series of individual images obtained in this way.
  • This image is stored in step 42 and the method is ended in step 44.
  • a targeted alternating movement sequence of the lens 10 and the table 14 by means of a piezo-controlled adjusting device on the lens and on the table can cover a much larger scan area with high resolution.
  • Dz (total) Dz, - (m + 1) * (n + 1) * Dz, [ ⁇ m]
  • m number of steps of the table / object piezo control system
  • n number of steps of the lens piezo system
  • Dz step distance of the lens piezo (e.g. 0.5 ⁇ m).
  • An improvement in the image quality can also be achieved by using an object stage piezo actuator and an objective piezo actuator for adjusting the distance of the objective from the sample.
  • an object stage piezo actuator and an objective piezo actuator for adjusting the distance of the objective from the sample.
  • FIG. 12 shows the further improvement by unfolding the individual images in step 39, which can also be used in accordance with the method described in FIG. 4 when using an object stage piezo actuator with the advantages already described.
  • a device for examining an object with a piezo-controlled objective in combination with an electromechanically controlled object stage is shown schematically in FIG. 13.
  • a lens 10 is used to examine an object 12 that is attached to an object table 14.
  • a lens piezo actuator 16 is provided on the lens 10 and can be controlled by a control unit 18.
  • the stage 14 can be shifted in all three spatial directions in steps ⁇ x, ⁇ y, and ⁇ z 2 , this shift being controlled by a control module 21.
  • the control module can preferably be connected to a computer.
  • FIG. 14 shows the basic procedure of the examination of an object 10 with an electromechanically controlled object table 14 and a piezo-controlled lens 12 using a flowchart.
  • the table 14 is then moved step by step over a defined x-y-z range.
  • the first control loop is defined via query 50, in which it is checked whether the table 14 has reached the end position in the y direction.
  • the second control loop is defined via query 54, in which it is checked whether the table 14 has reached the end position in the x direction.
  • the third control loop is defined via query 56, in which it is checked whether the lens has reached its end position. If the table 14 is within manually or automatically taught-in x-y limits, the table is moved step by step by one image field through the program loop. As with a checkerboard pattern, a given scan area is scanned field by field.
  • step 36 This is achieved in the third control loop, in which the image is recorded in step 36 and then the new focal plane is changed by shifting the lens 10 in step 38 by the value ⁇ z.
  • the images are recorded in step 36 with an analog or digital camera and cached.
  • the focal plane is guided through the object 12 in n steps and the desired image stack is recorded.
  • step 58 the stage 14 is steered further by an image field in the x-y plane and a further stack of focus images is recorded with the piezo lens according to the above method.
  • a mosaic image is created in step 52, preferably automatically, for each of the focus planes.
  • This mosaic image is created by juxtaposing the images recorded in a focal plane, that is, the images that were recorded in a focal plane within a predefined x-y range.
  • the mosaic images are created by known methods such as image-overlapping composition methods (autocorrelation) or touching composition methods. Since the mosaic images are generated for all focal planes, a mosaic image stack is created that represents all images of the focal planes.
  • step 40 the composition of all the image mosaics, that is to say many individual images, creates a highly resolved image in the xy direction, both a completely sharp image in the z direction and an xy direction.
  • the resolution can be defined as a so-called voxel resolution.
  • a voxel is a volume element that has pixels in 3 spatial directions. With a voxel resolution of, for example, 1 ⁇ m edge length of an image pixel, a resolution of 25400 dpi arises in x, y, z, which in the context of these representations should be regarded as “extremely high resolution”. As shown in FIG.
  • the multifocus image can also be unfolded with the apparatus profile of the recording system in step 41 in order to further improve the image sharpness in the z direction. It is also possible, as shown in FIG. 16, to unfold all the xy-mosaic images with the apparatus profile of the recording system in step 39 even before the multifocus image is generated in step 40. As already mentioned, this method is time-consuming, but it leads to a multifocus image which is again improved with regard to the sharpness of the image. An unfolding of the individual mosaic images in accordance with the method described in FIG. 16 with subsequent multifocus image generation accordingly leads to a more precise multifocus mosaic image. However, the computational effort is considerable since each mosaic picture of the stack has to be unfolded.
  • a deconvolution of the multifocus image already created in accordance with the method shown in FIG. 15, can be calculated much more quickly from the original mosaic image data (undeveloped mosaic images). The fastest calculation is carried out if the original mosaic images are omitted as described in the method according to FIG. 14.
  • the highest speed of the design variants presented here is achieved. The user can freely choose which of these process variants is selected based on the desired result.
  • the resolution in the z direction can be increased even further.
  • the distance between the objective 10 and the object 12 is adjusted from a suitable combination of the ⁇ z, the objective 10 and the ⁇ z 2 of the table 14.
  • FIGS. 17-19 this process sequence is in each case for a method without unfolding (FIG. 17 ), a method with unfolding of the multifocus image (FIG. 18) and a method with unfolding of the individual images (FIG. 19) are shown.
  • step 66 All of the methods are now characterized in that an additional check is carried out in step 66 to determine whether the end position of the scanning area ⁇ z 2 of the table 14 is enough. Accordingly, the additional step 69 is then also necessary, in which the object table 14 is moved into a new position. In addition, returning the table to its starting position is required in the remaining loops, which is carried out in steps 70 and 72.
  • a depth-of-field image and a 3-dimensional surface profile of this image can be generated by simultaneously using a normal object table in the xyz direction and a piezo-controlled lens in the z direction. This enables a much larger z range to be recorded with the highest resolution in the z direction. 17 shows the basic procedure using a flow chart.
  • the further method steps can be carried out automatically.
  • the object 10 and the electromechanically controllable specimen stage 14 are preferably moved to a starting position by means of the piezo control device 18 and the table control system 21 via a computer.
  • the table 14 is now moved step by step over a defined xyz range.
  • the first control loop is triggered by query 50 and checks the table position in the xy direction.
  • the table 14 is moved step by step by one image field through the program loop. As with a checkerboard pattern, a given scanning area is traversed field by field. An image stack in the z direction is now recorded in each newly approached xy position of the table. This is carried out by the control loop, which checks in step 56 whether the end position of the adjustment path of the objective piezo actuator has been reached. As long as this has not been reached, an image is recorded in step 36, stored and in step 38 the position of the objective is changed by ⁇ zi via the objective piezo actuator.
  • ⁇ z (total) ⁇ z, - (m + 1) * (n + 1) * ⁇ z, [ ⁇ m]
  • n number of steps of the lens piezo system
  • ⁇ z1 step distance of the lens piezo (e.g. 1 ⁇ m)
  • the piezo lens 10 After a focus image stack has been recorded after said interaction between table and lens movement, the piezo lens 10 returns to its z-start position in the step.
  • the table 14 becomes an image field controlled further in the xy plane and a further focus image stack is recorded with the piezo lens according to the above method.
  • the mosaic image is generated for each scanned z-plane in step 52, this step preferably being carried out automatically by a special program first. In this way, a mosaic image is created for each focus level. A multifocus image is then generated again in step 40.
  • a piezo actuator 16 with an associated control 18 is arranged on the objective 10 and a piezo actuator 22 with an associated control 20 on the table 14.
  • the table 14 is also coupled to an electromechanical controller to provide movement of the stage in the x, y, and z directions. This constellation is shown in a schematic representation in FIG.
  • table piezo actuator ⁇ x 3 ; ⁇ y 3 The possibilities of the piezo combination enable a fine scan range to be achieved which is defined by the adjustment range covered by the two piezo actuators.
  • step 76 it is checked in step 76 whether the end position of the object stage piezo actuator has already been reached. Depending on this result, either the current image or the lens 10 and the table piezo 22 are moved to their new position by step 78 and 80 in step 36.
  • step 78 and 80 the current image or the lens 10 and the table piezo 22 are moved to their new position by step 78 and 80 in step 36.
  • the overall sequence also includes steps 82, 84 and 86, in each of which the table piezo 22 is moved back to its starting position
  • the scanning principle corresponds to that already described in connection with FIG. 11, in which a lens piezo actuator 16 and a table piezo actuator 22 are also used.
  • a very precise, high-resolution and fast acquisition of the individual image planes for the reconstruction of a 3-dimensional surface image and a high-resolution image can take place here.
  • the method according to FIG. 11 can be advantageously combined with the method according to FIG. 17. Both the coarse and the fine range can be coordinated in such a way that the fine scanning areas can be seamlessly joined together by a suitable degree of movement of the electromagnetic table in the z direction.
  • the combination of the two exemplary embodiments thus allows a substantial increase in the fine scanning range available in the z direction.
  • the exact desired position can be finely adjusted by means of the table piezo 22. This is achieved by an offset of the position of the object 12 by the table piezo 22 which is suitable in x and y, after the new xy position of the object has been preset by the electromechanical table 14.

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Abstract

The invention relates to a device for generating a three-dimensional image of an object (12), comprising a lens (10) and an object platform (14) for receiving the object (12). The invention is provided with a piezo-actuator (16, 22) for adjusting the distance between the lens (10) and the object (12). An image recording device records a series of individual images of the object (12) on different planes. A multifocus image is then generated from said series of individual images.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektes Method and device for the optical examination of an object
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektes mit einem Objektiv und einem Objekttisch zur Aufnahme des Objektes sowie ein Verfahren zur optischen Untersuchung eines Objektes.The invention relates to a device for the optical examination of an object with a lens and an object table for receiving the object, and a method for the optical examination of an object.
Bei der Untersuchung von Proben mit Hilfe eines Mikroskops besteht oftmals das Bedürfnis, die dreidimensionale Ausgestaltung der Oberfläche des Objektes zu rekonstruieren. Hierzu kann beispielsweise die konfokale Scanmikroskopie eingesetzt werden. Dabei wird eine Probe mit dem Fokus eines Lichtstrahls punktweise in einer Ebene abgetastet, sodass ein Bild, allerdings mit geringer Tiefenschärfe, dieser Ebene erhalten wird. Durch die Aufnahme einer Mehrzahl von verschiedenen Ebenen und durch eine entsprechende Bildverarbeitung kann das Objekt dann dreidimensional dargestellt werden. Ein derartiges konfokale Scanmikroskopieverfahren ist beispielsweise aus der US 6,128,077 bekannt. Die bei der konfokalen Scanmikroskopie eingesetzten optischen Komponenten sind allerdings sehr teuer und fordern neben einem guten technischen Verständnis auch sehr viel Justagearbeit.When examining samples with the aid of a microscope, there is often a need to reconstruct the three-dimensional configuration of the surface of the object. For example, confocal scanning microscopy can be used for this. A sample with the focus of a light beam is scanned point by point in a plane, so that an image, albeit with a shallow depth of field, is obtained on this plane. The object can then be represented three-dimensionally by recording a plurality of different planes and by corresponding image processing. Such a confocal scanning microscopy method is known, for example, from US Pat. No. 6,128,077. However, the optical components used in confocal scanning microscopy are very expensive and, in addition to a good technical understanding, also require a lot of adjustment work.
Aus der US 6,055,097 ist weiterhin ein Verfahren zur Lumineszenzmikroskopie bekannt. Dabei werden in eine Probe Farbstoffe eingebracht, die unter geeigneten Beleuchtungsbedingungen fluoreszieren, sodass mit der Bestrah- lung die Lokalisierung der Farbstoffe in der Probe möglich wird. Zur Erzeugung eines räumlichen Bildes werden eine Anzahl von Bildern in unterschiedlichen Fokusebenen aufgenommen. Jedes dieser Bilder enthält Bildinformationen, die unmittelbar aus der Fokusebene stammen, ebenso wie solche Bildinformationen, die aus Raumabschnitten des Objektes stammen, die außer- halb der Fokusebene liegen. Zur Ermittlung eines scharfen Bildes ist es erfor- derlich, die nicht aus der Fokusebene stammenden Bildanteile zu eliminieren. Hierzu wird vorgeschlagen, das Mikroskop mit einem optischen System zu versehen, das es ermöglicht, die Probe mit einem speziellen Beleuchtungsfeld, etwa einer stehenden Welle oder einem nicht-periodischen Anregungs- feld zu beleuchten.A method for luminescence microscopy is also known from US Pat. No. 6,055,097. In this case, dyes are introduced into a sample that fluoresce under suitable lighting conditions, so that the irradiation enables the dyes to be localized in the sample. To generate a spatial image, a number of images are taken in different focal planes. Each of these images contains image information that comes directly from the focus plane, as well as image information that comes from spatial sections of the object that lie outside the focus plane. It is necessary to determine a sharp image. to eliminate the parts of the image that do not come from the focal plane. For this purpose, it is proposed to provide the microscope with an optical system that makes it possible to illuminate the sample with a special illumination field, such as a standing wave or a non-periodic excitation field.
Zur Verbesserung der dreidimensionalen Rekonstruktion eines Objektes mit einem Mikroskop wurde von der Anmelderin in der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 100 50 963.0 bereits ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung vorgeschlagen. Dabei wird mittels einer Bildaufnahmeeinheit, etwa einer CCD-Kamera, eine Serie von Bildern eines Objektes in verschiedenen z-Ebenen aufgenommen. Damit liegt also ein Bildstapel von Ebenenbildern des Objektes aus einer Vielzahl von verschiedenen Ebenen in z-Richtung des Objektes vor. Jedes dieser Bilder in dem Bildstapel enthält Bereiche scharfer Bildstrukturen mit hoher Detailschärfe und Bereiche, die bei der Aufnahme außerhalb der Fokusebene lagen und daher unscharf und ohne hohe Detailschärfe im Bild vorliegen. Damit kann ein Bild als eine Menge von Teilbildbereichen mit unterschiedlicher, insbesondere hoher Detailschärfe und niedriger Detailschärfe aufgefasst werden. Mit Hilfe bildanalytischer Verfahren werden nun aus jedem Bild des Bildstapels die Teilbildberei- ehe extrahiert, die in hoher Detailschärfe vorliegen. Für jedes Bild des Bildstapels wird damit ein Ergebnisbild ermittelt, das nunmehr jeweils lediglich die Bildbereiche hoher Schärfe aufweist. Diese Ergebnisbilder werden anschließend zu einem neuen, nun detailscharfen dreidimensionalen Gesamtbild zusammengefügt. Damit entsteht ein neues, vollständiges detailscharfes dreidi- mensionales Mikroskopbild des Objektes.To improve the three-dimensional reconstruction of an object with a microscope, the applicant has already proposed an improved method and an improved device in the German patent application with the application number 100 50 963.0. A series of images of an object is recorded in different z-planes by means of an image recording unit, for example a CCD camera. There is thus an image stack of plane images of the object from a multiplicity of different planes in the z direction of the object. Each of these images in the image stack contains areas of sharp image structures with a high level of detail and areas that were outside the focal plane when the image was taken and are therefore out of focus and without high level of detail in the image. An image can thus be understood as a set of sub-image areas with different, in particular high detail and low detail. With the help of image analytical methods, the partial image areas are extracted from each image of the image stack, which are present in high detail sharpness. A result image is thus determined for each image of the image stack, which now only has the image areas of high sharpness. These result images are then combined into a new, now detailed three-dimensional overall picture. This creates a new, fully detailed, three-dimensional microscope image of the object.
Da die Abstände und die absoluten Positionen der z-Ebenen bekannt sind, in denen die Bilder des Bildstapels aufgenommen wurden, lässt sich das so erzeugte dreidimensionale Mikroskopbild des Objektes auch quantitativ auswerten. Zum Aufnehmen der einzelnen Bilder des Bildstapels in den unterschied- liehen z-Ebenen wurde bislang der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Objekt dadurch verändert, dass die Mikroskoptischhöhe, also der Auflagetisch des Objektes mechanisch verstellt wurde. Die hohe Tischmasse und die damit verbundene Trägheit des Gesamtsystems bildet jedoch eine Grenze für die Geschwindigkeit, mit der die einzelnen Bildstapel aufgenommen werden. Denn die Trägheit des Systems führt dazu, dass eine relativ lange Zeit benötigt wird, um das Objekt in die verschiedenen z-Ebenen in den Fokus des Ob- jektives zu bewegen.Since the distances and the absolute positions of the z-planes in which the images of the image stack were recorded are known, the three-dimensional microscope image of the object generated in this way can also be evaluated quantitatively. In order to record the individual images of the image stack in the different z-planes, the distance between the objective and the object has so far been changed by mechanically adjusting the microscope stage, ie the support table of the object. The high table mass and with it However, the associated inertia of the overall system forms a limit for the speed with which the individual image stacks are recorded. Because the sluggishness of the system means that a relatively long time is required to move the object into the different z-planes into the focus of the lens.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes und ein Verfahren zur Untersuchung eines Objektes vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, das Objekt unter Verwendung konventioneller Lichtmikroskope schnell und tiefenscharf zu rekonstruieren.The object of the present invention is therefore to propose an apparatus for examining an object and a method for examining an object, with which it is possible to reconstruct the object quickly and in depth using conventional light microscopes.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst.This object is achieved by a device with the features according to claim 1 and by a method with the features according to claim 10.
Mit dem Einsatz einer piezogesteuerten Einrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Objektiv und dem Objekt ist es nun möglich, sehr ge- nau und schnell unterschiedliche z-Ebenen des Objektes in den Fokusbereich des Objektives zu verschieben. Damit wird die Möglichkeit, eine Serie von Einzelbildern in den unterschiedlichen z-Ebenen des Objektes aufzunehmen wesentlich beschleunigt. Damit wird auch für die lichtmikroskopische Untersuchung von Objekten die Möglichkeit eröffnet, eine schnelle 3D-Rekonstruktion von mikroskopischen Oberflächen durchzuführen. Somit können in unterschiedlichen Objekten auch schnelle Vorgänge dreidimensional und tiefenscharf erfasst werden. Gleichzeitig bleibt gewährleistet, dass das Objekt bei der Untersuchung schonend behandelt wird.With the use of a piezo-controlled device for adjusting the distance between the lens and the object, it is now possible to very precisely and quickly shift different z-planes of the object into the focus area of the lens. This considerably speeds up the possibility of taking a series of individual images in the different z-planes of the object. This also opens up the possibility of performing a fast 3D reconstruction of microscopic surfaces for the light microscopic examination of objects. This means that fast processes can be recorded three-dimensionally and in depth in different objects. At the same time, it is ensured that the object is treated gently during the examination.
Da für die vorgeschlagene Untersuchung des Objektes ein Objektiv verwendet wird und das Objekt üblicherweise auf einem Objekttisch liegt, ist es erforderlich, unterschiedliche z-Ebenen des Objektes in den Fokusbereich des Objektives zu verschieben. Erfindungsgemäß bestehen hierbei nun grundsätzlich mehrere Möglichkeiten, die gewünschte z-Ebene des Objektes in den Fokusbereich des Objektives zu verschieben. Es ist möglich, ein piezo-gesteuertes Objektiv zu verwenden. Dabei wird das Objektiv selbst mit einem Piezoaktor versehen, der mit Hilfe einer geeigneten Steuereinheit so angesteuert werden kann, dass er eine Verschiebung des Objektives und damit eine Verschiebung der Fokusebene des Objektives bewirkt.Since a lens is used for the proposed examination of the object and the object usually lies on an object table, it is necessary to shift different z-planes of the object into the focus area of the lens. According to the invention, there are now basically several options for shifting the desired z-plane of the object into the focus area of the lens. It is possible to use a piezo controlled lens. The lens itself uses a piezo actuator provided, which can be controlled with the aid of a suitable control unit so that it causes a shift of the lens and thus a shift of the focal plane of the lens.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, anstelle einer Verschiebung des Objektives das Objekt auf dem Tisch bzw. den Tisch mit dem Objekt mit Hilfe eines piezogesteuerten Aktors zu verschieben. Der pie- zogesteuerte Aktor ist dabei mit dem Objekttisch verbunden und an eine Steuereinrichtung gekoppelt. Die Steuereinrichtung ist in der Lage, den Piezoaktor so anzusteuern, dass eine Verschiebung des Objektes auf dem Objekt- tisch in z-Richtung und damit die Verschiebung einer neuen z-Ebene des Objektes in den Fokusbereich des Objektives erfolgt.In a further embodiment of the invention, instead of moving the objective, it is possible to move the object on the table or the table with the object with the aid of a piezo-controlled actuator. The piezo-controlled actuator is connected to the stage and coupled to a control device. The control device is able to control the piezo actuator in such a way that the object is displaced on the object table in the z direction and thus the displacement of a new z plane of the object into the focus area of the objective.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann sowohl das Objektiv, wie auch der Objekttisch mit einem Piezoaktor versehen werden, wobei beide ü- ber eine Steuereinrichtung angesteuert werden, sodass sowohl das Objektiv wie auch der Objekttisch bzw. das auf dem Objekttisch liegende Objekt in z- Richtung verschoben werden kann. Damit kann auf einfache Weise die Weglänge erhöht werden, um die das Objekt in z-Richtung in die verschiedenen Fokusebenen verschoben werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann sowohl das Objektiv wie auch der Objekttisch mit einem Pie- zoaktor versehen werden und zusätzlich der Objekttisch eine herkömmliche steuerbare Verstelleinheit (z.B. eine elektromechanische) besitzen, wobei dann alle Einheiten (Objektivpiezo, Tischpiezo und elektromechanische Tischverstelleinheit) über eine Steuereinrichtung angesteuert werden, sodass sowohl das Objektiv wie auch der Objekttisch bzw. das auf dem Objekttisch lie- gende Objekt in z-Richtung verschoben werden kann. Damit kann auf einfache Weise die Weglänge noch weiter erhöht werden, um die das Objekt in z- Richtung in die verschiedenen Fokusebenen verschoben werden kann.In a further embodiment of the invention, both the objective and the object table can be provided with a piezo actuator, both being controlled via a control device, so that both the objective and the object table or the object lying on the object table are in z. Direction can be shifted. The path length by which the object can be shifted in the z-direction into the different focal planes can thus be increased in a simple manner. In a further embodiment of the invention, both the objective and the object table can be provided with a piezo actuator and the object table can also have a conventional controllable adjustment unit (for example an electromechanical), with all units (objective piezo, table piezo and electromechanical table adjustment unit) then having one Control device are controlled so that both the lens and the stage or the object lying on the stage can be moved in the z direction. The path length by which the object can be shifted in the z direction into the different focal planes can thus be increased even further in a simple manner.
In allen geschilderten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist es günstig, die Einzelbilder des Bildstapels, die in den unterschiedlichen z-Ebenen aufge- nommen werden, in äquidistant zueinanderliegenden z-Ebenen aufzunehmen. Dies erleichtert zum einen die Bildrekonstruktion und ermöglicht zum anderen, bei möglichst geringen z-Ebenenabständen ein äußerst genaues Erfassen des Objektes in der z-Richtung.In all the exemplary embodiments of the invention described, it is expedient to record the individual images of the image stack, which are recorded in the different z planes, in z planes which are equidistant from one another. On the one hand, this facilitates image reconstruction and, on the other hand, enables with the smallest possible z-plane spacing, an extremely precise detection of the object in the z-direction.
Ein wesentlicher Punkt des hier in Rede stehenden Verfahrens besteht darin, in den einzelnen Ebenen die scharfen von den unscharfen Bildbereichen zu trennen. Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine wesentliche Verbesserung der Bildqualität dadurch erzeugt werden kann, wenn jedes einzelne Ebenenbild mit einem individuellen Apparateprofil rechnerisch entfaltet wird. Mit Apparateprofil sind die Abbildungseigenschaften des gesamten Aufbaus gemeint, welche mathematisch durch die Punkt-Übertragungsfunktion (englisch: point spread function, PSF) bzw. die optisch Übertragungsfunktion (englisch: opti- cal transfer function, OTF) der gesamten Apparate-Optik beschrieben werden. Einzelheiten zu der Punkt-Übertragungsfunktion sind dem Fachmann aus einschlägigen Veröffentlichungen bekannt, beispielsweise aus: Joseph W. Goodman, „Introduction to Fourier Optics", Mc Graw Hill, New York, 1968.An essential point of the method in question here is to separate the sharp from the blurred image areas in the individual layers. It has been found here that a significant improvement in the image quality can be generated if each individual plane image is arithmetically deployed with an individual apparatus profile. The apparatus profile means the imaging properties of the entire structure, which are described mathematically by the point transfer function (English: point spread function, PSF) or the optical transfer function (English: optical transfer function, OTF) of the entire apparatus optics. Details of the point transfer function are known to the person skilled in the art from relevant publications, for example from: Joseph W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics", Mc Graw Hill, New York, 1968.
Die Entfaltung bewirkt, dass die aus dem verwendeten Abbildungssystem herrührenden Abbildungsfehler aus jedem Ebenenbild entfernt werden, d.h. herausgerechnet werden können. Einzelheiten zu der mathematischen Entfaltung sind dem Fachmann ebenfalls aus Fachbüchern bekannt. Günstigerweise erfolgt die Entfaltung eines jeden Ebenenbildes noch bevor der Berechnungs- prozess zum Ermitteln und Abseparieren der scharfen Bildbereiche beginnt. Damit gewinnt jede Ebene deutlich an Schärfe und die scharfen Bildbereiche jeder Ebene lassen sich leichter ermitteln. Um die Berechnungsgeschwindigkeit zu erhöhen kann die Entfaltung auch erst am Multifokusbild durchgeführt werden. Allerdings kann das Ergebnis der Entfaltung schlechter sein als bei einer Entfaltung aller Einzelbilder und anschließender Multifokus - Bildberechnung.The deconvolution has the effect that the imaging errors resulting from the imaging system used are removed from each plane image, i.e. can be deducted. Details of the mathematical unfolding are also known to the person skilled in the art from specialist books. Advantageously, each level image is unfolded before the calculation process for determining and separating the sharp image areas begins. This means that each level becomes sharper and the sharp image areas of each level are easier to determine. To increase the calculation speed, the deconvolution can only be carried out on the multifocus image. However, the result of the unfolding can be worse than if all the individual images were unfolded and the multifocus image was calculated.
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht nun die Möglichkeit, die lichtmikroskopische Be- grenzung einer relativ geringen Tiefenschärfe des Bildes zu überwinden und gleichzeitig eine dreidimensionale Oberflächenrekonstruktion eines Objektes mit hoher Geschwindigkeit durch die Verwendung piezogesteuerten Aktoren zum Positionieren der Fokusebenen im Objekt durchzuführen. Somit wird die mikroskopische Bildqualität verbessert und es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, schnelle Änderungen mikroskopischer Oberflächentopologien bildanalytisch zu erfassen und zu verwerten. Damit ist auch die Möglichkeit gegeben, Echtzeitmessungen von Oberflächenstrukturen bei gleichzeitiger Beseitigung der Begrenzung der Bildqualität durch eine zu geringe Tiefenschärfe zu erreichen.With the device proposed according to the invention and the method according to the invention, there is now the possibility of overcoming the light microscopic limitation of a relatively shallow depth of field of the image and at the same time a three-dimensional surface reconstruction of an object at high speed by using piezo-controlled actuators to position the focal planes in the object. The microscopic image quality is thus improved and there is also the possibility of rapid changes in microscopic surface topologies using image analysis and evaluation. This also enables real-time measurements of surface structures to be achieved while eliminating the limitation of image quality due to insufficient depth of field.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Ge- genstand der nachfolgenden schematischen Figuren sowie deren Beschreibungen, bei deren Darstellung zugunsten der Übersichtlichkeit auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde.Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the subject of the following schematic figures and their descriptions, the representation of which has not been drawn to scale in the interests of clarity.
Es zeigen im Einzelnen:They show in detail:
Fig. 1 : einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv;1: a detail from a device for examining an object with a piezo-controlled lens;
Fig. 2: den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv;2: the basic procedure of the examination of an object with a piezo-controlled lens;
Fig. 3: einen Verfahrensablauf eines verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezoge- steuerten Objektiv;3 shows a process sequence of an improved method for examining an object with a piezo-controlled lens;
Fig. 4: einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv;4: a process sequence of a further improved method for examining an object with a piezo-controlled lens;
Fig. 5: einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch;5: a detail from a device for examining an object with a piezo-controlled object table;
Fig. 6: den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch; Fig. 7: einen Verfahrensablauf eines verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch;6: the basic procedure of the examination of an object with a piezo-controlled object table; 7: a process sequence of an improved method for examining an object with a piezo-controlled object table;
Fig. 8: einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Ver- fahrens zur der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch;8: a process sequence of a further improved method for examining an object with a piezo-controlled object table;
Fig. 9: einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;9 shows a detail from a device for examining an object with a piezo-controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 10: den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;10: the basic procedure of the examination of an object with a piezo-controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 11 : einen Verfahrensablauf eines verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteu- eilen Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;11: a process sequence of an improved method for examining an object with a piezo-controlled object stage and a piezo-controlled lens;
Fig. 12: einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;12: a process sequence of a further improved method for examining an object with a piezo-controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 13: einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;13: a section of a device for examining an object with an electromechanically controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 14: den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;14: the basic procedure of the examination of an object with an electromechanically controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 15: einen Verfahrensablauf eines verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv; Fig. 16: einen Verfahrensablauf eines weiter verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;15: a process sequence of an improved method for examining an object with an electromechanically controlled object table and a piezo-controlled lens; 16: a process sequence of a further improved method for examining an object with an electromechanically controlled object table and a piezo-controlled objective;
Fig. 17: einen Verfahrensablauf eines weiter verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;17: a process sequence of a further improved method for examining an object with an electromechanically controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 18: einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Ver- fahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;18: a process sequence of a further improved method for examining an object with an electromechanically controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 19: einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elekt- romechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;19: a process sequence of a further improved method for examining an object with an electro-mechanically controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 20: einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezo- und elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Ob- jektiv;20: a detail from a device for examining an object with a piezo- and electromechanically controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 21 : den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezo- und elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;21: the basic procedure of the examination of an object with a piezo- and electromechanically controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 22: einen Verfahrensablauf eines weiter verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezo- und elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;22: a process sequence of a further improved method for examining an object with a piezo- and electromechanically controlled object table and a piezo-controlled lens;
Fig. 23: einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Ver- fahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezo- und elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv.23: a process sequence of a further improved method driving to examine an object with a piezo and electromechanically controlled stage and a piezo controlled lens.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv. Ein Objektiv 10 dient zur Untersuchung einer Objektes 12, das auf einem Objekttisch 14 aufgebracht ist. Zur Erzeugung eines tiefenscharfen Bildes und eines 3-dimensionalen Oberflächenprofils dieses Objektes wird erfindungsgemäß eine Serie von Einzelbildern aufgenommen, wobei jedes dieser Einzelbilder in verschiedenen z-Ebenen der Probe liegt. Hierzu muss der Fokus des Objektives 10 in der Probe jeweils so positioniert werden, dass er in der gewünschten Ebene liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Abstand d des Objektives vom Objekt eingestellt wird. Hierzu ist am Objektiv ein Piezoaktor 16 vorgesehen, der mit einer Steuereinrichtung 18 verbunden ist. Über die Steuereinrichtung 18 kann der Piezoaktor 16 angesteuert und damit eine Verschiebung des Objektives 10 erreicht werden, die durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Somit kann mit dem piezogesteuerten Objektiv 10 die Einstellung des Fokus innerhalb des Objektes 12 erreicht werden. Mit dem Piezoaktor kann die Verschiebung des Objektives äußerst genau und in sehr kleinen Verschiebewegen Δz durchgeführt werden, die bevorzugt im Bereich des Auflösungsvermögens des verwendeten Beobachtungslichtes liegen.Fig. 1 shows a schematic representation of a section of a device for examining an object with a piezo-controlled lens. A lens 10 is used to examine an object 12 that is attached to an object table 14. In order to generate a sharp image and a 3-dimensional surface profile of this object, a series of individual images is recorded according to the invention, each of these individual images lying in different z-planes of the sample. For this purpose, the focus of the objective 10 must be positioned in the sample such that it lies in the desired plane. This is achieved by setting the distance d of the lens from the object. For this purpose, a piezo actuator 16 is provided on the objective, which is connected to a control device 18. The piezo actuator 16 can be controlled via the control device 18 and thus a displacement of the objective 10 can be achieved, which is indicated by the double arrow. Thus, the setting of the focus within the object 12 can be achieved with the piezo-controlled lens 10. With the piezo actuator, the lens can be shifted extremely precisely and in very small shifting distances Δz, which are preferably in the range of the resolution of the observation light used.
Nachdem in jeder gewünschten z-Ebene ein Einzelbild aufgenommen worden ist, liegt die Serie von Einzelbildern zur weiteren Bildbearbeitung vor. Bevorzugt liegen die z-Ebenen zueinander äquidistant.After a single image has been recorded in each desired z-plane, the series of individual images is available for further image processing. The z-planes are preferably equidistant from one another.
In Fig. 2 ist nun der prinzipielle Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv dargestellt, wobei das Verfahren bevorzugt über eine Softwaresteuerung verwirklicht wird. Nachdem eine grobe Voreinstellung des Objektivabstandes vom Objekt 12 vorgenommen wurde, kann der weitere Arbeitsablauf der Vorrichtung automatisch ablaufen. Hierzu wird nach dem Start 30 des Verfahrens im Schritt 32 das Objektiv 10 mittels des Piezoaktors 16 in die Startposition gefahren. Anschließend wird im Schritt 34 geprüft, ob die vom Benutzer eingegebene oder automatisch ermittelte Endposition bereits erreicht ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird im Schritt 36 mit Hilfe einer mit einer analogen oder digitalen Kamera, bevorzugt einer CCD-Kamera, das Bild dieser Fokusebene aufgenommen und gespeichert. Danach wird im Schritt 38 über die Steuereinrichtung 18 der Piezoaktor 16 so angesteuert, dass das Objektiv 10 so verfahren wird, dass im Objekt 12 die nächste z-Ebene, in der ein Bild aufgenommen werden soll, im Fokus des Objektives 10 liegt. Diese Schleife wird so lange wiederholt, bis im Schritt 34 festgestellt wird, dass die Endposition erreicht ist. Dann wird im Schritt 40 aus der Serie von Einzelbildern ein Multifokusbild und anschließend ein 3- dimensionales Oberflächenprofil erzeugt. Im Schritt 42 wird dieses Bild gespeichert und das Verfahren ist mit Schritt 44 beendet.2 shows the basic procedure of the examination of an object with a piezo-controlled lens, the method preferably being implemented via software control. After a rough presetting of the lens distance from the object 12 has been carried out, the further workflow of the device can proceed automatically. For this purpose, after the start 30 of the method in step 32, the lens 10 is moved into the starting position by means of the piezo actuator 16. Then in step 34 checked whether the end position entered or automatically determined by the user has already been reached. If this is not the case, the image of this focus plane is recorded and stored in step 36 with the aid of an analog or digital camera, preferably a CCD camera. Thereafter, in step 38, the piezo actuator 16 is controlled via the control device 18 in such a way that the objective 10 is moved in such a way that the next z plane in which the object is to be recorded is in the focus of the objective 10. This loop is repeated until it is determined in step 34 that the end position has been reached. Then, in step 40, a multifocus image and then a 3-dimensional surface profile is generated from the series of individual images. This image is stored in step 42 and the method is ended in step 44.
In Fig. 3 ist der Verfahrensablauf für ein Verfahren zur Untersuchung eines Objektes angegeben, bei dem die erreichte Bildqualität verbessert wird. Im Vergleich zum Verfahren gem. Fig. 2 wird zwischen die Schritte 40 und 42 ein zusätzlicher Schritt 41 eingefügt, in dem das erhaltene Multifokusbild mit dem Apparateprofil des Mikroskops entfaltet wird. Denn es hat sich herausgestellt, dass eine wesentliche Verbesserung der Bildqualität dann erzielt werden kann, wenn das erhaltene Multifokusbild mit einem individuellen Apparateprofil unter Berücksichtigung der apparate-eigenen optischen Übertragungsfunktion- Funktion (OTF= optical transfer function) oder der apparate-eigenen Punkt- Übertragungsfunktion (PSF=point spread function) entfaltet wird. Diese Entfaltung bewirkt, dass die aus dem verwendeten Abbildungssystem herrührenden unscharfen Bildpunkte aus jedem Ebenenbild entfernt werden, d.h. herausge- rechnet werden können.3 shows the procedure for a method for examining an object, in which the image quality achieved is improved. Compared to the procedure according to 2, an additional step 41 is inserted between steps 40 and 42, in which the multifocus image obtained is unfolded with the apparatus profile of the microscope. It has been found that a significant improvement in the image quality can be achieved if the multifocus image obtained has an individual apparatus profile, taking into account the apparatus 'own optical transfer function (OTF = optical transfer function) or the apparatus' own point transfer function (PSF = point spread function) is developed. This deconvolution means that the blurred pixels originating from the imaging system used are removed from each plane image, i.e. can be calculated.
In Fig. 4 ist der Verfahrensablauf für ein Verfahren zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv und einem zusätzlichen Schritt zur nochmaligen Verbesserung der Bildqualität dargestellt. Sobald im Schritt 34 festgestellt ist, dass die Endposition erreicht ist, wird im zusätzlichen Schritt 39 jedes der gespeicherten Einzelbilder mit der jeweiligen Apparatefunktion entfaltet. Das Entfalten jedes einzelnen Bildes mit anschließender Multifokus- bilderzeugung führt zu einem genaueren Multifokusbild; denn durch das Ent- falten werden die von der Optik herrührenden Unscharfen bereits in jedem Einzelbild eliminiert, sodass das Gesamtbild, das eine Überlagerung der Einzelbilder darstellt, keine derartigen Unscharfen mehr aufweist.4 shows the process sequence for a method for examining an object with a piezo-controlled lens and an additional step for further improvement of the image quality. As soon as step 34 determines that the end position has been reached, each of the stored individual images is unfolded with the respective apparatus function in additional step 39. The unfolding of each individual image with subsequent multifocus image generation leads to a more precise multifocus image; because through the folds, the blurring resulting from the optics is already eliminated in each individual image, so that the overall image, which represents an overlay of the individual images, no longer has such blurring.
Die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Verfahren unterscheiden sich somit in der Schärfe und Genauigkeit des ermittelten Multifokusbildes. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die erhöhte Genauigkeit jeweils einen höheren Rechenaufwand erfordert. Die Erstellung des Multifokusbildes erfordert damit mehr Zeit. Dem Anwender sind somit verschiedene Möglichkeiten an die Hand gegeben, unter denen er frei wählen kann. Sofern ihm ein weniger scharfes Bild ausreicht, kann er nach der in Figur 2 beschriebenen Methode vorgehen und sehr schnell ein Bild des zu untersuchenden Objektes erhalten. Für höhere Genauigkeiten bietet sich der Verfahrensablauf nach Figur 3 an, der allerdings mehr Rechenaufwand und damit mehr Zeit zur Erstellung des Multifokusbildes nach sich zieht. Äußerst präzise und scharfe Bilder lassen sich mit Hilfe des in Figur 3 dargestellten Verfahrens erzielen. Da es dabei allerdings erforderlich ist, jedes der aufgenommenen Einzelbilder zu entfalten, ist hier auch der Rechen- und Zeitaufwand am größten.The methods shown in FIGS. 2 to 4 thus differ in the sharpness and accuracy of the multifocus image determined. It should be taken into account that the increased accuracy requires more computing effort. It takes more time to create the multifocus image. The user is therefore given various options, from which he can choose freely. If a less sharp image is sufficient for him, he can proceed according to the method described in FIG. 2 and very quickly obtain an image of the object to be examined. The method sequence according to FIG. 3 lends itself for higher accuracies, which, however, entails more computational effort and therefore more time for creating the multifocus image. Extremely precise and sharp images can be achieved with the aid of the method shown in FIG. 3. However, since it is necessary to unfold each of the captured individual images, the computing and time expenditure is also greatest here.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Verfahren kann alternativ auch so vorgegangen werden, dass das aufgenommene Bild bereits unmittelbar vor dem Spei- ehern, also als Teil des Schrittes 36 entfaltet und erst nach dem Entfalten abgespeichert wird.In the method shown in FIG. 4, it is alternatively also possible to proceed in such a way that the recorded image is developed immediately before it is stored, that is to say as part of step 36, and is only stored after it has been developed.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Dabei ist schematisch ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes 12 mit einem piezogesteuerten Objekttisch 14 dargestellt.5 shows a further embodiment of the invention. A section of a device for examining an object 12 with a piezo-controlled object table 14 is shown schematically.
Das Objektiv 10 dient zur Untersuchung des Objektes 12, das auf dem Objekttisch 14 aufgebracht ist. Zur Positionierung des Fokus des Objektives 10 in der Probe 12 wird der Abstand d des Objektives vom Objekt nun dadurch eingestellt, dass am Objekttisch ein Piezoaktor 22 vorgesehen wird, der mit einer Steuereinrichtung 20 verbunden ist. Dieser Objekttisch-Piezoaktor 22 kann auf der dem Objektiv zugewandten Seite auf die Oberfläche 15 des Tisches 14 aufmontiert oder auch auf der dem Objektiv abgewandten Oberfläche 17 des Tisches 14 (nicht gezeigt) montiert werden. Die Aufmontage auf der dem Objektiv 12 zugewandten Oberfläche 15 des Tisches 14 ist allerdings bereits deshalb vorteilhaft, weil hier zur Erzeugung der z-Bewegung weniger Massen zu bewegen sind. Über die Steuereinrichtung 20 kann der Objekttisch-The objective 10 is used to examine the object 12 which is applied to the object table 14. For positioning the focus of the lens 10 in the sample 12 is the distance d of the objective from the object then adjusted by a piezo actuator 22 is provided on the object table, which is connected to a control device 20th This stage piezo actuator 22 can on the side facing the lens onto the surface 15 of the stage 14 mounted or mounted on the surface 17 of the table 14 (not shown) facing away from the lens. Mounting on the surface 15 of the table 14 facing the lens 12 is, however, advantageous because fewer masses have to be moved to generate the z movement. The stage table can be
Piezoaktor 22 angesteuert werden und damit eine Verschiebung Objektes 10 das auf dem Piezoaktor 22 auf dem Objekttisch 14 aufgebracht ist, in z- Richtung um Δz erreicht werden. Diese Bewegung ist durch den Doppelpfeil angedeutet. Somit kann mit dem piezogesteuerten Objekttisch 14 die Einstel- lung des Fokus innerhalb des Objektes 12 erreicht werden.Piezo actuator 22 are controlled and thus a displacement of the object 10, which is applied to the piezo actuator 22 on the object table 14, can be achieved in the z direction by Δz. This movement is indicated by the double arrow. Thus, the setting of the focus within the object 12 can be achieved with the piezo-controlled object table 14.
Nachdem in jeder gewünschten z-Ebene ein Einzelbild aufgenommen worden ist, liegt wiederum die Serie von Einzelbildern zur weiteren Bildbearbeitung vor.After a single image has been recorded in each desired z plane, the series of individual images is again available for further image processing.
In Fig. 6 ist nun der prinzipielle Verfahrensablauf der Untersuchung eines Ob- jektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch dargestellt, wobei das Verfahren bevorzug über eine Softwaresteuerung verwirklicht wird. Dieses Verfahren entspricht im Wesentlichen dem bereits in Figur 2 dargestellten. Jedoch erfolgt die Einstellung der Fokusebene des Objektivs bei diesem Verfahren mit dem Verfahrensschritt 37, in dem die Piezosteuerung 19 so angesprochen wird, dass eine Dickenänderung in z-Richtung des Piezoaktors 22 um einen Betrag Δz erreicht wird. Da das Objekt 12 auf dem Piezoaktor 22 aufgebracht wird, kann somit die Verschiebung der Fokusebene im Objekt erreicht werden.FIG. 6 now shows the basic process sequence of examining an object with a piezo-controlled object table, the method preferably being implemented via software control. This method essentially corresponds to that already shown in FIG. 2. However, the focal plane of the objective is set in this method with method step 37, in which the piezo control 19 is addressed in such a way that a change in thickness in the z direction of the piezo actuator 22 is achieved by an amount Δz. Since the object 12 is applied to the piezo actuator 22, the focus plane can thus be shifted in the object.
Auch durch Verwendung eines Objekttisch-Piezoaktors 22 zum Einstellen des Abstandes des Objektives von der Probe kann eine Verbesserung der Bild- qualität erreicht werden. Hierzu wird entsprechend dem in Fig. 3 beschriebenen Verfahren über das zusätzliche Einfügen des Schrittes 41 , das Multifokusbild mit der Apparatefunktion entfaltet. Dieses Verfahren ist in Fig. 7 dargestellt.An improvement in the image quality can also be achieved by using an object stage piezo actuator 22 for adjusting the distance of the objective from the sample. For this purpose, in accordance with the method described in FIG. 3, by inserting step 41, the multifocus image is unfolded with the apparatus function. This process is shown in FIG. 7.
In Fig. 8 ist letztendlich noch die weitere Verbesserung durch Entfalten der Einzelbilder im Schritt 39 dargestellt, die entsprechend dem im Verfahren ge- maß Fig. 4 auch beim Einsatz eines Objekttisch-Piezoaktors mit den bereits beschriebenen Vorteilen verwendet werden kann.Finally, FIG. 8 shows the further improvement by unfolding the individual images in step 39, which corresponds to the method used in the method. 4 can also be used when using a stage piezo actuator with the advantages already described.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Dabei ist schematisch ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes 12 mit einem piezogesteuerten Objekttisch 14 und einem piezogesteuerten Objektiv 10 dargestellt. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist am Objektiv 10 ein Objektiv-Piezoaktor 16 vorgesehen, der mit der Steuerung 18 verbunden ist. Weiterhin ist am Objekttisch 14 ein Objekttisch-Piezoaktor 22 vorgesehen, der über eine Steuereinrichtung 20 angesteuert werden kann. Wie im Zusammen- hang mit Fig. 5 bereits beschrieben, kann der Objekttisch-Piezoaktor sowohl auf der dem Objektiv zugewandten Seite der Oberfläche 15 des Tisches 14 aufmontiert oder auch auf der dem Objektiv abgewandten Oberfläche 17 des Tisches 14 (nicht gezeigt) montiert werden. Wegen der üblicherweise kleinen Maximalverstellwege, die mit den Piezoaktoren erreicht werden können, bietet diese Ausführungsform die Möglichkeit, einen wesentlich größeren z-Bereich des Objektes 12 höchstauflösend zu scannen, da sowohl der Objektiv- Piezoaktor 16 um Δz-, wie auch der Objekttisch-Piezoaktor 22 um Δz2 verschoben werden kann.9 shows a further embodiment of the invention. A section of a device for examining an object 12 with a piezo-controlled object table 14 and a piezo-controlled lens 10 is shown schematically. In this embodiment of the invention, a lens piezo actuator 16 is provided on the lens 10 and is connected to the controller 18. Furthermore, an object table piezo actuator 22 is provided on the object table 14, which can be controlled via a control device 20. As already described in connection with FIG. 5, the object stage piezo actuator can be mounted both on the side of the surface 15 of the table 14 facing the objective or also on the surface 17 of the table 14 (not shown) facing away from the objective. Because of the usually small maximum adjustment paths that can be achieved with the piezo actuators, this embodiment offers the possibility of scanning a substantially larger z range of the object 12 with high resolution, since both the objective piezo actuator 16 by Δz and the object stage piezo actuator 22 can be shifted by Δz 2 .
Mit Hilfe dieser beiden Piezoaktoren lassen sich nun eine Reihe von Verfah- rensweisen verwirklichen, von denen eine in Fig. 10 beispielhaft gezeigt ist. Nachdem eine grobe Voreinstellung des Objektivabstandes vom Objekt vorgenommen wurde, kann der weitere Arbeitsablauf der Vorrichtung automatisch ablaufen. Hierzu werden nach dem Start 30 des Verfahrens im Schritt 32 das Objektiv 10, mittels des Objektiv-Piezoaktors sowie der Objektiv- Piezoaktor in die Startposition gefahren. Anschließend wird im Schritt 34 geprüft, ob die vom Benutzer eingegebene oder automatisch ermittelte Endposition des Tischpiezos bereits erreicht ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird im Schritt 46 überprüft, ob die vom Benutzer eingegebene oder berechnete Endposition des Objektiv-Piezoaktors erreicht ist. Wird im Schritt 46 festgestellt, dass die Endposition des Objektiv-Piezoaktors noch nicht erreicht ist, wird im Schritt 36 mit Hilfe einer mit einer analogen oder digitalen Kamera, bevorzugt einer CCD-Kamera, das Bild dieser Fokusebene aufgenommen. Danach wird im Schritt 38 über die Steuereinrichtung 18 der Objektiv-Piezoaktor 16 so angesteuert, dass das Objektiv 10 so verfahren wird, dass im Objekt 12 die nächste z-Ebene, in der ein Bild aufgenommen werden soll, im Fokus des Objektivs 10 liegt. Diese Schleife wird so lange wiederholt, bis im Schritt 34 festgestellt wird, dass die Endposition des Tisches erreicht ist. In dieser Steuerschleife wird demnach das Objektiv durch den Objektiv-Piezoaktor in n Schritten mit jeweils einer Schrittweite von Δzi in verschiedene Abstände vom Objekt gesteuert. Ist das Objektiv in seiner Endposition angekommen, so hat es einen Gesamtweg von n * Δzi = N zurückgelegt. Wird im Schritt 46 festgestellt, dass die Endposition des Objektivs erreicht ist, so wird im Schritt 48 das Objektiv mit Hilfe des Objektiv-Piezoaktors in seine Startposition zurückgefahren und dann der Objektivtisch-Piezoaktor mit der Steuereinheit 20 so angesteuert, dass er um den Wert der vorherigen Objektivgesamtauslenkung nämlich Δz2 = N+ i z.^ verschoben wird. Nun wiederholt sich die Steuerschleife des Objektives und es wird erneut über einen Gesamtweg von n * Δz-i = N schrittweise verschoben. Ist seine maximale Auslenkposition erreicht, so kehrt das Objektiv wiederum zurück in seine Startposition und der Tisch wird per Objekttisch-Piezoaktor um den Weg der neuerlichen Objektivgesamtbewegung verschoben, nämlich Δz2 = N + ΔZT (relativ zur aktuellen Tischposition).With the aid of these two piezo actuators, a number of procedures can now be implemented, one of which is shown by way of example in FIG. 10. After a rough presetting of the lens distance from the object, the further workflow of the device can proceed automatically. For this purpose, after the start 30 of the method in step 32, the objective 10 is moved into the starting position by means of the objective piezo actuator and the objective piezo actuator. It is then checked in step 34 whether the end position of the table pie entered or automatically determined by the user has already been reached. If this is not the case, it is checked in step 46 whether the end position of the objective piezo actuator entered or calculated by the user has been reached. If it is determined in step 46 that the end position of the lens piezo actuator has not yet been reached, the image of this focus plane is recorded in step 36 with the aid of an analog or digital camera, preferably a CCD camera. After that In step 38, the lens piezo actuator 16 is controlled via the control device 18 in such a way that the lens 10 is moved in such a way that the next z plane in which the object is to be recorded is in the focus of the lens 10 in the object 12. This loop is repeated until it is determined in step 34 that the end position of the table has been reached. In this control loop, the objective is accordingly controlled by the objective piezo actuator in n steps with a step size of Δzi at different distances from the object. When the lens has reached its end position, it has covered a total distance of n * Δzi = N. If it is determined in step 46 that the end position of the lens has been reached, then in step 48 the lens is moved back into its starting position with the aid of the lens piezo actuator and then the lens table piezo actuator is controlled with the control unit 20 so that it is adjusted by the value of the previous lens total deflection namely Δz 2 = N + i z. ^ is shifted. Now the control loop of the lens repeats and it is shifted again step by step over a total path of n * Δz-i = N. If its maximum deflection position is reached, the lens returns to its starting position and the stage is moved by the stage piezo actuator by the path of the new total lens movement, namely Δz 2 = N + ΔZ T (relative to the current table position).
Durch Wiederholen dieser Steuerfolge Objektivbewegung - Tischbewegung ist es möglich, trotz der kleinen maximalen Verstellwege der Piezos einen großen Bereich der Probe zu untersuchen.By repeating this control sequence lens movement - table movement, it is possible to examine a large area of the sample despite the small maximum adjustment paths of the piezos.
Sobald erkannt wird, dass auch der Objektivtisch an seiner Endposition ange- kommen ist, wird im Schritt 40 aus der Serie der so gewonnenen Einzelbilder ein Multifokusbild und anschließend ein 3-dimensionales Oberflächenprofil erzeugt. Im Schritt 42 wird dieses Bild gespeichert und das Verfahren ist mit Schritt 44 beendet.As soon as it is recognized that the objective table has also reached its end position, a multifocus image and then a 3-dimensional surface profile are generated in step 40 from the series of individual images obtained in this way. This image is stored in step 42 and the method is ended in step 44.
Die beschriebene Verfahrensweise kann exemplarisch anhand der in der fol- genden Tabelle gegebenen Angaben für eine Objektiv- und Tischsteuerfolge für n(Objektiv) = 3 und (Tisch) = 3 nachvollzogen werden.
Figure imgf000017_0001
The procedure described can be reproduced using the information given in the following table for a lens and table control sequence for n (lens) = 3 and (table) = 3.
Figure imgf000017_0001
Wie ersichtlich wird, kann man durch eine gezielte alternierende Bewegungsabfolge von Objektiv 10 und Tisch 14 mittels einer piezogesteuerten Versteileinrichtung am Objektiv und am Tisch einen wesentlich größeren Scanbereich mit hoher Auflösung überdecken.As can be seen, a targeted alternating movement sequence of the lens 10 and the table 14 by means of a piezo-controlled adjusting device on the lens and on the table can cover a much larger scan area with high resolution.
Insgesamt ergibt sich ein Gesamtabstand, der mit zwei Piezos (einer am Objektiv und einer am Objekt (Tisch)) überstrichen werden kann, zuOverall, there is a total distance that can be covered with two piezos (one on the lens and one on the object (table))
Dz(Gesamt) = Dz, - (m + 1) * (n + 1) * Dz, [μm] wobei m = Anzahl der Schritte des Tisch/Objekt Piezo Steuersystems n = Anzahl der Schritte des Objektiv Piezo Systems Dz, = Schrittabstand des Objektivpiezos (z.B. 0,5 μm) ist.Dz (total) = Dz, - (m + 1) * (n + 1) * Dz, [μm] where m = number of steps of the table / object piezo control system n = number of steps of the lens piezo system Dz, = step distance of the lens piezo (e.g. 0.5 μm).
Auch durch Verwendung eines Objekttisch-Piezoaktors und eines Objektiv- Piezoaktors zum Einstellen des Abstandes des Objektivs von der Probe, kann eine Verbesserung der Bildqualität erreicht werden. Hierzu wird entsprechend dem in Fig. 3 beschriebenen Verfahren über das zusätzliche Einfügen des Schrittes 41 , das Multifokusbild mit der Apparatefunktion entfaltet. Dieses Ver- fahren ist in Fig. 11 dargestellt.An improvement in the image quality can also be achieved by using an object stage piezo actuator and an objective piezo actuator for adjusting the distance of the objective from the sample. For this purpose, in accordance with the method described in FIG. 3, by inserting step 41, the multifocus image is unfolded with the apparatus function. This process is shown in FIG. 11.
In Fig. 12 ist letztendlich noch die weitere Verbesserung durch Entfalten der Einzelbilder im Schritt 39 dargestellt, die entsprechend dem im Verfahren gemäß Fig. 4 auch beim Einsatz eines Objekttisch-Piezoaktors mit den bereits beschriebenen Vorteilen verwendet werden kann.In the end, FIG. 12 shows the further improvement by unfolding the individual images in step 39, which can also be used in accordance with the method described in FIG. 4 when using an object stage piezo actuator with the advantages already described.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 13 schematisch eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv in Kombination mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch dargestellt. Ein Objektiv 10 dient zur Untersuchung einer Objektes 12, das auf einem Objekttisch 14 aufgebracht ist . Um die Serie von Einzelbildern auf- nehmen zu können, ist am Objektiv 10 ein Objektiv-Piezoaktor 16 vorgesehen, der von einer Steuereinheit 18 angesteuert werden kann. Der Objekttisch 14 lässt sich in alle drei Raumrichtungen jeweils in Schritten Δx, Δy, und Δz2 verschieben, wobei diese Verschiebung durch ein Steuermodul 21 gesteuert wird. Das Steuermodul lässt sich vorzugsweise an einen Computer anschlie- ßen. Mit dieser Kombination der verschiebbaren Komponenten ist es nun möglich, auch größere Objekte zu untersuchen. Denn durch die Möglichkeit, den Tisch in der x,y-Ebene zu verschieben, können in einer einzigen z-Ebene Teilbilder in unterschiedlichen x,y-Positionen mit einer Kamera aufgenommen werden. Diese Teilbilder lassen sich dann mit einer Bildverarbeitungssoftware wieder zu einem einzigen Ebenenbild, dem sogenannten Bildmosaik, zusam- mensetzen, das in seiner Größe den sonst möglichen Bildaufnahmebereich um ein mehrfaches übersteigen kann. Darüber hinaus wird über den elektromechanisch auch in z-Richtung verschiebbaren Tisch 14 der mögliche Scanbereich deutlich erweitert; denn es können nun Fokusebenen eingestellt wer- den, die von einer Verschiebung Δz2 des Tisches in z-Richtung und von einer Verschiebung Δz, des piezogesteuerten Objektivs herrühren.In a further embodiment of the invention, a device for examining an object with a piezo-controlled objective in combination with an electromechanically controlled object stage is shown schematically in FIG. 13. A lens 10 is used to examine an object 12 that is attached to an object table 14. In order to be able to record the series of individual images, a lens piezo actuator 16 is provided on the lens 10 and can be controlled by a control unit 18. The stage 14 can be shifted in all three spatial directions in steps Δx, Δy, and Δz 2 , this shift being controlled by a control module 21. The control module can preferably be connected to a computer. With this combination of movable components, it is now possible to examine larger objects. Because the option of moving the table in the x, y plane, partial images in different x, y positions can be recorded in a single z plane with a camera. These partial images can then be combined with an image processing software to form a single layer image, the so-called image mosaic. size that can exceed the otherwise possible image recording area by a multiple. In addition, the possible scanning area is significantly expanded via the table 14, which can also be moved electromechanically; because focus planes can now be set which result from a shift Δz 2 of the table in the z direction and from a shift Δz of the piezo-controlled lens.
In Fig. 14 ist anhand eines Flussdiagramms der prinzipielle Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes 10 mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch 14 und einem piezogesteuerten Objektiv 12 dargestellt. Nach dem Start 30 des Verfahrens und einer groben Voreinstellung des Objektivabstandes vom Objekt, kann der weitere Ablauf der Verfahrensschritte in der Vorrichtung bevorzugt vollautomatisch ablaufen. Hierzu werden zunächst der Objekttisch 14 und das Objektiv in eine Startposition gefahren. Dies wird vorteilhafterweise mittels des Piezo- und Tischsteuerungssystem (18, 21) über einen Computer durchgeführt.FIG. 14 shows the basic procedure of the examination of an object 10 with an electromechanically controlled object table 14 and a piezo-controlled lens 12 using a flowchart. After the start of the method 30 and a rough presetting of the lens distance from the object, the further course of the method steps in the device can preferably be carried out fully automatically. For this purpose, the stage 14 and the lens are first moved into a starting position. This is advantageously carried out by means of the piezo and table control system (18, 21) via a computer.
In drei Steuerschleifen wird nun der Tisch 14 schrittweise über einen definierten x-y-z-Bereich bewegt. Die erste Steuerschleife ist über die Abfrage 50 definiert, in der geprüft wird, ob der Tisch 14 die Endposition in y-Richtung erreicht hat. Die zweite Steuerschleife ist über die Abfrage 54 definiert, in der geprüft wird, ob der Tisch 14 die Endposition in x-Richtung erreicht hat. Die dritte Steuerschleifen ist über die Abfrage 56 definiert, in der geprüft wird, ob das Objektiv seine Endposition erreicht hat. Befindet sich der Tisch 14 innerhalb manuell oder automatisch eingelernter x-y-Grenzen so wird der Tisch durch die Programmschleife um jeweils ein Bildfeld schrittweise weiterbewegt. Wie bei einem Schachbrettmuster wird so ein vorgegebener Scanbereich feldweise abgefahren.In three control loops, the table 14 is then moved step by step over a defined x-y-z range. The first control loop is defined via query 50, in which it is checked whether the table 14 has reached the end position in the y direction. The second control loop is defined via query 54, in which it is checked whether the table 14 has reached the end position in the x direction. The third control loop is defined via query 56, in which it is checked whether the lens has reached its end position. If the table 14 is within manually or automatically taught-in x-y limits, the table is moved step by step by one image field through the program loop. As with a checkerboard pattern, a given scan area is scanned field by field.
In jeder neu angefahrenen x-y-Position des Tisches wird nun ein Bildstapel in z-Richtung aufgenommen.In each newly approached x-y position of the table, an image stack is now recorded in the z direction.
Man erreicht dies in der dritten Steuerschleife, in der im Schritt 36 das Bild aufgenommen und anschließend die neue Fokusebene über die Verschiebung des das Objektivs 10 im Schritt 38 um den Wert Δz, verändert wird. Die Bilder werden in Schritt 36 mit einer analogen oder digitalen Kamera aufgezeichnet und zwischengespeichert. In n Schritten wird so die Fokusebene durch das Objekt 12 geführt und der gewünschte Bildstapel wird aufgenommen.This is achieved in the third control loop, in which the image is recorded in step 36 and then the new focal plane is changed by shifting the lens 10 in step 38 by the value Δz. The images are recorded in step 36 with an analog or digital camera and cached. The focal plane is guided through the object 12 in n steps and the desired image stack is recorded.
Nachdem ein Fokusbildstapel aufgezeichnet wurde wird das Objektiv im Schritt 48 in seine z- Startposition zurückgeführt. Im Schritt 58 wird der Objekt- tisch 14 um ein Bildfeld in der x-y-Ebene weitergesteuert und ein weiterer Fokusbildstapel wird nach obigem Verfahren mit dem Piezoobjektiv aufgezeichnet.After a focus image stack has been recorded, the lens is returned to its z start position in step 48. In step 58, the stage 14 is steered further by an image field in the x-y plane and a further stack of focus images is recorded with the piezo lens according to the above method.
Nachdem alle Bilder so aufgenommen und gespeichert wurden, wird in Schritt 52 für jede der Fokusebenen, bevorzugt automatisch, ein Mosaikbild erstellt. Dieses Mosaikbild entsteht durch das Aneinandersetzen der in einer Fokusebene aufgezeichneten Bilder, also der Bilder, die in einer Fokusebene innerhalb eines vordefinierten x-y-Bereiches aufgezeichnet wurden. Die Mosaikbilder werden durch bekannte Verfahren wie bildüberlappende Zusammensetzungsverfahren (Autokorrelation) oder touchierende Zusammensetzverfahren erstellt. Da die Mosaikbilder für alle Fokusebenen erzeugt werden, entsteht ein Mosaikbildstapel, der alle Bilder der Fokusebenen repräsentiert.After all the images have been recorded and stored in this way, a mosaic image is created in step 52, preferably automatically, for each of the focus planes. This mosaic image is created by juxtaposing the images recorded in a focal plane, that is, the images that were recorded in a focal plane within a predefined x-y range. The mosaic images are created by known methods such as image-overlapping composition methods (autocorrelation) or touching composition methods. Since the mosaic images are generated for all focal planes, a mosaic image stack is created that represents all images of the focal planes.
Durch die möglichen kleinen Auslenkungen des Objektiv-Piezoaktors sind sehr kleine Abstände zwischen den einzelnen Fokusebenen erreichbar. Diese Eigenschaft erlaubt es, auch mit hochauflösenden Objektiven, d. h. mit Objek- tiven kleiner Schärfentiefe zu arbeiten und sehr feine topologische Details einer mikroskopischen Objektes sichtbar zu machen.Due to the possible small deflections of the lens piezo actuator, very small distances between the individual focal planes can be achieved. This property allows you to use high-resolution lenses, e.g. H. To work with lenses with a shallow depth of field and to make very fine topological details of a microscopic object visible.
Im Schritt 40 entsteht dann durch das Zusammensetzen aller Bildmosaike, d. h. also vieler Einzelbilder, in x-y-Richtung ein, sowohl in z-Richtung vollständig scharfes Bild als auch in x-y-Richtung, höchstaufgelöstes Bild. Im 3-dimensionalen Raum kann die Auflösung als sogenannte Voxelauflösung definiert werden. Ein Voxel ist dabei ein Volumenelement, das Pixel in 3 Raumrichtungen aufweist. Bei einer Voxelauflösung von z.B. 1 μm Kantenlänge eines Bildpixels entsteht somit in x, y, z eine Auflösung von 25400 dpi, was im Rahmen dieser Darstellungen als „höchstauflösend" angesehen werden soll. Wie in Fig. 15 gezeigt, kann nach dem Erzeugen des Multifokusbildes auch bei diesem Verfahren eine Entfaltung des Multifokusbildes mit dem Apparateprofil des Aufnahmesystems in Schritt 41 erfolgen, um die Bildschärfe in z- Richtung weiter zu verbessern. Ebenso ist es möglich, wie in Fig. 16 gezeigt, bereits vor dem Erzeugen des Multifokusbildes in Schritt 40 alle x-y-Mosaikbilder mit dem Apparateprofil des Aufnahmesystems in Schritt 39 zu entfalten. Dieses Verfahren ist, wie bereits gesagt, zwar zeitintensiver, führt aber zu einem nochmals im Hinblick auf die Schärfe des Bildes verbesserten Multifokusbild. Eine Entfaltung der Mosaikeinzelbilder entsprechend dem in Fig. 16 beschriebenem Verfahren mit anschließender Multifokusbilderzeugung führt demnach zu einem genaueren Multifokus-Mosaikbild. Allerdings ist der Rechenaufwand erheblich, da jedes Mosaikbild des Stapels entfaltet werden muss.In step 40, the composition of all the image mosaics, that is to say many individual images, creates a highly resolved image in the xy direction, both a completely sharp image in the z direction and an xy direction. In 3-dimensional space, the resolution can be defined as a so-called voxel resolution. A voxel is a volume element that has pixels in 3 spatial directions. With a voxel resolution of, for example, 1 μm edge length of an image pixel, a resolution of 25400 dpi arises in x, y, z, which in the context of these representations should be regarded as “extremely high resolution”. As shown in FIG. 15, after the multifocus image has been generated, the multifocus image can also be unfolded with the apparatus profile of the recording system in step 41 in order to further improve the image sharpness in the z direction. It is also possible, as shown in FIG. 16, to unfold all the xy-mosaic images with the apparatus profile of the recording system in step 39 even before the multifocus image is generated in step 40. As already mentioned, this method is time-consuming, but it leads to a multifocus image which is again improved with regard to the sharpness of the image. An unfolding of the individual mosaic images in accordance with the method described in FIG. 16 with subsequent multifocus image generation accordingly leads to a more precise multifocus mosaic image. However, the computational effort is considerable since each mosaic picture of the stack has to be unfolded.
Demgegenüber kann eine Entfaltung des bereits erstellten Multifokusbildes, entsprechend dem in Fig. 15 dargestellten Verfahren, aus den Original- Mosaikbilddaten (nicht entfaltete Mosaikbilder) wesentlich schneller berechnet werden. Die schnellste Berechnung erfolgt bei Weglassen einer Entfaltung der Originalmosaikbilder wie im Verfahren nach Figur 14 beschrieben. Durch die direkte Berechnung eines Multifokusbildes aus den zuvor erstellten Mosaikbil- dem erreicht man die höchste Geschwindigkeit der hier vorgestellten Ausführungsvarianten. Welche dieser Verfahrensvarianten gewählt wird, kann der Anwender anhand des von ihm gewünschten Ergebnisses frei wählen.In contrast, a deconvolution of the multifocus image already created, in accordance with the method shown in FIG. 15, can be calculated much more quickly from the original mosaic image data (undeveloped mosaic images). The fastest calculation is carried out if the original mosaic images are omitted as described in the method according to FIG. 14. By directly calculating a multifocus image from the previously created mosaic images, the highest speed of the design variants presented here is achieved. The user can freely choose which of these process variants is selected based on the desired result.
Beim Einsatz der in Fig. 13 beschriebenen Vorrichtung mit einem elektromechanisch verstellbaren Tisch 14 kann die Auflösung in z-Richtung noch weiter erhöht werden. Hierzu erfolgt die Einstellung des Abstandes des Objektives 10 von dem Objekt 12 aus einer geeigneten Kombination der Δz, des Objektives 10 und Δz2 des Tisches 14. In den Fig. 17-19 ist dieser Verfahrensablauf jeweils für ein Verfahren ohne Entfaltung (Fig. 17), ein Verfahren mit Entfaltung des Multifokusbildes (Fig. 18) und ein Verfahren mit Entfaltung der Ein- zelbilder (Fi. 19) gezeigt.When using the device described in FIG. 13 with an electromechanically adjustable table 14, the resolution in the z direction can be increased even further. For this purpose, the distance between the objective 10 and the object 12 is adjusted from a suitable combination of the Δz, the objective 10 and the Δz 2 of the table 14. In FIGS. 17-19, this process sequence is in each case for a method without unfolding (FIG. 17 ), a method with unfolding of the multifocus image (FIG. 18) and a method with unfolding of the individual images (FIG. 19) are shown.
Alle Verfahren zeichnen sich nun dadurch aus, dass in Schritt 66 zusätzlich geprüft wird, ob die Endposition des Scanbereiches Δz2 des Tisches 14 er- reicht ist. Entsprechend ist dann auch der zusätzliche Schritt 69 erforderlich, in dem der Objekttisch 14 in eine neue Position gefahren wird. Außerdem ist in den übrigen Schleifen das Zurückfahren des Tisches in seine Startposition erforderlich, was in den Schritten 70 und 72 durchgeführt wird. Bei dieser Ver- fahrensweise können also ein tiefenscharfes Bild und ein 3-dimensionales Oberflächenprofil dieses Bildes durch gleichzeitige Verwendung eines normalen Objekttisches in x-y-z-Richtung und eines piezogesteuerten Objektives in z-Richtung erzeugt werden. Hiermit kann bei höchster Auflösung in z- Richtung ein wesentlich größerer z-Bereich erfasst werden. In Fig. 17 ist die prinzipielle Verfahrensweise anhand eines Ablaufplanes dargestellt. Nachdem eine grobe Voreinstellung des Abstandes des Objektives 10 vom Objekt 12 durchgeführt worden ist, können die weiteren Verfahrensschritte automatisch durchgeführt werden. Das Objekt 10 und der elektromechanisch steuerbare Objektträgertisch 14 werden mittels der Piezo- Steuerungseinrichtung 18 und des Tischsteuerungssystems 21 bevorzugt über einen Computer in eine Startposition gefahren. In drei Steuerschleifen, die durch die Abfrageschritte 50, 54 und 66 definiert sind, wird nun der Tisch 14 schrittweise über einen definierten x-y-z-Bereich bewegt. Die erste Steuerschleife wird durch die Abfrage 50 ausgelöst und prüft jeweils die Tischpositi- on in x-y-Richtung.All of the methods are now characterized in that an additional check is carried out in step 66 to determine whether the end position of the scanning area Δz 2 of the table 14 is enough. Accordingly, the additional step 69 is then also necessary, in which the object table 14 is moved into a new position. In addition, returning the table to its starting position is required in the remaining loops, which is carried out in steps 70 and 72. With this procedure, therefore, a depth-of-field image and a 3-dimensional surface profile of this image can be generated by simultaneously using a normal object table in the xyz direction and a piezo-controlled lens in the z direction. This enables a much larger z range to be recorded with the highest resolution in the z direction. 17 shows the basic procedure using a flow chart. After a rough presetting of the distance of the objective 10 from the object 12 has been carried out, the further method steps can be carried out automatically. The object 10 and the electromechanically controllable specimen stage 14 are preferably moved to a starting position by means of the piezo control device 18 and the table control system 21 via a computer. In three control loops, which are defined by the query steps 50, 54 and 66, the table 14 is now moved step by step over a defined xyz range. The first control loop is triggered by query 50 and checks the table position in the xy direction.
Befindet sich der Tisch innerhalb manuell oder automatisch eingelernter x-y- Grenzen, so wird der Tisch 14 durch die Programmschleife um jeweils ein Bildfeld schrittweise weiterbewegt. Wie bei einem Schachbrettmuster wird so ein vorgegebener Abtastbereich feldweise abgefahren. In jeder neu angefah- renen x-y-Position des Tisches wird nun ein Bildstapel in z-Richtung aufgenommen. Dies wird durch die Steuerschleife durchgeführt, die im Schritt 56 prüft, ob die Endposition des Verstellweges des Objektiv-Piezoaktors erreicht ist. Solange dieser nicht erreicht ist, wird im Schritt 36 ein Bild aufgenommen, gespeichert und im Schritt 38 die Position des Objektives über den Objektiv- Piezoaktor um Δzi verändert. Dieses Verfahren kann anhand des folgenden Beispiels verdeutlicht werden: Nach dem Start des Verfahrens wird in der durch den Schritt 56 definierten Steuerschleife nun das Objektiv durch den Objektiv-Piezoaktor in Δzi Schritten in verschiedene Abstände vom Objekt gesteuert. Ist das Objektiv in seiner Endposition angekommen so wird es einen Gesamtweg von n * Δz, = N zurückgelegt haben. Nun wird das Objektiv im Schritt 68 über den Objektiv- Piezoaktor zurück in seine Startposition gesteuert. Ferner wird der Tisch 14 um den Wert der vorherigen Objektivgesamtauslenkung - Δz2 = N + Δz-i verschoben.If the table is within manually or automatically taught-in xy limits, the table 14 is moved step by step by one image field through the program loop. As with a checkerboard pattern, a given scanning area is traversed field by field. An image stack in the z direction is now recorded in each newly approached xy position of the table. This is carried out by the control loop, which checks in step 56 whether the end position of the adjustment path of the objective piezo actuator has been reached. As long as this has not been reached, an image is recorded in step 36, stored and in step 38 the position of the objective is changed by Δzi via the objective piezo actuator. This procedure can be illustrated using the following example: After the start of the method, in the control loop defined by step 56, the objective is now controlled by the objective piezo actuator in Δzi steps at different distances from the object. If the lens has reached its end position, it will have covered a total distance of n * Δz, = N. Now in step 68 the lens is controlled via the lens piezo actuator back to its starting position. Furthermore, the table 14 is shifted by the value of the previous total lens deflection - Δz 2 = N + Δz-i.
Nun wiederholt sich die Steuerschleife und es wird erneut über einen Gesamtweg von n * ΔZi = N schrittweise verschoben. Ist seine maximale Auslenkposition erreicht, so kehrt das Objektiv 10 wiederum zurück in seine Startposition und der Tisch 14 wird um den Weg der neuerlichen Objektivgesamtbewegung um - Δz2 = N + Δz, relativ zur aktuellen Tischposition verschoben.The control loop is now repeated and it is shifted again step by step over a total path of n * ΔZi = N. If its maximum deflection position has been reached, the lens 10 returns to its starting position and the table 14 is displaced relative to the current table position by the path of the new total lens movement by - Δz 2 = N + Δz.
Durch Wiederholen dieser Objektivbewegung und Tischbewegung kann ein wesentlich größerer Bereich des Objektes höchstauflösend - da Piezos sehr kleine Verschiebungen realisieren können - abgescannt werden. In jeder durch die Objektivverschiebung Δzi erreichten Fokusebene wird ein Bild mit einer analogen oder digitalen Kamera aufgezeichnet und zunächst gespeichert (im RAM, auf der Festplatte etc.).By repeating this lens movement and table movement, a much larger area of the object can be scanned with high resolution - since piezos can realize very small displacements. In each focal plane reached by the lens shift Δzi, an image is recorded with an analog or digital camera and initially saved (in RAM, on the hard disk, etc.).
Konkret ergibt sich beispielsweise für die folgende Objektiv- und Tischsteuerfolge für n(Objektiv) = 3 und m (Tisch) = 3 ein Verfahrensablauf, wie er in der folgenden Tabelle dargestellt ist.Specifically, for the following lens and table control sequence for n (lens) = 3 and m (table) = 3, there is a procedure as shown in the following table.
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000024_0001
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Wie ersichtlich, kann durch eine gezielte alternierende Bewegungsabfolge von Objektiv 10 und Tisch 14 mittels einer piezogesteuerten VerStelleinrichtung 16, 18 am Objektiv und der Positionssteuerung 21 des Tisches 14 ein wesentlich größeren Scanbereich mit hoher Auflösung überdeckt werden. Daraus ergibt sich ein Gesamtabstand, der mit diesem Verfahren überstrichen werden kann zu:As can be seen, a much larger scan area can be covered with a high resolution by means of a piezo-controlled adjusting device 16, 18 on the lens and the position control 21 of the table 14 by means of a targeted alternating movement sequence of the lens 10 and the table 14. This results in an overall distance that can be covered with this method to:
Δ z(Gesamt) = Δz, - (m + 1) * (n + 1) * Δz, [μm] dabei istΔ z (total) = Δz, - (m + 1) * (n + 1) * Δz, [μm]
m = Anzahl der Schritte des Tisch/Objekt Steuersystems (elektromechanisch) n = Anzahl der Schritte des Objektiv Piezo Systems Δz1 = Schrittabstand des Objektivpiezos (z.B. 1 μm)m = number of steps of the table / object control system (electromechanical) n = number of steps of the lens piezo system Δz1 = step distance of the lens piezo (e.g. 1 μm)
Nachdem ein Fokusbildstapel nach besagtem Zusammenspiel zwischen Tisch- und Objektivbewegung aufgezeichnet wurde, kehrt das Piezoobjektiv 10 im Schritt in seine z-Startposition zurück. Der Tisch 14 wird um ein Bildfeld in der x-y-Ebene weitergesteuert und ein weiterer Fokusbildstapel wird nach obigem Verfahren mit dem Piezoobjektiv aufgezeichnet.After a focus image stack has been recorded after said interaction between table and lens movement, the piezo lens 10 returns to its z-start position in the step. The table 14 becomes an image field controlled further in the xy plane and a further focus image stack is recorded with the piezo lens according to the above method.
Sobald alle Bilder eingescannt wurden, wird für jede gescannte z-Ebene im Schritt 52 das Mosaikbild erzeugt, wobei dieser Schritt bevorzugt von einem speziellen Programm zunächst automatisch durchgeführt wird. Auf diese Weise entsteht für jede Fokusebene ein Mosaikbild. Im Schritt 40 wird dann wieder ein Multifokusbild erzeugt.As soon as all the images have been scanned, the mosaic image is generated for each scanned z-plane in step 52, this step preferably being carried out automatically by a special program first. In this way, a mosaic image is created for each focus level. A multifocus image is then generated again in step 40.
Zur Verbesserung der Bildqualität kann wiederum, wie in Fig. 18 gezeigt, nach dem Erzeugen des Multifokusbildes auch bei diesem Verfahren eineTo improve the image quality, once again, as shown in FIG. 18, one can also use this method after generating the multifocus image
Entfaltung des Multifokusbildes mit dem Apparateprofil des Aufnahmesystems in Schritt 41 erfolgen, um die Bildschärfe in z-Richtung weiter zu verbessern.Unfold the multifocus image with the apparatus profile of the recording system in step 41 in order to further improve the image sharpness in the z direction.
Ebenso ist es möglich, wie in Fig. 19 gezeigt, bereits vor dem Erzeugen des Multifokusbildes in Schritt 40 alle x,y-Mosaikbilder mit dem Apparateprofil des Aufnahmesystems in Schritt 39 zu entfalten. Dieses Verfahren ist, wie bereits gesagt, zwar zeitintensiver, führt aber zu einem nochmals im Hinblick auf die Schärfe des Bildes verbesserten Multifokusbild.It is also possible, as shown in FIG. 19, to unfold all x, y mosaic images with the apparatus profile of the recording system in step 39 before the multifocus image is generated in step 40. As already mentioned, this method is time-consuming, but it leads to a multifocus image which is again improved with regard to the sharpness of the image.
Ein einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird einen Piezoaktor 16 mit einer zugehörigen Steuerung 18 am Objektiv 10 und ein Piezoaktor 22 mit einer zugehörigen Steuerung 20 am Tisch 14 angeordnet. Der Tisch 14 ist darüber hinaus mit einer elektromechanische Steuerung gekoppelt, um eine Bewegung des Objekttisches in x-, y-, und z-Richtung bereitzustellen. In einer schematischen Darstellung ist diese Konstellation in Figur 20 gezeigt.In a further embodiment of the invention, a piezo actuator 16 with an associated control 18 is arranged on the objective 10 and a piezo actuator 22 with an associated control 20 on the table 14. The table 14 is also coupled to an electromechanical controller to provide movement of the stage in the x, y, and z directions. This constellation is shown in a schematic representation in FIG.
Somit sind nun für die Einstellung des Abstandes des Objektives 10 vom Ob- jekt 12, also für die gesamt mögliche z - Verschiebung folgende drei Verstell- glieder vorhanden :Thus the following three adjustment elements are now available for setting the distance of the objective 10 from the object 12, that is to say for the total possible z displacement:
1. elektromechanisch Tisch: Δz2 1.electromechanical table: Δz 2
2. Tisch-Piezoaktor Δz3 2.Table piezo actuator Δz 3
3. Objektiv-Piezoaktor Δz, Für die Verstellung des Objekttische in x- und y-Richtung sind zwei Verstell- glieder vorhanden:3. Objective piezo actuator Δz, There are two adjustment elements for adjusting the stage in the x and y directions:
1. elektromechanisch Tisch Δx2; Δy2 1. electromechanical table Δx 2 ; Δy 2
2. Tisch-Piezoaktor Δx3; Δy3 Durch die Möglichkeiten der Piezokombination kann ein Fein-Scanbereich erreicht werden, der durch den Verstellbereich definiert ist, den die beiden Piezoaktoren abdecken.2. table piezo actuator Δx 3 ; Δy 3 The possibilities of the piezo combination enable a fine scan range to be achieved which is defined by the adjustment range covered by the two piezo actuators.
Entsprechend dem nun zusätzlich zur Einstellung des Abstandes des Objektives 10 von dem Objekt 12 zur Verfügung stehenden Verstellweges Δz3 wer- den die bislang beschriebenen Verfahren um eine weitere Steuerschleife erweitert. Dieses Verfahren ist in Fig. 21 anhand eines Ablaufdiagramms dargestellt. Hierzu wird in Schritt 76 abgeprüft, ob die Endposition des Objekttisch- Piezoaktors bereits erreicht ist. Abhängig von diesem Ergebnis wird entweder in Schritt 36 das aktuelle Bild oder das Objektiv 10 und der Tischpiezo 22 um Schritt 78 und 80 in ihre neue Position gefahren. Zusätzlich werden in denIn accordance with the adjustment path Δz 3 now available in addition to adjusting the distance of the objective 10 from the object 12, the methods described so far are expanded by a further control loop. This method is shown in FIG. 21 using a flow chart. For this purpose, it is checked in step 76 whether the end position of the object stage piezo actuator has already been reached. Depending on this result, either the current image or the lens 10 and the table piezo 22 are moved to their new position by step 78 and 80 in step 36. In addition, in the
Gesamtablauf auch die Schritte 82, 84 und 86 aufgenommen, in denen jeweils der Tischpiezo 22 in seine Startposition zurückgefahren wirdThe overall sequence also includes steps 82, 84 and 86, in each of which the table piezo 22 is moved back to its starting position
Grundsätzlich entspricht das Scanprinzip dem bereits im Zusammenhang mit Fig. 11 beschriebenen, bei dem ebenfalls ein Objektiv-Piezoaktor 16 und ein Tisch-Piezoaktor 22 eingesetzt werden. Hier kann ein sehr präzises, hochaufgelöstes und schnelles Erfassen der einzelnen Bildebenen zur Rekonstruktion eines 3-dimensionalen Oberflächenabbildes und eines höchstaufgelösten Bildes erfolgen. Durch den zusätzlichen Einsatz eines elektromechanischen, in den drei Raumrichtungen x, y, z verstellbaren Tisches 14 lässt sich das Ver- fahren gemäß Fig. 11 in vorteilhafter Weise mit dem Verfahren gemäß Fig. 17 kombinieren. Sowohl der Grob- als auch der Feinbereich lassen sich so abstimmen, dass durch ein geeignetes Bewegungsmaß des elektromagnetischen Tisches in z-Richtung ein nahtloses Aneinanderfügen der Feinscanbereiche realisiert wird. Somit erlaubt die Kombination beider Ausführungsbei- spiele eine wesentliche Erhöhung des in z-Richtung verfügbaren Feinscanbereiches. Wie in Fig. 21 schematisch dargestellt, kann nach jeder x-y-Verschiebung des elektromechanischen Mikroskoptisches 14, die exakte Wunschposition mittels des Tischpiezos 22 fein eingestellt werden. Dies gelingt durch einen in x und y geeignet wirkenden Offset der Position des Objektes12 durch den Tischpiezo 22, nachdem die neue x-y-Position des Objektes durch den elektromechanischen Tisch 14 voreingestellt wurde.Basically, the scanning principle corresponds to that already described in connection with FIG. 11, in which a lens piezo actuator 16 and a table piezo actuator 22 are also used. A very precise, high-resolution and fast acquisition of the individual image planes for the reconstruction of a 3-dimensional surface image and a high-resolution image can take place here. Through the additional use of an electromechanical table 14 which can be adjusted in the three spatial directions x, y, z, the method according to FIG. 11 can be advantageously combined with the method according to FIG. 17. Both the coarse and the fine range can be coordinated in such a way that the fine scanning areas can be seamlessly joined together by a suitable degree of movement of the electromagnetic table in the z direction. The combination of the two exemplary embodiments thus allows a substantial increase in the fine scanning range available in the z direction. As shown schematically in FIG. 21, after each xy shift of the electromechanical microscope table 14, the exact desired position can be finely adjusted by means of the table piezo 22. This is achieved by an offset of the position of the object 12 by the table piezo 22 which is suitable in x and y, after the new xy position of the object has been preset by the electromechanical table 14.
Diese erlaubt es, bei der Bildmosaikerstellung auf die Berechnung des Überlappbereiches benachbarter Bilder verzichten, da sich die einzelnen, zum Mosaik beitragenden Einzelbilder so genau anfahren lassen, dass benachbarte Bilder sich pixelgenau berühren. Somit können die Mosaikeinzelbilder im Berührungsverfahren, dem sogenannten touche-Verfahren aneinandergesetzt werden. Dieses Verfahren zur Mosaikerstellung ist das derzeit schnellste und robusteste Verfahren, da die das Bildmosaik bestimmenden Qualitätsfaktoren ausschließlich von der genauen Positionierung des Objektes12 abhängen. Diese gelingt über eine exakte elektromechanische Positionierung des Tisches 14 und die genaue Ansteuerung des Tischpiezo 14 in x-y- und z- Richtung. Somit muss keine Bildanalyse zur Berechnung des Überlappbereiches benachbarter Bilder erfolgen. Durch Wegfall der Notwendigkeit dieses zeitaufwendigen Autokorrelationsverfahrens wird neben Robustheit und Bild- inhalts - Unabhängigkeit ferner eine hohe Geschwindigkeit erreicht und es können schnell veränderliche Prozesse an mikroskopischen Oberflächen hochauflösend erfasst werden. This makes it possible to dispense with the calculation of the overlap area of adjacent images when creating the image mosaic, since the individual individual images contributing to the mosaic can be approached so precisely that adjacent images touch one another with pixel accuracy. Thus, the individual mosaic images can be put together using the touch method, the so-called touche method. This method of creating a mosaic is currently the fastest and most robust, since the quality factors determining the image mosaic depend exclusively on the exact positioning of the object12. This is achieved by an exact electromechanical positioning of the table 14 and the precise control of the table piezo 14 in the xy and z directions. This means that there is no need for an image analysis to calculate the overlap area of adjacent images. By eliminating the need for this time-consuming autocorrelation process, in addition to robustness and image content independence, a high speed is also achieved and rapidly changing processes on microscopic surfaces can be recorded with high resolution.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Objektiv Objekt Objekttisch Dem Objektiv zugewandte Oberfläche des Objekttisches Objektiv-Piezoaktor Dem Objektiv abgewandte Oberfläche des Objekttisches Piezosteuereinrichtung Piezosteuereinrichtung elektromechanische Verschiebesteuerung Objekttisch-Piezoaktor Start des Verfahrens Anfahren der Startposition Entscheidung „Endposition erreicht?" Bild holen und speichern Verschiebung des Objekttisch-Piezoaktors Δz Verschiebung des Objektivs Entfalten der Einzelbilder Erzeugen des Multifokusbildes Entfalten des Multifokusbildes Ergebnis speichern Ende des Verfahrens Entscheidung „Endposition Objektivpiezo erreicht?" fahre Objektiv in Startposition 50 Entscheidung „Endposition des Tisches in y-Richtung erreicht?" 52 Erzeuge BildmosaikObjective Object Objective Surface of the object table facing the objective Objective piezo actuator Surface of the object table facing away from the objective Piezo control device Piezo control device Electromechanical displacement control Object table piezo actuator Start of the procedure Approaching the starting position Decision "End position reached?" Unfolding the individual images Generating the multi-focus image Unfolding the multi-focus image Saving the result End of the procedure Decision "End position objective piezo reached?" move the lens to the start position 50 Decision "End position of the table in the y direction reached?" 52 Generate picture mosaic
54 Entscheidung „Endposition des Tisches in x-Richtung erreicht?" 56 Entscheidung „Objektivpiezo Entposition erreicht?" 58 fahre Tisch in nächste x-Position54 Decision "End position of the table in the x-direction reached?" 56 Decision "Objective piezo deposition reached?" 58 move the table to the next x position
60 verfahre Objektiv zurück in Startposition 62 fahre Tisch in x-Startposition zurück 64 fahre Tisch in nächste y-Position 66 Entscheidung „Endposition Tisch in z-Richtung erreicht?" 68 verfahre Objektiv zurück in Startposition60 move lens back to start position 62 move table back to x start position 64 move table to next y position 66 decision "end position table in z direction reached?" 68 move lens back to start position
69 verfahre Tisch in nächste z-Position69 move the table to the next z position
70 verfahre Tisch zurück in z-Startposition 72 verfahre Tisch zurück in z-Startposition 74 Feinjustage x, y-Richtung 76 Entscheidung „Endposition Tisch in z-Richtung erreicht?"70 move table back to z-start position 72 move table back to z-start position 74 fine adjustment x, y-direction 76 decision "end position table in z-direction reached?"
78 verfahre Objektiv zurück in Startposition78 Move lens back to start position
80 verfahre Tischpiezo in die nächste z-Position80 move table piezo to the next z position
82 verfahre Tischpiezo zurück in Startposition82 move the table piezo back to the starting position
84 verfahre Tischpiezo zurück in Startposition 86 verfahre Tischpiezo zurück in Startposition d Abstand Objektiv/Objekt84 move table pie back to start position 86 move table pie back to start position d distance lens / object
Δx Verschiebung in z-RichtungΔx shift in the z direction
Δy Verschiebung in z-RichtungΔy shift in the z direction
Δz Verschiebung in z-Richtung Δz displacement in the z direction

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektes (12) mit einem Objektiv (10), einem Objekttisch (14) zur Aufnahme des Objektes (12) und einer Bildaufnahmevorrichtung zum Aufzeichnen einer Serie von Einzelbildern des Objektes (12) in verschiedenen Ebenen, dadurch gekennzeichnet, dass eine piezogesteuerte Einrichtung (16,22) zur Einstellung des Abstandes des Objektives (10) vom Objekt (12) und weiterhin eine Einrichtung zur Erzeugung eines Multifocusbildes aus der Serie von Ein- zelbildern vorgesehen ist.1. Device for the optical examination of an object (12) with a lens (10), an object table (14) for receiving the object (12) and an image recording device for recording a series of individual images of the object (12) in different planes, characterized that a piezo-controlled device (16, 22) for setting the distance of the objective (10) from the object (12) and also a device for generating a multifocus image from the series of individual images is provided.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezogesteuerte Einrichtung (16) mit dem Objektiv (10) gekoppelt ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the piezo-controlled device (16) is coupled to the lens (10).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die piezogesteuerte Einrichtung (22) mit dem Objekttisch (14) gekoppelt ist.3. Device according to claim 1, characterized in that the piezo-controlled device (22) is coupled to the object table (14).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere piezogesteuerte Einrichtung (22) mit dem Objekttisch (14) gekop- pelt ist.4. The device according to claim 2, characterized in that a further piezo-controlled device (22) is coupled to the object table (14).
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezoaktor (22) auf dem Objekttisch (14) so aufgebracht ist, dass das Objekt (12) auf dem Piezoaktor (22) ablegbar ist. 5. The device according to claim 3 or 4, characterized in that a piezo actuator (22) is applied to the object table (14) so that the object (12) on the piezo actuator (22) can be deposited.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Objekttisch (14) über eine elektromechanische Einsteilvorrichtung in x-, y- und z-Richtung bewegbar ist. Device according to one of claims 2-5, characterized in that the object table (14) can be moved in the x, y and z directions via an electromechanical adjusting device.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Entfalten des Multifokusbildes mit einer Apparatefunktion vorgesehen ist,7. Device according to one of claims 1-6, characterized in that a device for unfolding the multifocus image is provided with an apparatus function,
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Entfalten jedes der Einzelbilder der Serie mit einer Apparatefunktion vorgesehen ist.8. Device according to one of claims 1-6, characterized in that a device for unfolding each of the individual images of the series is provided with an apparatus function.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bildmosaiks vorgesehen ist.9. Device according to one of claims 6-8, characterized in that a device for generating an image mosaic is provided.
10. Verfahren zur Untersuchung eines Objektes (12) unter Verwendung eines Objektives (10) und einer Bildaufnahmeeinrichtung, wobei von dem Objekt (12) eine Serie von Einzelbildern mit der Bildaufnahmeein- richtung aufgenommen (36) wird, dadurch gekennzeichnet, dass die10. A method for examining an object (12) using an objective (10) and an image recording device, the object (12) recording (36) a series of individual images with the image recording device, characterized in that the
Lage der Fokusebene des Objektives (10) im Objekt (12) vor der Aufnahme eines Einzelbildes mit einer piezogesteuerten Einrichtung (16,22) eingestellt wird.The position of the focal plane of the objective (10) in the object (12) is set using a piezo-controlled device (16, 22) before taking a single image.
11. Verfahren zur Untersuchung eines Objektes (12) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen der Fokusebenen des Objektives (10) im Objekt (12) für jedes Einzelbild so eingestellt werden, dass sie zueinander äquidistant sind. 11. The method for examining an object (12) according to claim 10, characterized in that the positions of the focal planes of the objective (10) in the object (12) are set for each individual image so that they are equidistant from one another.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufnahme der Einzelbilder (36) oder nach der Aufnahme der Serie der Einzelbilder jedes der Einzelbilder mit einer Apparatefunktion der optischen Abbildungsvorrichtung entfaltet wird.12. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that after the recording of the individual images (36) or after the recording of the series of individual images, each of the individual images is unfolded with an apparatus function of the optical imaging device.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus jedem der Einzelbilder durch Extrahieren der Teilmenge der Bildbereiche mit hoher Detailschärfe ein Ergebnisbild ermittelt wird und in einem weiteren Schritt (40) die Vielzahl der Ergebnisbilder zu einem Multifokusbild kombiniert werden.13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that a result image is determined from each of the individual images by extracting the subset of the image areas with high detail sharpness and in a further step (40) the plurality of result images are combined to form a multifocus image.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifokusbild in einem Schritt (41) mit einer Apparatefunktion der optischen Abbildungsvorrichtung entfaltet und somit ein Multifokusbild mit erhöh- ter Detailschärfe erhalten wird.14. The method according to claim 13, characterized in that the multi-focus image unfolds in one step (41) with an apparatus function of the optical imaging device and thus a multi-focus image with increased detail sharpness is obtained.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des Abstandes des Objektes (12) vom Objektiv (10) ein am Objektiv angebrachter Piezoaktor (16) und ein am Objekt- tisch angebrachter Piezoaktor (22) von ihren jeweiligen Steuereinrichtungen (18, 20) so angesteuert werden, dass sich ihre Ausdehnung in z-Richtung ändert.15. The method according to any one of claims 10-14, characterized in that for adjusting the distance of the object (12) from the lens (10) a piezo actuator (16) attached to the lens and a piezo actuator (22) attached to the table of theirs respective control devices (18, 20) are controlled so that their extension changes in the z direction.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Posi- tionierung des Objektes (12) der Objekttisch (14) mit einer elektrome- chanischen Verschiebeeinrichtung in x,-y,- oder z-Richtung verschoben wird. 16. The method according to claim 15, characterized in that for the positioning of the object (12) the object table (14) is moved in the x, -y, - or z-direction with an electromechanical displacement device.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Fokusebene zunächst in einem ersten Schritt 52 aus den Einzelbildern zunächst ein Bildmosaik für diese Ebene erzeugt wird und jedes Bildmosaik in einem zweiten Schritt (40) zur Erzeugung eines Multifokusbildes verwendet wird.17. The method according to claim 16, characterized in that in each focal plane, in a first step 52, an image mosaic is first generated from the individual images for this level and each image mosaic is used in a second step (40) to generate a multifocus image.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bildmosaik vor der Erzeugung des Multifokusbildes mit der Apparatefunktion der optischen Abbildungsvorrichtung entfaltet wird.18. The method according to claim 17, characterized in that each image mosaic is unfolded with the apparatus function of the optical imaging device before the generation of the multifocus image.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das aus jedem Bildmosaik entstandene Multifokusbild mit dem Apparateprofil der optischen Abbildungsvorrichtung entfaltet und somit ein Multifokusbild mit erhöhter Detailschärfe erhalten wird. 19. The method according to claim 17, characterized in that the multifocus image created from each image mosaic unfolds with the apparatus profile of the optical imaging device and thus a multifocus image with increased detail sharpness is obtained.
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