fokus digitales Lichtmikroskop

Transkript

1 fokus digitales Lichtmikroskop

2 Gestaltung eines digitales Lichtmikroskop s Untersuchung eines digitalen Lichtmikroskop s in der Praxis, Vor-Ort-Termin im Hirnforschungszentrum der Universität Bremen. Eine digitale Kamera wurde an ein profesionelles Mikroskop angebracht.

3 Wer benutzt (digitale) Mikroskope? Mikroskope werden hauptsächlich in der Forschung, der Lehre und zur Diagnose in der Medizin verwendet. Digitale Mikroskope werden aufgrund ihres Preises und ihrer eingeschränkten Funktion derzeit nur im hochprofessionellen Bereich angewendet. Sie haben den Vorteil, dass Bilddaten fast zeitgleich (ohne Wartezeit wie bei analogen Kameras) weiter bearbeitet werden können. Auch können mehrere Personen gleichzeitig ein Bild durch das Mikroskop betrachten, was vorher nur mit Videoübertragung möglich war.

4 Der Standard der digitalen Mikroskopie ist momentan ein optisches Mikroskop das durch eine digitale Kamera erweitert wird. Hochwertige Mikroskope haben bereits eine vorbereitete Schnittstelle (meist ein Gewinde) für eine analoge, eine Video oder eine digitale Kamera. Es gibt auch digitale Kameras, die in die Okulare hineinschauen können wie das Auge. Mittels eines speziellen Aufsatzes werden diese befestigt oder stehen frei auf einem Stativ. Das vollautomatische Mikroskop ist eine Erweiterung des Standardmikroskopes, die Bedienung kann über EDV erfolgen, die Mechanik wird über Motoren gesteuert.

5 Okular Tubus Objektivrevolver Objektiv Objekttisch Objektführer Kondensor Lichtaustrittsöffnung Grob- und Feintrieb Stativfuss Wie funktioniert ein Mikroskop? Ein Mikroskop besteht aus einem System von Linsen (gewölbte Glasscheiben) die so angeordnet sind, so daß ein vergrößertes Abbild des Objektes das wir betrachten in unserem Auge abgebildet wird. Ein einfaches Mikroskop besteht im wesentlichen aus zwei Linsen, einem Objektiv mit einer kurzen Brennweite und einem Okular mit einer Vergrößerung, die etwa der einer Lupe entspricht. Das Objektiv hat die Aufgabe, ein vergrößertes reelles Zwischenbild zu erzeugen, das man dann mit dem Okular betrachten kann. Die Vergrößerung des Mikroskops ist wesentlich von der Vergrößerung des Objektivs und der Anordnung der Linsen abhängig. Spezialmikroskope arbeiten mit der Kombination mehrerer Einzellinsen, um noch höhere Vergrößerungen realisieren zu können und die Bildqualität zu verbessern.

6 CCD-Technik Das Herz jeder digitalen Kamera ist die CCD- Matrix. CCD = Charged Coupled Device. Auch in Scannern kommt diese Technik zum Einsatz. CCD-Scanner: Strahlengang für einen Bildpunkt: Kaltlichtlampe 1 belichtet die Vorlage. Spiegelsystem/Prisma 2 zerlegt reflektiertes Licht in Grundfarben Rot, Grün, Blau. Hochwertige Linse 3 projiziert Grundfarben auf CCD-Zeile 4. Vorteil: große Tiefenschärfe. Im CCD-Scanner beleuchtet eine Lampe die Vorlage, und ein Spiegelsystem (Prisma) zerlegt das reflektierte Licht in die Grundfarben Rot, Grün und Blau. Für jede Farbe enthält der CCD eine Sensorzeile, bestehend aus lichtempfindlichen Kondensatoren. Bei Lichteinfall geben diese die Ladung teilweise ab. Diese Ladungsänderungen setzen Analog-Digital-Wandler in Zahlenwerte um, die ein Computer weiterverarbeiten kann. *Quelle: chip.de

7 Produktsprache Handhabung Technik Das Produkt soll: - einen Standard-Objekt-Träger 76x26 mm (1mm dick + Deckglas 0.17 mm ) aufnehmen, dieser soll leicht in die richtige Position zu bringen sein und erschütterungsfrei im Gerät liegen - das Präparat bzw. die Abtasteinheit soll präzise zu bewegen sein - 1 bis 400-Fache Vergrößerungen des Präparates ermöglichen - Beleuchtung: Die komplette Fläche des Objektträgers soll ausgeleuchtet werden können, u.u. Lichtverschiebefunktion, für Auflicht- und Durchlichtbelichtung. - über einen USB-Anschluss verfügen, evtl. Firewire - bestenfalls auch 3 Dimensionale Bilder erzeugen können - aus möglichst wenig Teilen bestehen - blind und ausschließlich über EDV zu bedienen sein, elektr. Weiterbearbeitung - Messfunktionen integrieren: Größenverhältnisse, Winkel, Zeitrafferfunktion - Gruppenbetrachtungen zulassen - stabil stehen - leicht zu reinigen sein - wartungsarm oder leicht selbst zu warten sein - kompakt sein - übersichtliche Bedienelemente haben, übersichtliche Gesamterscheinung - sich möglichst selbst erklären - ein Zielgruppenorientiertes Aussehen haben: sachlich, professionell, technisch, präzise, modern, langlebig

8 Licht Licht nimmt in Mikroskopen sehr viel Platz in Anspruch. Teilweise nimmt das Licht den gleichen Weg wie der Strahlengang der Optik zum Auge bzw. zur Digitalkamera, was weitere Herausforderungen für die Entwicklung der Optik bedeutet. Darüber hinaus entwickelt die Beleuchtung viel Wärme, muss also oft ausserhalb des Mikroskops betrieben werden. Die Beleuchtung bzw. die Wartung ist teuer, die Lebenszeit verhältnissmässig kurz. Bei verschiedenen Anwendungen werden ausserdem verschiedene Farben benötigt, die mit Hilfe von Filtern erzeugt werden. Beim Einsatz von LEDs wird viel Platz gespart. LEDs sind sehr langlebig, erzeugen wenig Wärme, sind obendrein günstig im Stromverbrauch. Verschiedene Farben können mit verschieden Farbigen LEDs erzeugt werden. Die idealen LEDs haben eine extrem kleine Bauform (vgl. TFT-Matrix). Sie sind in der Lage dimmbare, additive Farbmischungen zu erzeugen. Die Runde Anneinanderreihung lässt auch eine aktive Verschaltung zu, damit können einzelne Teilbereiche des Ringes beleuchtet werden. Sie werden oberhalb und unterhalb des Objektträgers in einem Ring eng um den optischen Strahlengang angebracht. Z.B. für Hell- Dunkelmessungen sollte die Möglichkeit gegeben sein spezielle Filter in den Strahlengang zu geben.

9 Bedienung/Handhabung und Funktion Ein digitales Mikroskop erzeugt digitale Daten, die mit EDV weiter verarbeitet werden. Die Bedienung eines digitalen Mikroskops sollte deshalb ebenfalls Computergestützt geschehen. Die Aufnahme eines Objektträgers sollte klar definiert sein. Ausserdem wäre es sinnvoll die Optik auch auf Oberflächen setzen zu können um so eine Analyse von sehr grossen Objekten durchführen zu können. Dabei muss die Optik so kompakt gehalten werden, dass man den Optik-Einheit in einer Hand halten kann. Die Verbindung zur EDV erfolgt über USB. Die Stromversorgung des Mikroskops durch ein eingebautes Netzteil, durch sein Gewicht hat es positve Auswirkungen auf die Basis.

10 Optik Motoren auf Schlitten für linksrechts-bewegung CCD-Chip und optischer Strahl Motor für Teleoptik Optik Die starre Optik von Mikroskopen kann durch Teleoptik ersetzt werden (vgl. Keyence VHX-100). Damit der Objektträger nicht manuell verschoben werden muss wird die Optik auf Schlitten gelagert, die über die relevante Fläche des Objektträgers computergesteuert bewegt werden kann. Die ideale Optik hat eine Vergrösserung von So kann über eine spezielle Software zunächst die relevante Objektfläche eingesehen werden um dann Stufenlos in tiefere Bereiche zu zoomen. Die Optik sollte hermetisch verschlossen sein um Verunreinigungen zu vermeiden. Durch die Fokussteuerung und das Kontrollmanagement der EDV können auch 3-Dimensionale Daten generiert werden.

11 Schematischer Aufbau Motoren auf Schlitten für linksrechts-bewegung CCD-Chip und optischer Strahl Motor für Teleoptik Optik LED-Lichtringe Objektträger Induktiver Sensor Netzteil Steuereinheit Kabelraum Zum Einschalten des Gerätes wird das Mikroskop durch USB am Computer angeschlossen und dann mit dem Netz verbunden. Durch einlegen eines Objektträgers oder durch die Abnahme des Optik-Turms wird durch den induktiven Sensor ein Relais geschaltet, dass das Gerät in Betrieb nimmt. Der Umweg über das Relais sichert einen niedrigen Stromverbrauch im Stand-By-Betrieb. Beim Einschalten wird automatisch die Software gestartet und der angezeigte Ausschnitt entspricht der Vergrösserung 1:1.

12 Farben und Materialien Bei der Farbgebung sollte die gerade und nüchterne Form betont werden. Beim Material wird die Haptik durch Gummi verbessert. Gummi ist ausserdem recht unempfindlich gegenüber verschiedenster Einflüsse. Das Gehäuse könnte aus Aluminium oder Kunststoff hergestellt werden. Im Modellbau wurde das Gehäuse im Rapid- Prototyping-Verfahren hergestellt und zur besseren Stabilität und zur Befestigung der Buchsen in Kunstharz eingegossen. Darauf hin wurde das Gehäuse mehrmals mit Metallic-Lack lackiert und mit Gummi beklebt.

13 Das Modell

14 Das Modell Einlegen eines Objektträgers

15 Das Modell Abnehmen der Optik-Einheit

16 Das Modell Öffnen der Filterschublade

17 Das Modell...auf dem Schreibtisch

18 Alex Schaefer Angewandte Grundlagen: Medizintechnische Produkte Betreuung: Professor Rahe Hochschule für Künste, Bremen 2004.