EP0830587A1 - Vorrichtung zur optischen untersuchung von oberflächen - Google Patents

Vorrichtung zur optischen untersuchung von oberflächen

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Publication number
EP0830587A1
EP0830587A1 EP96917501A EP96917501A EP0830587A1 EP 0830587 A1 EP0830587 A1 EP 0830587A1 EP 96917501 A EP96917501 A EP 96917501A EP 96917501 A EP96917501 A EP 96917501A EP 0830587 A1 EP0830587 A1 EP 0830587A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
slide
line sensor
holder
spacer
lens system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP96917501A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bruno Traber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Roche Diagnostics GmbH
Original Assignee
Roche Diagnostics GmbH
Boehringer Mannheim GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Roche Diagnostics GmbH, Boehringer Mannheim GmbH filed Critical Roche Diagnostics GmbH
Publication of EP0830587A1 publication Critical patent/EP0830587A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G01N21/5907—Densitometers
    • G01N21/5911—Densitometers of the scanning type

Definitions

  • the invention relates to a device for the optical examination of surfaces, in particular specimen slides.
  • the device includes a tripod to which a slide holder is attached and a holder which is attached to the tripod via at least one spacer.
  • a line sensor in which a multiplicity of sensors are arranged in a row, and a lens system, which images an image of the specimen slide or a part of the specimen slide on the line sensor, are fastened to the holder mentioned.
  • the device also has an illumination device for illuminating the specimen slide and a drive for moving the holder substantially perpendicular to the row of sensors of the line sensor by bending, tilting or pivoting the at least one spacer.
  • Automatically operating devices for examining surfaces or object carriers are generally based on a video system in which an image of the surface is projected onto a two-dimensional CCD array.
  • Two-dimensional CCD arrays for use in video cameras have dropped significantly in price in recent years.
  • Such CCD arrays customary in the prior art are, however, only of limited suitability for use in microscopic analysis, since they have a relatively small number of sensors and furthermore have a relatively high rate of defective sensor elements. While the malfunction of individual pixels can be tolerated in inexpensive video cameras, these arrays are not very suitable for use in microscopic analysis.
  • CCD arrays with a sufficiently high resolution and very low pixel error rates are still very expensive and are therefore unsuitable for setting up a system for medical practices and smaller laboratories.
  • US Pat. No. 4,550,417 describes an apparatus for counting microparticles, in which an object slide is moved under a line sensor. For this purpose, the slide is clamped in a special holder, which in turn has a Linear actuator is moved.
  • the linear drive shown in Figure 4 consists of a synchronous motor which moves the sample holder against the force of a return spring at a constant speed.
  • the forces for holding the sample holder must be significantly greater than the frictional forces that occur when the sample holder is moved. Accordingly, the system described here is equipped with a very strong motor and correspondingly strong return springs.
  • Another disadvantage of this apparatus is that the sample is moved and thus acceleration forces of the drive and vibrations during transport of the sample carrier lead to a movement of the particles to be detected. This affects the reliability of the count and makes it difficult to identify or classify found particles using the sensor signals.
  • the apparatus described here uses a stationary light source to illuminate the sample holder. This is disadvantageous since the entire observed area must be illuminated homogeneously. Accordingly, the complex and energy-intensive lighting shown in Figure 3 is necessary. In order to avoid heating the sample by the light source, the light source is spatially separated from the sample and coupled in via a deflection mirror.
  • the object of the invention was to provide a simple and inexpensive system for the optical examination of surfaces, which works with a high resolution. It was also an object of the invention to propose a device which prevents the blurring of specimens located on slides. Another object of the present invention was to enable a line sensor to be transported precisely over a surface with a mechanically simple and inexpensive arrangement.
  • the present invention relates to a device for the optical examination of a specimen slide, including
  • a holder which is attached to the tripod via at least one spacer
  • a line sensor attached to the holder, in which a plurality of sensors are arranged in a row,
  • a lens system attached to the holder, which images an image of the slide or a part of the slide on the line sensor, a lighting device for illuminating the slide and
  • the device according to the invention is used for the optical examination of a slide.
  • an optical examination is to be understood as an examination in which radiation transmitted through the specimen slide or reflected by the specimen slide is evaluated.
  • the term optical is not to be understood as being restricted to visible light, but also includes radiation in the infrared and ultraviolet part of the spectrum.
  • Fluorescence measurements can also be carried out with the apparatus according to the invention.
  • the sample is first stained with a fluorescent dye, and the sample on the slide is illuminated with radiation that stimulates fluorescence.
  • specimen slide should be understood to mean, in particular, specimen slides as used in the prior art for the examination of liquid samples.
  • slides are also to be understood as diagnostic test elements in which a sample, usually a body fluid, is applied to the test element and a reaction of the sample with the test element is examined.
  • the present invention according to claims 1 and 4 is suitable for examining diagnostic test elements which are accessible to a transmission measurement.
  • test elements can also be evaluated which are essentially opaque to radiation.
  • devices according to the invention for evaluating diagnostic test elements are advantageous if the test elements deliver a measurement signal resolved in the plane, as is the case, for example, with chromatography test strips or test strips with closely adjacent different zones.
  • the slide on which the sample is located is stationary during the examination and is not moved, thereby avoiding vibrations of the slide and movements of the sample.
  • Dem- according to the device has a slide holder which is attached to a tripod.
  • the tripod is fixed in space during the measurement, but in principle it is portable.
  • the arrangement of line sensor, lens system and lighting is spatially fixed and the slide is moved.
  • the slide is located within a holder which is connected to the stand by means of a spacer.
  • the holder is moved essentially perpendicular to the row of sensors of the line sensor by bending, tilting or pivoting the at least one spacer.
  • the slide holder can be realized, for example, by the cross table of a conventional microscope. However, the holder is advantageously adapted to a specific type of slide used with the device according to the invention.
  • the slide holder is preferably designed such that a slide can be inserted into it and the slide is held and positioned in its intended position by stop edges.
  • the slide holder should also have a flat surface to support the slide and a pressure device for the slide to ensure that the evaluation zone of the slide is at a defined distance from the lens system of the device.
  • the slide holder can, for example, also have guide rails into which the slide is inserted, as a result of which a defined distance between the slide and the lens system is set.
  • a holder to which both a line sensor and a lens system are attached.
  • the holder is made of a rigid material to ensure a defined distance between the line sensor and the lens system.
  • the bracket in turn is attached to the tripod via at least one spacer.
  • This type of holder is an advantageous aspect of the invention, since it enables precise displacement of the holder and thus the arrangement of the line sensor and lens system in space with little mechanical effort. If the individual components are attached directly to the spacer, a separate bracket can also be dispensed with.
  • the at least one spacer is designed such that it can be bent, tilted or pivoted.
  • the spacer can be attached to the stand via a hinge, so that it can be moved about the hinge axis.
  • the hinge Axis is arranged so that the line sensor is pivoted in a plane that is parallel to the examination plane.
  • the hinge axis is arranged as perpendicular as possible to the examination plane.
  • the hinge should have as little play as possible and the spacer should be mechanically so stable that bending in the direction of the examination plane can be largely ruled out.
  • Hinges suitable according to the invention are, in addition to the usual hinges in which a pin engages in a sleeve or a rod is guided through bores in the stand and in the spacer, also the band and film hinges known from plastics technology.
  • an elastically bendable spacer is used, which is attached to the stand.
  • the bendability enables a movement of the end of the spacer facing away from the stand or of the holder attached to this end parallel to the examination plane. Bending of the spacer perpendicular to the examination plane is largely avoided by material rigidity of the spacer in this direction.
  • the spacer advantageously has an elasticity in the desired direction of bending, so that a bending that has occurred is reversible.
  • An elastically bendable spacer can consist, for example, of a leaf spring. Elastic steel plates or plastic plates are suitable as spring materials. The restoring force of the spacer can be adjusted via the length of the spacer, the thickness, the area and the material.
  • a plate is preferably chosen as the spacer, which, due to its width, adjusts the distance between the stand and the holder by several centimeters.
  • the length of the spacer is usually also several centimeters and is preferably longer than the distance from the line sensor and lens system. If the spacer is suitably fastened to the stand and holder, its length ensures that the holder is bent by bending the or the Spacers can be moved over the examination plane without the optical arrangement being tilted relative to the stand.
  • Spacers that withstand shear forces without bending can prevent a parallel displacement of the stand and the holder in the direction of the optical axis or even a tilting. If plate-shaped spacers are used, this can be ensured in a simple manner.
  • the above-mentioned properties of the spacers are important because the arrangement of the line sensor and lens system is at a constant distance from the plane of the object. carrier can be pivoted.
  • the line sensor and lens system can also be attached directly to the spacer. In this case, the spacer also takes over the function of the holder.
  • the holder is preferably fastened to the stand via two spacers spaced apart from one another.
  • the stand and the holder are moved in parallelogram fashion to one another. Tilting of the line sensor can be avoided by using two spacers. If spacers are used which are fastened to the stand by means of hinges, it is preferred if the mechanical connection of the spacers to the holder is likewise carried out via hinges. Also in the variant of the device with two spacers spaced apart from one another, elastically bendable spacers are preferred.
  • the stand, holder and 2 spacers together form a tower which is closed to the outside in 4 spatial directions, since this arrangement reduces the penetration of outside light into the examination optics.
  • elastically bendable spacers can be varied in their spring force by rigid materials attached to them, and the bendable regions of the spacers can be precisely defined or limited. It has been found experimentally that a restoring force of the spacers between 5 and 10 g / mm is particularly advantageous. In arrangements in which the holder is connected to the stand by two or more spacers, the advantageous range of the restoring force referred to relates to the sum of the restoring forces which are generated by all the spacers present.
  • the embodiments mentioned for the movable spacer can be used in an analogous manner for the second embodiment, in which the line sensor, lens system and lighting are rigidly attached to a tripod and the specimen slide is located in a holder which is connected to the tripod via a spacer.
  • Line sensors are sensors that have a large number of individual sensors closely adjacent and arranged in a row. So-called CCD arrays are particularly common in the prior art. In order to obtain the high resolution necessary for the investigation of surfaces for a representative area of the To ensure the area to be examined, sensors with at least 500, better several 1000 individual sensors should be used. Due to the varied use of the sensors mentioned, for example in fax machines and scanners, sensors with, for example, 10,000 linearly arranged individual sensors can already be obtained at relatively low prices.
  • a line sensor that can be used for the invention should have a broadband sensitivity in at least part of the visible spectrum. The sensor needs sufficient sensitivity at least in the radiation area of the lighting.
  • the senor has several rows of sensor elements, as is the case, for example, with the TCD 1250D sensor from Toshiba.
  • Such a sensor can be used, for example, if the mechanically achievable step size remains below the desired resolution of the surface.
  • multiple lines of the surface can be recorded with a multi-row sensor.
  • Another advantage of a two-row or multi-row sensor is the possibility of checking the results obtained with one sensor row with another sensor row.
  • a device also has a lens system which is attached to the holder.
  • This lens system generally consists of a plurality of lenses connected in series, which are arranged to form an objective. Since a narrow strip of a surface is imaged on a line sensor in the present device, the lenses used in the lens system are preferably cylindrical.
  • the lens system is rigidly attached to the holder, so that an image of the surface is imaged on the line sensor with a precisely predetermined magnification.
  • the lens system can be selected to either enlarge or reduce.
  • a magnifying lens system In the field of optical examination of specimen slides, a magnifying lens system is generally chosen, since a resolution in the range of 1 ⁇ m is desired for the examination of cells.
  • the individual sensors of common line sensors have a size in the range of 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m, so that a magnifying lens is necessary in order to achieve the desired resolution.
  • Appropriate lighting of the surface to be examined has a high influence on the quality of the image obtained.
  • Opaque samples can be viewed from the top be emitted so that reflected light is evaluated.
  • a transmitted-light arrangement is advantageously selected for examining translucent samples, such as object slides.
  • lighting devices with continuous light sources are suitable, as has already been described in US Pat. No. 4,550,417. According to the invention, however, it has proven to be advantageous if light-emitting diodes are used to illuminate the sample. LEDs have the advantage of only releasing small amounts of heat and can therefore be attached in the vicinity of the sample without causing the sample to heat up. Heating the sample would be disadvantageous in particular in the case of the examination of specimen slides, since evaporation of sample liquid leads to changes in concentration or even the formation of air bubbles in the examination room.
  • the arrangement of the light-emitting diodes in a row ensures a relatively homogeneous illumination of the examined, strip-shaped area of the sample.
  • the use of light-emitting diodes of the same color has proven to be superior to a white light source. The reason for this has not been conclusively clarified, but it is possible that the influence of extraneous light has less of an impact on the measurement due to the use of relatively narrowband light sources.
  • the homogeneity of the illumination can be further improved by attaching a matt screen above the row of light-emitting diodes.
  • the lighting device can also advantageously be expanded such that two or more rows of light-emitting diodes each of the same color are used, which can be selectively activated if required.
  • two or more rows of light-emitting diodes each of the same color are used, which can be selectively activated if required.
  • a static lighting device is proposed in the prior art (US Pat. No. 4,550,417), it has proven advantageous according to the invention if the lighting device is also attached to the holder. The lighting device is thus in the same position in relation to the lens system and the line sensor in every phase of the measurement. In this way it can be ensured that all areas of the sample are examined under the same lighting conditions.
  • a drive serves to move the lens system and the line sensor over the area of the surface to be examined or to move the slide holder in the second embodiment.
  • the drive includes a stepper motor with a threaded rod or spindle mounted on its axis.
  • the spindle runs in a thread that is attached to the bracket. In the rest position of the spacers, the alignment of the spindle is advantageously perpendicular to the plane of the elastically bendable spacers.
  • the threaded nut since with increasing deflection of the spacer or spacers an inclination of the holder relative to the spindle takes place, the threaded nut must be fastened to the holder in such a way that on the one hand it can carry out a slight change in direction but on the other hand it guides the holder with as little play as possible. This can be achieved by a tip bearing of the threaded nut on a plate which is attached to the holder. With this type of holder, there is also a slight movement of the spindle axis in space, so that a suitable bearing of the spindle or the motor is also necessary.
  • the necessary deflections of the spacers are small, so that the direction of the spacers and the spindle axis only deviate from the vertical by a few degrees. Typically the deviation from the vertical is less than ten degrees.
  • the line sensor is moved essentially perpendicular to the row of sensors.
  • the holder can be pretensioned in a direction parallel to the axis of the threaded rod by means of a spring. If the optical evaluation is carried out in an area in which the spacers are under a bending stress, an additional spring can be omitted if necessary.
  • signals are received at the line sensor and are processed further for evaluation.
  • a digital value is obtained for each sensor element of the line sensor, which represents a gray value. Because of the gray values, an evaluation is possible whose accuracy is increased compared to the resolution of individual sensor elements.
  • the evaluation of the sensor signals obtained when the surface is scanned can be carried out in a known manner by a computer. To increase the accuracy of the evaluation and to increase its accuracy, it is advantageous to first carry out a measurement with the line sensor in an area which does not contain a sample. By taking this reference line into account, fluctuations in sensitivity of sensor elements as well as inhomogeneities in the lighting and the lens system can be compensated.
  • Evaluation results that are obtained with the devices according to the invention are generally first images that are evaluated by a computer with suitable software, for example in order to determine the number of cells of a certain size. It is also possible to search for rare cell types in the image, such as cylinders, for example, and then to display these image sections to the user on a monitor.
  • devices according to the invention can also measure concentration by means of transmission measurement or remission measurement. Such a concentration measurement can be important, for example, for evaluating blood samples if the erythrocytes are lysed. The staining present in the sample medium after this lysis can serve to draw conclusions about the amount of erythrocytes.
  • a concentration determination by transmission or remission measurement can advantageously be used to evaluate diagnostic test elements.
  • the evaluation results and possibly also an image of the scanned surface can be displayed on a monitor.
  • the initiation of the measurement can be carried out by the user at the terminal of the computer.
  • the individual steps which the drive takes to scan the surface can be controlled either by a motor control or by the computer.
  • Another aspect of the invention is a device for optical inspection of surfaces, including
  • a line sensor in which a multiplicity of sensors are arranged in a row, a lens system for imaging the surface or a part of the surface on the line sensor,
  • a tripod to which the holder is attached via at least one spacer
  • a drive with which the holder is moved while bending, pivoting or tilting the at least one spacer substantially perpendicular to the row of sensors of the line sensor.
  • Said device can be used, for example, to examine the surface of diagnostic test elements, semiconductor materials, polished surfaces, tissues or even skin surfaces.
  • many elements of this device correspond to the elements of the device for the optical examination of object carriers.
  • the device for examining surfaces does not necessarily have a holder for a slide or the like.
  • the stand therefore preferably has stand elements for setting up the stand on the surface to be examined.
  • the descriptions of the components and their interaction described above apply.
  • the stand can have a height adjustment. It is also advantageous to equip the lens system with a height adjustment in order to be able to focus the surface.
  • the invention further comprises a device for the optical examination of object slides, including a stand on which a slide holder is fastened via at least one spacer,
  • a line sensor attached to the tripod, in which a plurality of sensors are arranged in a row,
  • a lens system attached to the tripod, which images an image of the slide or a part of the slide on the line sensor,
  • the senor, lens system and lighting device are fixed to the stand in a spatially fixed manner.
  • the slide is located in a slide holder, which in turn is attached to the stand by means of at least one spacer.
  • the slide holder and thus the slide are moved here.
  • the invention further comprises a device for the optical examination of object slides, including
  • a holder on which a line sensor, a lens system and a lighting device are attached
  • the invention also includes a method for the optical examination of object slides, in which
  • the slide is illuminated with an illumination device and light which has passed through the slide is imaged on a line sensor with a lens system, wherein
  • Lighting device, lens system and line sensor are fastened to a holding rod, which in turn is fastened to a tripod via at least one spacer and the holding rod via a drive by bending, tilting or pivoting the at least one spacer essentially perpendicular to the row of sensors of the line sensor via the investigating surface of the slide is pivoted.
  • FIG. 1 Schematic representation of the optical arrangement
  • Figure 4 Slides showing the surface area examined
  • Figure 5 Perspective view of the device with drive and evaluation
  • a slide (1) is located in a slide holder which is attached to a stand (2).
  • a line sensor (3), a lens system (4) and an arrangement of light-emitting diodes (5) are attached to the holder (7).
  • the light emitting diodes (5) are covered by a domed screen (6).
  • the light emitting diodes have a wavelength of 592 nm (amber).
  • the lens system consists of an arrangement of 3 cylindrical lenses that achieve a magnification factor of 2.97.
  • the line sensor is a CCD sensor with 2700 pixels with a size of 11 x 11 ⁇ m. Its maximum sensitivity is at a wavelength of 550 nm.
  • Figure 2 shows a top view of a device.
  • the entire arrangement is mounted on a base plate (10).
  • the stand (2) is firmly connected to the base plate (10).
  • 2 metal plates (8) made of chrome steel with a thickness of 0.05 mm are attached to the stand.
  • the metal plates (8) are the elastically bendable spacers. In their central area they are supported by screwed-on reinforcement elements (9).
  • the holding ring (7) is connected to the stand (2) by the spacers (8).
  • the line sensor (3) is located on the holding rod (7).
  • the plate (15) containing a threaded nut is fastened to the holding plate (16) via a spike bearing ring.
  • the threaded rod (14) runs in the threaded nut and is driven by the stepper motor (12).
  • the stepper motor (12) is attached to the motor stand (11) via a tip bearing (13), which is firmly connected to the base plate (10).
  • a thread play between the threaded nut and the threaded rod (14) is compensated by the pretension being given to the holding ring (7) via the spring (17) and the spring holding ring (18).
  • the spring (17) is located between the motor stand (11) and the spring holder ring (18) and pulls the holder (7) towards the motor.
  • the spacers (8) have a width of 6 cm.
  • the width of the retaining ring is 5 cm, so that the optical arrangement has the shape of a tower with an approximately square base.
  • a fine thread M3 x 0.35 mm was selected for the threaded rod (14).
  • the motor used has a torque of 250 gx cm and a full revolution is divided into 96 individual steps. This results in a path of approx.3.7 ⁇ m per step of the stepper motor.
  • FIG 3 shows a detailed view of the drive.
  • the motor (12) is connected to the motor stand (11) by means of screws (19) which are spring-mounted.
  • the screws (13) are used for the top bearing of the motor.
  • the threaded rod (14) runs in a threaded nut which is located in the plate (15).
  • the plate (15) is connected to the holding plate (16) by means of spring-loaded screws.
  • the plate (15) is also supported by screws (13).
  • Figure 4 shows a slide (1) with an evaluation chamber (20) in supervision.
  • the surface (21) shows schematically the shape of the surface of the evaluation chamber scanned by the device. It can be seen that the sensor executes a wiper-like movement and scans a corresponding area. In the specific case, the scanned area is 10 x 10 mm.
  • FIG. 5 shows a perspective illustration of a device for examining specimen slides.
  • the slide (1) is inserted into a slide holder (not shown) through a recess in the stand (2).
  • the spacers (8) are attached to the side of the stand.
  • the spacer is supported by a reinforcing element (9).
  • the spacers (8) carry the retaining ring (7) to which the line sensor (3) is attached.
  • Signals which the line sensor (3) delivers are forwarded to the data processing and control device (23) via a data line after conversion into digital values.
  • Results of the evaluation or a representation of the scanned surface are displayed on a monitor (24) by the data processing device (23).
  • the data processing device optionally has a connection to the engine control (22).

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Abstract

Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen, insbesondere von Objektträgern, die einen Zeilensensor (3) besitzt, der über mindestens einen Abstandshalter (8) an einem Stativ (2) befestigt ist. Der Zeilensensor wird durch Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters in einer Ebene parallel zur Untersuchungsebene bewegt. Signale des Zeilensensors werden zur Untersuchung der Oberfläche bzw. Ebene ausgewertet.

Description

Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen, ins¬ besondere von Objektträgern. Die Vorrichtung beinhaltet ein Stativ, an dem ein Objekt¬ trägerhalter befestigt ist sowie eine Halterung, die über mindestens einen Abstandshalter an dem Stativ befestigt ist. An der genannten Halterung ist ein Zeilensensor, bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind sowie ein Linsensystem, das ein Bild des Objektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet, be¬ festigt. Die Vorrichtung besitzt weiterhin eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objektträgers und einen Antrieb zur Bewegung der Halterung im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters.
Automatisch arbeitende Vorrichtungen zur Untersuchung von Oberflächen bzw. von Ob¬ jektträgern basieren im allgemeinem auf einem Videosystem, bei dem ein Bild der Ober¬ fläche auf ein zweidimensionales CCD-Array projiziert wird. Zweidimensionale CCD- Arrays zum Einsatz in Videokameras sind in den vergangenen Jahren stark im Preis gesun¬ ken. Derartige im Stand der Technik gebräuchliche CCD-Arrays sind jedoch für den Einsatz in der mikroskopischen Analyse nur bedingt geeignet, da sie eine verhältnismäßig geringe Zahl von Sensoren aufweisen und weiterhin eine relativ hohe Rate an fehlerhaften Sensor¬ elementen aufweisen. Während die Fehlfunktion einzelner Pixel in preisgünstigen Video¬ kameras toleriert werden kann, sind diese Arrays zum Einsatz in der mikroskopischen Ana¬ lyse wenig geeignet. CCD-Arrays mit hinreichend hoher Auflösung und sehr geringen Fehlerraten der Pixel sind nach wie vor sehr teuer und daher für den Aufbau eines Systems für Arztpraxen und kleinere Laboratorien nicht geeignet.
In der US-Patentschrift 4,550,417 wird eine Apparatur zur Zählung von Mikropartikeln be¬ schrieben, bei der ein Objektträger unter einem Zeilensensor hindurchbewegt wird. Der Objektträger wird hierfür in einen speziellen Halter eingespannt, der seinerseits über einen Linearantrieb verschoben wird. Der in Figur 4 dargestellte Linearantrieb besteht aus einem Synchronmotor, der den Probenträger gegen die Kraft einer Rückstellfeder mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Um die geforderte hohe Präzision zu erreichen, müssen die Kräfte zur Halterung des Probenträgers wesentlich größer sein, als die bei der Verschiebung des Probenträgers auftretenden Reibungskräfte. Demgemäß ist das hier beschriebene System mit einem sehr starken Motor sowie entsprechend starken Rückstellfedern ausgestattet. Ein weiterer Nachteil dieser Apparatur besteht darin, daß die Probe bewegt wird und somit Be¬ schleunigungskräfte des Antriebes sowie Erschütterungen beim Transport des Probenträgers zu einer Bewegung der nachzuweisenden Teilchen führen. Dies beeinträgt die Verläßlichkeit der Zählung und erschwert eine Identifizierung bzw. Klassifizierung gefundener Teilchen anhand der Sensorsignale. Weiterhin verwendet die hier beschriebene Apparatur eine ortsfeste Lichtquelle zur Beleuchtung des Probenträgers. Dies ist nachteilhaft, da der ge¬ samte beobachtete Bereich homogen ausgeleuchtet werden muß. Dementsprechend ist die in Figur 3 dargestellte aufwendige und energieintensive Beleuchtung notwendig. Um eine Erwärmung der Probe durch die Lichtquelle zu vermeiden wird hier die Lichtquelle räum¬ lich von der Probe getrennt und über einen Umlenkspiegel eingekoppelt.
Aufgabe der Erfindung war es, ein einfaches und kostengünstiges System zur optischen Untersuchung von Oberflächen zur Verfügung zu stellen, das mit einer hohen Auflösung arbeitet. Es war weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die ein Verwackeln von auf Objektträgern befindlichen Proben verhindert. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung war es, mit einer mechanisch einfachen und kostengünstigen An¬ ordnung einen präzisen Transport eines Zeilensensors über eine Oberfläche zu ermöglichen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektträgers, beinhaltend
ein Stativ, an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist,
eine Halterung, die über mindestens einen Abstandshalter an dem Stativ befestigt ist,
einen an der Halterung befestigten Zeilensensor, bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind,
ein an der Halterung befestigtes Linsensystem, das ein Bild des Objektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet, eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objektträgers sowie
einen Antrieb zur Bewegung der Halterung im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur optischen Untersuchung eines Objektträgers. Unter optischer Untersuchung ist im Rahmen der Erfindung eine Untersuchung zu ver¬ stehen, bei der durch den Objektträger transmittierte oder vom Objektträger zurückge¬ worfene Strahlung ausgewertet wird. Die Bezeichnung optisch ist dabei nicht als auf sicht¬ bares Licht beschränkend zu verstehen sondern schließt auch Strahlungen im infraroten und ultravioletten Teil des Spektrums mit ein. Mit der erfindungsgemäßen Apparatur können auch Fluoreszenzmessungen durchgeführt werden. In der Regel wird die Probe zunächst mit einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbt, und die auf dem Objektträger befindliche Probe mit einer Strahlung beleuchtet, die Fluoreszenz anregt. Zur Trennung der Fluoreszenzstrahlung von Hintergrundstrahlung ist es insbesondere bei dieser Meßmethode vorteilhaft, im Strahlengang vor dem Zeilensensor Filter vorzusehen.
Unter dem Begriff "Objektträger" sollen im Sinne der Erfindung insbesondere Objektträger verstanden werden, wie sie im Stand der Technik für die Untersuchung von flüssigen Proben verwendet werden. Weiterhin sollen unter Objektträgern jedoch auch diagnostische Testelemente verstanden werden, bei denen eine Probe, in der Regel eine Körperflüssigkeit, auf das Testelement aufgegeben wird und eine Reaktion der Probe mit dem Testelement untersucht wird. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 und 4 zur Untersuchung von diagnostischen Testelementen geeignet, die einer Transmissionsmessung zugänglich sind. Mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 2 können auch Testelemente aus¬ gewertet werden, die im wesentlichen strahlungsundurchlässig sind. Vorallem sind erfin¬ dungsgemäße Vorrichtungen zur Auswertung von diagnostischen Testelementen vorteilhaft, wenn die Testelemente ein in der Ebene aufgelöstes Meßsignal liefern, wie dies beispiels¬ weise bei Chromatographieteststreifen oder Teststreifen mit eng benachbarten unterschied¬ lichen Zonen der Fall ist.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, daß der Objektträger, auf dem sich die Probe befindet, während der Untersuchung raumfest ist und nicht bewegt wird, wodurch Erschütterungen des Objektträger sowie Bewegungen der Probe vermieden werden. Dem- gemäß besitzt die Vorrichtung einen Objektträgerhalter, der an einem Stativ befestigt ist. Das Stativ ist während der Messung raumfest, jedoch prinzipiell transportabel.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung aus Zeilensensor, Linsensystem sowie Beleuchtung raumfest und der Objektträger wird bewegt. Erfindungsgemäß befindet sich der Objektträger innerhalb einer Halterung, die über einen Abstandshalter mit dem Stativ verbunden ist. Die Halterung wird im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters bewegt.
Der Objektträgerhalter kann beispielsweise durch den Kreuztisch eines herkömmlichen Mikroskopes realisiert werden. Vorteilhafterweise ist der Halter jedoch an eine spezifische Art von Objektträgern angepaßt, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden. Vorzugsweise ist der Objektträgerhalter so ausgestaltet, daß ein Objektträger in ihn eingeschoben werden kann und der Objektträger in seiner Bestimmungsposition durch An¬ schlagskanten gehaltert und positioniert wird. Ebenfalls sollte der Objektträgerhalter eine plane Oberfläche zur Unterstützung des Objektträgers sowie eine Andruckvorrichtung für den Objektträger besitzen, um sicherzustellen, daß sich die Auswertezone des Objektträgers in einem definierten Abstand zum Linsensystem der Vorrichtung befindet. Der Ob¬ jektträgerhalter kann beispielsweise auch Führungsschienen besitzen, in die der Objektträger eingeschoben wird, wodurch ein definierter Abstand von Objektträger und Linsensystem eingestellt wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Halterung, an der sowohl ein Zeilensensor als auch ein Linsensystem befestigt ist. Die Halterung besteht aus einem starren Material, um so einen definierten Abstand von Zeilensensor und Linsensystem zu gewährleisten. Die Halterung ihrerseits ist über mindestens einen Abstandshalter an dem Stativ befestigt. Diese Art der Halterung ist ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung, da sie mit geringem mechanischem Aufwand eine präzise Verschiebung der Halterung und damit der Anordnung aus Zeilensensor und Linsensystem im Raum ermöglicht. Werden die einzelnen Komponenten direkt am Abstandshalter befestigt, so kann auch auf eine separate Halterung verzichtet werden.
Der mindestens eine Abstandshalter ist so gestaltet, daß er verbogen, verkippt oder ver¬ schwenkt werden kann. Beispielsweise kann der Abstandshalter über ein Scharnier an dem Stativ befestigt sein, so daß er um die Schamierachse bewegt werden kann. Die Scharnier- achse ist dabei so angeordnet, daß der Zeilensensor in einer Ebene verschwenkt wird, die parallel der Untersuchungsebene ist. Für viele Anwendungen wird man bestrebt sein, den Abstand des Zeilensensors von der Untersuchungsebene konstant zu halten. Demgemäß muß darauf geachtet werden, daß die Scharnierachse möglichst senkrecht zur Unter¬ suchungsebene angeordnet ist. Weiterhin sollte das Scharnier möglichst wenig Spiel auf¬ weisen und der Abstandshalter mechanisch so stabil sein, daß eine Verbiegung in Richtung auf die Untersuchungsebene weitestgehend ausgeschlossen werden kann. Erfindungsgemäß geeignete Scharniere sind außer den gewöhnlichen Scharnieren, bei denen ein Zapfen in eine Hülse greift oder ein Stab durch Bohrungen im Stativ sowie im Abstandshalter geführt ist, auch die aus der Kunststofftechnik bekannten Band- und Filmscharniere.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der Vorrichtung wird ein elastisch verbiegbarer Abstandshalter eingesetzt, der an dem Stativ befestigt ist. Die Verbiegbarkeit ermöglicht eine Bewegung des dem Stativ abgewandten Endes des Abstandshalters bzw. der an diesem Ende befestigten Halterung parallel zur Untersuchungsebene. Eine Verbiegung des Abstandshalters senkrecht zur Untersuchungsebene wird durch eine Materialsteifigkeit des Abstandshalters in dieser Richtung weitestgehend vermieden. Vorteilhaft weist der Abstandshalter in der gewünschten Verbiegungsrichtung eine Elastizität auf, so daß eine erfolgte Verbiegung reversibel ist.
Ein elastisch verbiegbarer Abstandshalter kann beispielsweise aus einer Blattfeder bestehen. Als Federmaterialien sind elastische Stahlplatten oder auch Kunststofrplatten geeignet. Über die Länge des Abstandshalters, die Dicke, die Fläche sowie das Material kann die Rück¬ stellkraft des Abstandshalters eingestellt werden. Bevorzugt wird als Abstandshalter eine Platte gewählt, die durch ihre Breite einen Abstand von Stativ und Halter von mehreren Zentimtern einstellt. Die Länge des Abstandshalters beträgt in der Regel ebenfalls mehrere Zentimeter und ist vorzugsweise länger ist als der Abstand von Zeilensensor und Linsen¬ system. Bei geeigneter Befestigung des Abstandshalters an Stativ und Halter wird durch seine Länge sichergestellt, daß die Halterung durch Verbiegung des bzw. der Abstandshalter über die Untersuchungsebene bewegt werden kann, ohne daß eine Verkippung der optischen Anordnung gegenüber dem Stativ stattfindet. Durch Abstandshalter, die Scher¬ kräften ohne Verbiegung standhalten, kann eine Parallelverschiebung von Stativ und Halte¬ rung in Richtung der optischen Achse oder gar eine Verkippung vermieden werden. Werden plattenförmige Abstandshalter verwendet, so kann dies auf einfache Weise gewährleistet werden. Die genannten Eigenschaften der Abstandshalter sind wichtig, da so die Anordnung aus Zeilensensor und Linsensystem in konstantem Abstand über die Ebene des Objekt- trägers geschwenkt werden kann. Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfin¬ dung können Zeilensensor und Linsensystem auch direkt am Abstandshalter befestigt wer¬ den. Der Abstandshalter übernimmt in diesem Fall auch die Funktion der Halterung.
Vorzugsweise ist die Halterung über zwei zueinander beabstandete Abstandshalter an dem Stativ befestigt. Bei Bewegung des Halters über Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken der Abstandshalter werden Stativ und Halterung parallelogrammartig zueinander verscho¬ ben. Durch Verwendung von zwei Abstandshaltern kann eine Verkippung des Zeilensensors vermieden werden. Werden Abstandshalter verwendet, die über Scharniere an dem Stativ befestigt sind, so ist es bevorzugt, wenn die meachanische Verbindung der Abstandshalter mit der Halterung ebenfalls über Scharniere erfolgt. Auch bei der Variante der Vorrichtung mit zwei zueinander beabstandeten Abstandshaltem sind elastisch verbiegbare Ab¬ standshalter bevorzugt.
Vorteilhaft für die Erfindung ist es ebenfalls, wenn Stativ, Halter und 2 Abstandshalter mit¬ einander einen nach außen in 4 Raumrichtungen abgeschlossenen Turm bilden, da durch diese Anordnung das Eindringen von Außenlicht in die Untersuchungsoptik reduziert wird.
Gegebenenfalls können elastisch verbiegbare Abstandshalter durch an ihnen befestigte starre Materialien in ihrer Federkraft variiert und die verbiegbaren Bereiche der Abstandshalter genau definiert bzw. begrenzt werden. Experimentell hat es sich herausgestellt, daß eine Rückstellkraft der Abstandshalter zwischen 5 und 10 g/mm besonders vorteilhaft ist. In Anordnungen, in denen der Halter durch zwei oder mehr Abstandshalter mit dem Stativ verbunden ist, bezieht sich der genannte vorteilhafte Bereich der Rückstellkraft auf die Summe der Rückstellkräfte, die durch alle vorhandenen Abstandshalter erzeugt werden.
Die genannten Ausführungsformen für den bewegbaren Abstandshalter sind in analoger Weise für die zweite Ausführungsform verwendbar, bei der Zeilensensor, Linsensystem sowie Beleuchtung starr an einem Stativ befestigt sind und sich der Objektträger in einer Halterung befindet, die über einen Abstandshalter mit dem Stativ verbunden ist.
Ein weiteres, wichtiges Element erfindungsgemäßer Vorrichtungen ist ein an der Halterung befestigter Zeilensensor. Als Zeilensensoren werden Sensoren bezeichnet, die eine Vielzahl von Einzelsensoren eng benachbart und in einer Reihe angeordnet besitzen. Im Stand der Technik sind insbesondere sogenannte CCD-Arrays gebräuchlich. Um die für die Unter¬ suchung von Oberflächen notwendige hohe Auflösung für ein repräsentatives Areal der zu untersuchenden Fläche zu gewährleisten, sollten Sensoren mit mindestens 500, besser mehreren 1000 Einzelsensoren eingesetzt werden. Aufgrund des vielfältigen Einsatzes der genannten Sensoren, beispielsweise in Faxgeräten und Scannern, sind bereits Sensoren mit beispielsweise 10.000 linear angeordneten Einzelsensoren zu relativ niedrigen Preisen zu er¬ halten. Ein für die Erfindung einsetzbarer Zeilensensor sollte zumindest in einem Teil des sichtbaren Spektrums eine breitbandige Empfindlichkeit aufweisen. Der Sensor benötigt zumindest in dem Strahlungsbereich der Beleuchtung eine ausreichende Empfindlichkeit.
In besonderen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn der Sensor mehrere Reihen von Sensorelementen aufweist, wie dies beispielsweise bei dem Sensor TCD 1250D der Firma Toshiba der Fall ist. Ein solcher Sensor kann beispielsweise eingesetzt werden, wenn die mechanisch erreichbare Schrittweite unterhalb der gewünschten Auflösung der Oberfläche zurückbleibt. Für jeden mechanischen Bewegungsschritt können mit einem mehrreihigen Sensor mehrere Zeilen der Oberfläche aufgezeichnet werden. Ein weiterer Vorteil eines zwei- oder mehrreihigen Sensors liegt in der Möglichkeit zur Kontrolle der mit einer Sensorzeile erhaltenen Ergebnisse mit einer weiteren Sensorzeile.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt weiterhin ein Linsensystem, das an der Halte¬ rung befestigt ist. Dieses Linsensystem besteht in der Regel aus mehreren hintereinander ge¬ schalteten Linsen, die zu einem Objektiv angeordnet sind. Da bei der vorliegenden Vorrich¬ tung ein schmaler Streifen einer Oberfläche auf einen Zeilensensor abgebildet wird, sind die im Linsensystem verwendeten Linsen vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Das Linsen¬ system ist starr am Halter befestigt, so daß ein Bild der Oberfläche mit einer genau vorbe¬ stimmten Vergrößerung auf den Zeilensensor abgebildet wird. Insbesondere für Anwendun¬ gen, bei denen der Abstand der zu untersuchenden Oberfläche zum Linsensystem nicht ge¬ nau bekannt ist oder nicht festgelegt werden kann, ist es vorteilhaft, ein Linsensystem zu verwenden, mit dem eine Fokussierung möglich ist. Je nach gewünschter Anwendung kann das Linsensystem sowohl vergrößernd als auch verkleinernd gewählt werden. Im Bereich der optischen Untersuchung von Objektträgern wird in der Regel ein vergrößerndes Linsen¬ system gewählt, da zur Untersuchung von Zellen eine Auflösung im Bereich von 1 μm ge¬ wünscht wird. Die einzelnen Sensoren von gängigen Zeilensensoren weisen jedoch eine Größe im Bereich von 10 μm x 10 μm auf, so daß zur Erzielung der gewünschten Auf¬ lösung eine Vergrößerungsoptik notwendig ist.
Eine geeignete Beleuchtung der zu untersuchenden Oberfläche ist von hohem Einfluß auf die Qualität des erzielten Bildes. Lichtundurchlässige Proben können von der Oberseite be- strahlt werden, so daß reflektiertes Licht zur Auswertung gelangt. Zur Untersuchung von lichtdurchlässigen Proben, wie beispielsweise von Objektträgem, wird vorteilhaft eine Durchlichtanordnung gewählt. Prinzipiell sind Beleuchtungseinrichtungen mit kontinuier¬ lichen Lichtquellen geeignet, wie dies bereits in US 4,550,417 beschrieben ist. Erfindungs¬ gemäß hat es sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn zur Beleuchtung der Probe Leuchtdioden verwendet werden. Leuchtdioden besitzen den Vorteil, nur geringe Wärme¬ mengen freizusetzen und können somit in der Nähe der Probe angebracht werden, ohne zu einer Aufheizung der Probe zu führen. Eine Aufheizung der Probe wäre insbesondere im Fall der Untersuchung von Objektträgem nachteilig, da eine Verdunstung von Proben¬ flüssigkeit zu Konzentrationsänderungen oder sogar Ausbildung von Luftblasen im Unter¬ suchungsraum führt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, zur Beleuchtung mehrere gleichfarbige Leuchtdioden in einer Reihe anzuordnen. Durch die Anordnung der Leuchtdioden in einer Reihe kann eine relativ homogene Ausleuchtung des untersuchten, streifenförmigen Bereiches der Probe gewähr¬ leistet werden. Die Verwendung gleichfarbiger Leuchtdioden hat sich als überlegen gegen¬ über einer Weißlichtquelle erwiesen. Der Grund hierfür ist nicht abschließend geklärt, es ist jedoch möglich, daß durch die Verwendung relativ schmalbandiger Lichtquellen der Einfluß von Fremdlicht auf die Messung geringere Auswirkungen hat.
Die Homogenität der Ausleuchtung kann weiterhin dadurch verbessert werden, daß über¬ halb der Reihe von Leuchtdioden eine Mattscheibe angebracht wird.
Die Beleuchtungseinrichtung kann auch vorteilhaft dahingehend erweitert werden, daß zwei oder mehr Reihen von jeweils gleichfarbigen Leuchtdioden verwendet werden, die bei Be¬ darfselektiv aktiviert werden können. Bei bestimmten Aufgaben, beispielsweise der Diffe¬ renzierung von roten und weißen Blutkörperchen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die optische Untersuchung zweifach bei verschiedenen Wellenlängen vorzunehmen, um aus dem Unterschied der erhaltenen digitalen Bilder Rückschlüsse zu ziehen. Während im Stand der Technik (US-4,550,417) eine statische Beleuchtungseinrichtung vorgeschlagen wird, hat es sich erfindungsgemäß als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Beleuchtungseinrichtung eben¬ falls an dem Halter angebracht ist. Die Beleuchtungseinrichtung befindet sich somit in jeder Phase der Messung in gleicher Position zum Linsensystem und zum Zeilensensor. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, daß alle Bereiche der Probe unter gleichen Beleuch¬ tungsverhältnissen untersucht werden. Zur Bewegung des Linsensystems und des Zeilensensors über den zu untersuchenden Be¬ reich der Oberfläche bzw. zur Bewegung der Objektträgerhalterung bei der zweiten Ausfüh¬ rungsform dient ein Antrieb. Der Antrieb beinhaltet einen Schrittmotor, auf dessen Achse eine Gewindestange bzw. Spindel montiert ist. Die Spindel läuft in einem Gewinde, das an der Halterung befestigt ist. Die Ausrichtung der Spindel ist in der Ruhelage der Abstands¬ halter vorteilhaft senkrecht zur Ebene der elastisch verbiegbaren Abstandshalter. Da jedoch mit zunehmender Auslenkung des oder der Abstandshalter eine Neigung der Halterung gegenüber der Spindel stattfindet, muß die Gewindemutter so an der Halterung befestigt werden, daß sie einerseits eine geringfügige Richtungsänderung durchführen kann, anderer¬ seits jedoch die Halterung mit möglichst geringem Spiel führt. Erreicht werden kann dies durch eine Spitzenlagerung der Gewindemutter auf einer Platte, die an der Halterung ange¬ bracht ist. Bei dieser Art der Halterung findet ebenfalls eine geringfügige Bewegung der Spindelachse im Raum statt, so daß auch eine geeignete Lagerung der Spindel bzw. des Motors notwendig ist. Im Bereich der optischen Untersuchung von Objektträgem sind die notwendigen Auslenkungen der Abstandshalter gering, so daß die Richtung der Abstands¬ halter und die Spindelachse nur um wenige Grad von der Senkrechten abweichen. Typischerweise beträgt die Abweichung von der Senkrechten weniger als zehn Winkelgrad. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Zeilensensor im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren bewegt.
Um das mechanische Spiel zwischen Gewindestange und Gewindemutter beim Antrieb zu verringern, kann die Halterung über eine Feder in einer Richtung parallel zur Achse der Gewindestange vorgespannt werden. Wird die optische Auswertung in einem Bereich vor¬ genommen, in dem die Abstandshalter unter einer Biegespannung stehen, so kann auf eine zusätzliche Feder gegebenenfalls verzichtet werden.
Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich, den Antrieb durch einen relativ schwachen Antriebsmotor mit einem Drehmoment zwischen 100 und
500 g • cm durchzufuhren. Experimentell hat sich herausgestellt, daß bereits bei einer mechanisch sehr einfachen Spindellagerung Genauigkeiten der Schrittweite von 0,5 μm er¬ reicht werden können.
Wird eine Untersuchung von Oberflächen mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt, so werden am Zeilensensor Signale erhalten, die zur Auswertung weiterverarbeitet werden. Bei den gängigen monochromen Sensorelementen wird für jedes Sensorelement des Zeilen¬ sensors ein digitaler Wert erhalten, der einen Grauwert repräsentiert. Aufgrund der Grau- werte ist eine Auswertung möglich, die in ihrer Genauigkeit gegenüber der Auflösung ein¬ zelner Sensorelemente gesteigert ist.
Die Auswertung der beim Abrastem der Oberfläche erhaltenen Sensorsignale kann in be¬ kannter Weise durch einen Computer vorgenommen werden. Zur Steigerung der Genauig¬ keit der Auswertung und zur Erhöhung ihrer Richtigkeit, ist es vorteilhaft, mit dem Zeilen¬ sensor zunächst eine Messung in einem Bereich durchzuführen, der keine Probe enthält. Durch Berücksichtigung dieser Referenzzeile können Empfindlichkeitsschwankungen von Sensorelementen sowie Inhomogenitäten in der Beleuchtung sowie des Linsensystems kompensiert werden.
Auswerteergebnisse, die mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen erhalten werden, sind in der Regel zunächst Bilder, die von einem Computer mit geeigneter Software ausgewertet wer¬ den, um beispielsweise die Zahl von Zellen einer bestimmten Größe zu ermitteln. Weiterhin ist es möglich, im Bild gezielt nach seltenen Zelltypen, wie beispielsweise Zylindern, zu suchen und diese Bildausschnitte dann dem Benutzer auf einem Monitor darzustellen. Neben der Bildauswertung ist mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen jedoch auch eine Kon¬ zentrationsmessung durch Transmissionsmessung bzw. Remissionsmessung möglich. Eine solche Konzentrationsmessung kann beispielsweise zur Auswertung von Blutproben wichtig sein, wenn die Erythrozyten lysiert werden. Die nach dieser Lyse im Probenmedium vor¬ handene Färbung kann dazu dienen, auf die Menge an Erythrozyten zurückzuschließen. Weiterhin kann eine Konzentrationsbestimmung durch Transmissions- oder Remissions¬ messung vorteilhaft zur Auswertung diagnostischer Testelemente herangezogen werden.
Die Auswertungsergebnisse und gegebenenfalls auch ein Bild der abgerasterten Oberfläche kann auf einem Monitor dargestellt werden. Die Initiierung der Messung kann vom Be¬ nutzer am Terminal des Computers vorgenommen werden. Die einzelnen Schritte, die der Antrieb zum Abrastem der Oberfläche vornimmt, können entweder durch eine Motor¬ steuerung oder über den Computer gesteuert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen, beinhaltend
einen Zeilensensor, bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind, ein Linsensystem zur Abbildung der Oberfläche oder eines Teiles der Oberfläche auf den Zeilensensor,
eine Halterung, an der das Linsensystem und der Zeilensensor befestigt sind,
ein Stativ, an dem die Halterung über mindestens einen Abstandshalter befestigt ist,
einen Antrieb, mit dem die Halterung unter Verbiegen, Verschwenken oder Verkippen des mindestens einen Abstandshalters im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sen¬ soren des Zeilensensors bewegt wird.
Die genannte Vorrichtung kann beispielsweise zur Untersuchung der Oberfläche von diagnostischen Testelementen, Halbleitermaterialien, polierten Oberflächen, Geweben oder auch Hautoberflächen verwendet werden. Viele Elemente dieser Vorrichtung entsprechen in ihrer Funktion und Ausgestaltung den Elementen der Vorrichtung zur optischen Unter¬ suchung von Objektträge . Ein Unterschied besteht darin, daß die Vorrichtung zur Unter¬ suchung von Oberflächen nicht notwendigerweise einen Halter für einen Objektträger oder ähnliches aufweist. Zur Untersuchung der Oberfläche kann die Vorrichtung mit ihrem Stativ auf die Oberfläche aufgestellt werden. Vorzugsweise weist daher das Stativ Standelemente zur Aufstellung des Statives auf die zu untersuchende Oberfläche auf. Bei vielen der genannten Anwendungen wird es vorteilhaft sein, die zu untersuchende Oberfläche von der Oberseite zu bestrahlen und reflektiertes Licht auszuwerten. Dies ist beispielsweise mit einer an dem Stativ angebrachten Beleuchtungseinrichtung möglich. Auch bei dieser Aus¬ gestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die Beleuchtung an der Halterung anzubringen, so daß sie beim Abrastem der Oberfläche mitbewegt wird. Soweit für diese und folgende Ausgestaltungen der Erfindung nicht genauer spezifiziert, gelten die bereits vorangehend dargelegten Beschreibungen der Komponenten und ihr beschriebenes Zusammenwirken.
Um die beschriebene Vorrichtung einer vielfältigen Nutzung zugänglich zu machen, kann das Stativ eine Höhenverstellung besitzen. Ebenfalls ist es vorteilhaft, das Linsensystem mit einer Höhenverstellung auszustatten, um eine Fokussierung der Oberfläche vornehmen zu können.
Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Objekt¬ trägem, beinhaltend ein Stativ, an dem ein Objektträgerhalter über mindestens einen Abstandshalter be¬ festigt ist,
einen an dem Stativ befestigten Zeilensensor, bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind,
ein an dem Stativ befestigtes Linsensystem, das ein Bild des Objektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet,
eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objektträgers sowie
einen Antrieb zur Bewegung des Objektträgerhalters im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters.
Bei der genannten Ausführungsform sind Sensor, Linsensystem und Beleuchtungseinrich¬ tung raumfest an dem Stativ befestigt. Der Objektträger befindet sich in einem Objekt¬ trägerhalter, der seinerseits über mindestens einen Abstandshalter an dem Stativ befestigt ist. Im Gegensatz zu den bereits beschriebenen Ausführungformen wird hier der Objekt¬ trägerhalter und somit der Objektträger bewegt. Mit der erfindungsgemäßen Verbiegung, Verkippung oder Verschwenkung des Abstandshalters bietet dies gegenüber dem Stand der Technik US-4,550,417 den Vorteil, daß mit einer einfachen mechanischen Anordnung eine hohe Präzision der Bewegung erreicht werden kann.
Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Objekt¬ trägem, beinhaltend
eine Halterung, an der ein Zeilensensor, ein Linsensystem und eine Beleuchtungsein¬ richtung befestigt sind,
ein Stativ, an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist,
einen Antrieb, mit dem die Halterung so gegenüber dem Stativ bewegt wird, daß der Abstand von Zeilensensor, Linsensystem und Beleuchtungseinrichtung zur Ebene des Objektträgers konstant bleibt. Wie bereits eingangs erwähnt, weist der Stand der Technik US-4,550,417 den Nachteil auξ daß der zu untersuchende Objektträger bewegt wird. Die oben genannte Apparatur ver¬ meidet diesen Nachteil, indem die optische Anordnung aus Zeilensensor, Linsensystem und Beleuchtungseinrichtung gemeinsam über die Halterung bewegt wird. Die gemeinsame An¬ bringung der Komponenten an einem starren Halter gewährleistet, daß die Ausleuchtung und die sonstigen optischen Verhältnisse für jede abgerastete Zeile der zu untersuchenden Oberfläche gleich sind. Es braucht dabei nicht notwendigerweise eine Führung der Halte¬ rung über elastisch verbiegbare Abstandshalter erfolgen, sondern die Halterang kann bei¬ spielsweise auf einem kugelgelagerten Schlitten bewegt werden.
Zur Erfindung gehört weiterhin ein Verfahren zur optischen Untersuchung von Objekt¬ trägem, bei dem
ein Objektträger in einen Objektträgerhalter eingebracht wird,
der Objektträger mit einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet und durch den Objekt¬ träger hindurchgetretenes Licht mit einem Linsensystem auf einen Zeilensensor abge¬ bildet wird, wobei
Beleuchtungseinrichtung, Linsensystem und Zeilensensor an einer Halterang befestigt sind, die ihrerseits über mindestens einen Abstandshalter an einem Stativ befestigt ist und die Halterang über einen Antrieb unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors über die zu untersuchende Fläche des Objektträgers ge¬ schwenkt wird.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert:
Figur 1 : Schematische Darstellung der optischen Anordnung
Figur 2 : Aufsicht auf eine Vorrichtung
Figur 3 : Detailzeichnung des Antriebs
Figur 4: Objektträger mit Darstellung des untersuchten Oberflächenbereiches Figur 5: Perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit Antrieb und Auswertung
In Figur 1 ist die Anordnung der einzelnen optischen Elemente schematisch dargestellt. Ein Objektträger (1) befindet sich in einer Objektträgerhalterung, die auf einem Stativ (2) be¬ festigt ist. Auf der Halterung (7) sind ein Zeilensensor (3), ein Linsensystem (4) sowie eine Anordnung von Leuchtdioden (5) befestigt. Die Leuchtdioden (5) sind von einer gewölbten Mattscheibe (6) abgedeckt. Die Leuchtdioden weisen eine Wellenlänge von 592 nm (amber) auf. Das von Ihnen ausgehende Licht beleuchtet nach Durchgang durch die Mattscheibe den Objektträger (1) von der Unterseite und transmittiertes Licht wird durch das Linsensystem (4) auf den Zeilensensor (3) abgebildet. Das Linsensystem besteht aus einer Anordnung von 3 Zylinderlinsen, die einen Vergrößerungsfaktor von 2,97 erzielen. Mit der Linsenanord¬ nung wird eine 3,7 μm breite und 10 mm lange Zeile der Probe auf den 11 μm breiten und 29,7 mm langen Zeilensensor abgebildet. Der Zeilensensor ist ein CCD-Sensor mit 2700 Pixeln mit einer Größe von 11 x 11 μm. Seine maximale Empfindlichkeit liegt bei einer Wellenlänge von 550 nm.
Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Vorrichtung. Die gesamte Anordnung ist auf einer Grundplatte (10) montiert. Das Stativ (2) ist fest mit der Grundplatte (10) verbunden. Am Stativ sind 2 Metallplatten (8) aus Chromstahl einer Dicke von 0,05 mm befestigt. Die Metallplatten (8) sind die elastisch verbiegbaren Abstandshalter. Sie sind in ihrem Mittelbe¬ reich durch aufgeschraubte Verstärkungselemente (9) unterstützt. Durch die Abstandshalter (8) ist die Halterang (7) mit dem Stativ (2) verbunden. In der dargestellten Aufsicht ist er¬ kennbar, daß sich an der Halterang (7) der Zeilensensor (3) befindet. An der dem Zeilen¬ sensor (3) abgewandten Seite der Halterang (7) befindet sich eine Halteplatte (16), die rechtwinklig an der Halterung angesetzt ist. An der Halteplatte (16) ist über eine Spizen- lagerang die Platte (15), enthaltend eine Gewindemutter, befestigt. In der Gewindemutter läuft die Gewindestange (14), die über den Schrittmotor (12) angetrieben wird. Der Schrittmotor (12) ist über eine Spitzenlagerung (13) an dem Motorstativ (11) befestigt, das fest mit der Grundplatte (10) verbunden ist. Zur Gewährleistung der gewünschten hohen Genauigkeit der Anordnung wird ein Gewindespiel zwischen Gewindemutter und Ge¬ windestange (14) ausgeglichen, indem der Halterang (7) über die Feder (17) und die Feder¬ halterang (18) eine Vorspannung gegeben wird. Die Feder (17) befindet sich zwischen dem Motorstativ (11) und der Federhalterang (18) und zieht die Halterung (7) in Richtung des Motors. Bei der dargestellten Anordnung weisen die Abstandshalter (8) eine Breite von 6 cm auf. Die Breite der Halterang beträgt 5 cm, so daß die optische Anordnung die Form eines Turmes mit annähernd quadratischer Grundfläche aufweist. Im konkreten Fall wurde für die Gewindestange (14) ein Feingewinde M3 x 0,35 mm gewählt. Der verwendete Motor hat ein Drehmoment von 250 g x cm und eine Vollumdrehung ist in 96 Einzelschritte aufgeteilt. Pro Schritt des Schrittmotors ergibt sich damit ein Weg von ca. 3,7 μm.
Figur 3 zeigt eine Detailansicht des Antriebs. Der Motor (12) ist über Schrauben (19), die federgelagert sind, mit dem Motorstativ (11) verbunden. Die Schrauben (13) dienen zur Spitzenlagerang des Motors. Die Gewindestange (14) läuft in einer Gewindemutter, die sich in der Platte (15) befindet. Die Platte (15) ist über federgelagerte Schrauben mit der Halte¬ platte (16) verbunden. Auch die Platte (15) ist über Schrauben (13) spitzengelagert.
Figur 4 zeigt einen Objektträger (1) mit einer Auswertekammer (20) in Aufsicht. Die Fläche (21) zeigt schematisch die Form der durch die Vorrichtung abgescannten Fläche der Aus¬ wertekammer. Es ist zu erkennen, daß der Sensor eine scheibenwischerartige Bewegung ausführt und dabei eine entsprechende Fläche abscannt. Im konkret realisierten Fall ist die gescannte Fläche 10 x 10 mm.
Figur 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Untersuchung von Objektträgem. Der Objektträger (1) wird durch eine Ausnehmung im Stativ (2) in einen Objektträgerhalter (nicht dargestellt) eingeschoben. An dem Stativ sind seitlich die Ab¬ standshalter (8) angebracht. Der Abstandshalter wird durch ein Verstärkungselement (9) unterstützt. Die Abstandshalter (8) tragen die Halterang (7), an der der Zeilensensor (3) befestigt ist. Signale, die der Zeilensensor (3) liefert, werden nach Umwandlung in digitale Werte über eine Datenleitung an die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung (23) weitergeleitet. Ergebnisse der Auswertung oder auch eine Darstellung der gescannten Oberfläche werden von der Datenverarbeitungseinrichtung (23) auf einem Monitor (24) dargestellt. Optional besitzt die Datenverarbeitungseinrichtung eine Verbindung zur Motorsteuerung (22). Bezugszeichenliste
1) Objektträger
2) Stativ
3) Zeilensensor
4) Linsensystem
5) Leuchtdiode
6) Mattscheibe
7) Halterang
8) Abstandshalter
9) Verstärkungselement
10) Grundplatte
11) Motorstativ
12) Motor
13) Spitzenlager
14) Gewindestange
15) Platte mit Gewindemutter
16) Halteplatte
17) Feder
18) Federhalterang
19) federgelagerte Schraube
20) Meßkammer
21) Untersuchungszone
22) Motorsteuerang
23) Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung
24) Monitor

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektträgers (1), beinhaltend
a) ein Stativ (2), an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist,
b) eine Halterang (7), die über mindestens einen Abstandshalter (8) an dem Stativ (2) befestigt ist,
c) einen an der Halterang (7) befestigten Zeilensensor (3), bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind,
d) ein an der Halterang (7) befestigtes Linsensystem (4), das ein Bild des Ob¬ jektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet,
e) eine Beleuchtungseinrichtung (5) zur Beleuchtung des Objektträgers sowie
f) einen Antrieb zur Bewegung der Halterang (7) im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors (3) unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters (8).
2. Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen, beinhaltend
a) einen Zeilensensor (3), bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe an¬ geordnet sind,
b) ein Linsensystem (4) zur Abbildung der Oberfläche oder eines Teiles der Ober¬ fläche auf den Zeilensensor,
c) eine Halterang (7), an der das Linsensystem (4) und der Zeilensensor (3) be¬ festigt sind,
d) ein Stativ (2), an dem die Halterang (7) über mindestens einen Abstandshalter (8) befestigt ist, e) einen Antrieb, mit dem die Halterang (7) unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters (8) im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors (3) bewegt wird.
3. Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Objektträgern, beinhaltend
a) eine Halterung (7), an der ein Zeilensensor (3), ein Linsensystem (4) und eine Beleuchtungseinrichtung (5) befestigt sind,
b) ein Stativ (2), an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist,
c) einen Antrieb, mit dem die Halterang (7) so gegenüber dem Stativ (2) bewegt wird, daß der Abstand von Zeilensensor, Linsensystem und Beleuchtungsrein¬ richtung zur Ebene des Objektträgers (1) konstant bleibt.
4. Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektträgers (1), beinhaltend
a) ein Stativ, an dem ein Objektträgerhalter über mindestens einen Abstandshalter befestigt ist,
b) einen an dem Stativ befestigten Zeilensensor, bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind,
c) ein an dem Stativ befestigtes Linsensystem, das ein Bild des Objektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet,
d) eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objektträgers sowie
e) einen Antrieb zur Bewegung des Objektträgerhalters im wesentlichen senk¬ recht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters.
5. Vorrichtung gemäß Ansprach 1, 2 oder 4, bei der die Halterang unter Verbiegung eines elastisch verbiegbaren Abstandshalters bewegt wird.
6. Vorrichtung gemäß Ansprach 2, die eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der zu untersuchenden Oberfläche besitzt.
7. Vorrichtung gemäß Ansprach 2, bei der das Stativ Standelemente zur Aufstellung des Statives auf die zu untersuchende Oberfläche besitzt.
8. Vorrichtung gemäß Ansprach 1 oder 3, bei der die Beleuchtungseinrichtung an der Halterang (7) befestigt ist.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 3 oder 4, bei der die Beleuchtungseinrichtung mehrere in einer Reihe angeordnete, gleichfarbige Leuchtdioden besitzt.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 3 oder 4, bei der die Beleuchtungseinrichtung zwei oder mehr verschiedenfarbige Leuchtdioden besitzt, die wechselweise einge¬ schaltet werden können.
11. Vorrichtung gemäß Ansprach 9 oder 10, bei der die Beleuchtungseinrichtung eine Mattscheibe besitzt, auf die von den Leuchtdioden ausgehendes Licht fällt, bevor es auf den Objektträger oder die Oberfläche des Objektes fällt.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 4, bei der Beleuchtungseinrichtung, Objekt¬ träger und Linsensystem sowie Zeilensensor für eine Durchlichtmikroskopie ange¬ ordnet sind.
13. Vorrichtung gemäß Ansprach 1 oder 4, die zwei zueinander beabstandete, elastisch verbiegbare Abstandshalter (8) besitzt.
14. Vorrichtung gemäß Ansprach 1 oder 4 mit einem Antrieb, bei dem an der Halte¬ rung (7) eine Gewindemutter befestigt ist, in der eine durch einen Motor (12) an¬ getriebene Gewindestange (14) läuft.
15. Vorrichtung gemäß Ansprach 14, bei der sich die Gewindemutter in einer Platte (15) befindet, die mit einer Spitzen- oder Kantenlagerang an der Halte¬ rung (7) befestigt ist.
16. Vorrichtung gemäß Ansprach 1, 2, 4 oder 12, bei der der elastisch verbiegbare Ab¬ standshalter eine Rückstellkraft von 5 bis 100 g/mm aufweist.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 4, mit einem Antriebsmotor (12), der ein Drehmoment zwischen 100 und 500 g-cm aufweist.
18. Verfahren zur optischen Untersuchung von Objektträgem mit einer Vorrichtung gemäß Ansprach 1, bei dem
a) ein Objektträger in den Objektträgerhalter eingebracht wird,
b) der Objektträger mit der Beleuchtungseinrichtung beleuchtet und durch den Objektträger hindurchgetretenes Licht mit dem Linsensystem auf den Zeilen¬ sensor abgebildet wird, wobei
c) Beleuchtungseinrichtung, Linsensystem und Zeilensensor, die an der Halterang befestigt sind, über einen Antrieb unter Verbiegen, Verkippen oder Ver¬ schwenken des mindestens einen Abstandshalters im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors über die zu untersuchende Fläche des Objektträgers geschwenkt werden.
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