Fachbeitrag

Quantensprung in der Mikroskopie

Neues optisches Digital-Mikroskop mit zahlreichen Innovationen
Dipl.-Ing. Robert Ruthenberg, Nürnberg
Quantensprünge oder Atome lassen sich mit einem Lichtmikroskop nicht betrachten, doch das neue, kompakte und tragbare optische Digital-Mikroskop VHX des Unternehmens Keyence, Neu-Isenburg, stellt mit Sicherheit einen großen Meilenstein zur Betrachtung und Messung kleinster räumlicher Objekte dar.

Mit einer maximalen Auflösung von 18 Mio. Pixel vermag das optische Digital-Mikroskop VHX selbst winzigste Details klar, deutlich und räumlich, also dreidimensional darzustellen. Es bietet eine 1000fache optische Vergrößerung, bei Darstellung auf dem eingebauten Flachbildschirm eine 3000fache und mit dreifach Digitalzoom sogar eine 9000fache Vergrößerung.

Ein herkömmliches Mikroskop besitzt nur eine relativ geringe Tiefenschärfe. Wenn das Objekt größere Ausbuchtungen und Vertiefungen aufweist, kann daher meist nur ein kleiner Fokusbereich des Objekts scharf dargestellt werden. Das VHX weist eine hervorragende Tiefenschärfe auf. Es ist nämlich in der Lage, mehrere Bilder mit unterschiedlichen Fokuspositionen zusammenzusetzen und daraus ein einziges Bild zu erzeugen, das an allen Stellen die gleiche Tiefenschärfe besitzt. Das digitale Mikroskop VHX verfügt zudem über weitere digitale Fokussierfunktionen wie die sogenannte „Schnelle Tiefenschärfebildung”, mit der eine sofortige Bildzusammensetzung möglich ist, sowie die „Tiefenschärfebildung mit hoher Qualität”, welche hochauflösende Bilder bereitstellt, oder die „3D-Anzeige”, welche eine dreidimensionale Darstellung auf Basis der zusammengesetzten Daten ermöglicht.

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Um räumliche Strukturen rasch und präzise abzubilden, haben die Ingenieure das Mikroskop mit einem Fokussiereinstellknopf ausgerüstet, mit dem sich die Tiefenschärfe durch einfaches Drehen an einem Einstellknopf sehr bequem und schnell vornehmen lässt. Während des Einstellvorgangs lässt sich das Echtzeitbild auf dem Monitor gleichzeitig betrachten, so dass die beste Einstellung schnell gefunden ist. Der Zeit- und Arbeitsaufwand für die Bilderstellung vermag der Anwender dadurch um bis zu 70 % zu reduzieren.

Beim Fokussieren werden übrigens Kantenabweichungen und Vergrößerungsschwankungen, welche durch ein Verschieben der Brennpunktposition verursacht werden, vollautomatisch korrigiert. Damit ist eine detailgetreue, natürliche und räumliche Bilderzeugung ohne jegliche Unschärfen sehr einfach zu erzielen. Darüber hinaus wird eine automatische Korrektur von Kamera-Verwackelungen vorgenommen, so dass alle Bilder, selbst die bei schwierigen Aufnahmepositionen aufgenommenen, extrem scharf sind.

Die hohe Tiefenschärfequalität in Kombination mit dem neuentwickelten D.F.D.-Verfahren ermöglicht eine dreidimensionale Bilddarstellung von höchster Qualität. Bei der D.F.D.- (depth from defocus-)Technologie werden die 3-D-Daten durch Berechnung der Höhenunterschiede auf Grundlage von 2 oder mehreren 2-D-Bildern mit unterschiedlichen Fokuspunkten erzielt. Durch eine Verstellung der Beleuchtung, die sich mit nur einer einzigen Taste vornehmen lässt, sind Vorsprünge und Vertiefungen optimal auszuleuchten.

2 Anwendungsbeispiele aus der Praxis verdeutlichen, dass sich durch den Einsatz dieses optischen Digital-Mikroskops hohe Kosten- und Zeiteinsparungen realisieren lassen.

Bei der Herstellung von pulverförmigen Medikamenten stellt die Korngröße einen wichtigen Parameter dar. Schließlich beeinflusst sie wesentlich die Wirksamkeit und Wirkdauer eines Medikaments. Mittels des optischen Digital-Mikroskops VHX lassen sich die jeweiligen Korngrößen schnell visualisieren und auf Grund der ausgezeichneten Tiefenschärfe des Mikroskops vermag der Anwender auch die Qualität der Pulverkörner gut festzustellen. Mit Hilfe des VHX-Mikroskops kann also die Medikamentqualität erhöht und die Entwicklungszeit erheblich gesenkt werden.

Bei der Entwicklung von Farbpigmenten für Lacke ließen sich Analysen bisher häufig nur im Labor selbst durchführen. Hierzu mussten Proben von den lackierten Flächen genommen und im Labor untersucht werden. Mittels dem VHX-Mikroskop lassen sich die ersten Analysen nun direkt vor Ort schnell durchführen. Das spart Zeit und Kosten ein.

Selbstverständlich verfügt das optische Digital-Mikroskop VHX über eine Reihe von Funktionen, die dem Anwender die bestmögliche Abbildung des zu betrachtenden Objektes erheblich erleichtern. So lässt sich das Bild auf dem großen 15-Zoll-Farb-LCD-(TFT)Monitor horizontal oder vertikal teilen, um beispielsweise ein Objektausschnitt nochmals zu vergrößern. Trotzdem kann das Gesamtbild gleichzeitig angezeigt werden. Mittels der vierfachen Bildschirmteilung vermag der Betrachter ein Objekt sogar aus verschiedenen Blickwinkeln bestmöglich zu betrachten und alle 4 Ansichten miteinander zu vergleichen. Die Zeitraffer-Funktion wiederum erlaubt Bilder in einem festgelegten zeitlichen Abstand automatisch aufzunehmen.

Weist ein Objekt sowohl extrem dunkle wie auch extrem helle Bereiche auf, dann ist meist keine optimale Darstellung mittels herkömmlicher Mikroskope möglich. Das Mikroskop VHX dagegen verfügt über eine Regelfunktion, die selbst extrem kontrastreiche Objekte einwandfrei darstellen kann. Mit Hilfe von indirekter und direkter Beleuchtung lassen sich zudem Schatten auf den Bildern vermeiden. Die Kantenvergrößerungsfunktion wiederum erlaubt eine Objektvergrößerung in Echtzeit in einem bestimmten Betrachtungsbereich. Kantenfehler sind daher extrem schnell aufzufinden.

Umfangreiche Messfunktionen ermöglichen dem Anwender, die Objekte nicht nur quantitativ zu betrachten, vielmehr erlauben diese auch eine exakte qualitative Messung. Ob Abstand, Mittenabstand, Radius oder automatische Flächenauswertungen von Farb- und Helligkeitsflächen, eine Vielzahl an Messfunktionen sind mit diesem Gerät möglich. Mittels dem Mikroskop VHX lassen sich selbst submikrometergenaue Messungen sehr einfach durchführen.

Das kompakte und mit nur 13 kg Gewicht (inklusive LCD-Monitor) leicht tragbare Digital-Mikroskop VHX ist mit einer handlichen Digital-Kamera ausgerüstet. Die Kamera verfügt über einen 2,11 Mio. Pixel CCD-Bildsensor. Ihre elektronische Verschlussblende lässt sich in Stufen bis hinab zu 1/5000 s einstellen. Dank ihrer sehr kompakten Konstruktion ermöglicht die Kamera bewegliche Betrachtungen bei hoher Präzision selbst bei sehr beengten Verhältnissen.

Die Bilder können auf einen großen 15-Zoll-Farb-LCD-(TFT-) Monitor sofort ausgegeben werden. Der große Farbbildschirm ermöglicht auch die Betrachtung der Bilder von mehreren Personen gleichzeitig, so dass sich direkt vor Ort die Analysen vom Team vornehmen lassen. Bei Bedarf sind die Bilder auf einer 40-GB-Festplatte abzuspeichern (Kapazität etwa 200 000 Bilder bei Komprimierung eines 2 Mio. Pixel-Bildes) oder per LAN- (RJ-45; 10BASE-T/100 BASE-TX) bzw. USB-2.0-Schnittstelle auf andere Rechner sowie übers Internet zu übertragen. Ein 24faches CD-R/RW-Laufwerk ist im Gerät zusätzlich eingebaut.

Eine Vielzahl an Objektiven vom Makro- über diverse Telezoomobjektive bis hin zu Boreskope-Objektiven sowie flexible Endoskope und verschiedene Zubehörartikel wie ein digitaler Farbdrucker runden das Bild dieses innovativen optischen Digital- Mikroskops ab.

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