DE102012111452B3

DE102012111452B3 - Optical arrangement for recording e.g. behaviors of non-human biological object in biology field, has planar matrix forming pattern, and optical filter passing wavelength of light beam, where wavelength lying within internal is weakened

Info

Publication number: DE102012111452B3
Application number: DE201210111452
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Alshut
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-11-28

Abstract

The arrangement has a planar matrix (20) forming a pattern of single controllable regions (21, 22) and inserted into an optical path such that a light beam (11) is sent-out from a light source (10). The light beam includes wavelength, and an object i.e. non-human biological object (1), is loaded and modified in an interval. The planar matrix forming the pattern weakens the actuated light beam for the wavelength lying with the internal. An optical filter (30) passes the wavelength lying in the optical path, where the wavelength lying within the internal is weakened. An independent claim is also included for a method for recording an image of an object by an optical arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung, ihre Verwendung und ein Verfahren zur Aufnahme eines Bildes mittels einer derartigen optischen Anordnung.The invention relates to an optical arrangement, its use and a method for capturing an image by means of such an optical arrangement.

Für verhaltensbasierte in vivo Untersuchungen im Bereich der Biologie werden Objekte, zu denen hier auch nicht-humane Organismen oder Zellen, darunter auch Modellorganismen, bevorzugt Fliegen, Fische, Fischlarven oder Mäuse, zählen, vor allem um ein bestimmtes Verhalten zu provozieren, mit visuellen Stimuli beaufschlagt, deren Ausprägung, Farbe und Form von der zu untersuchenden Fragestellung abhängt, mit einer Kamera aufgezeichnet und das erhaltene Bewegungsprofil ausgewertet. Als Stimuli dienen Muster, vorzugsweise Lichtblitze, eingefärbte Objekte, bevorzugt Kreise oder Streifen, oder eine Simulation eines natürlichen Feindes. Die Reaktion der untersuchten Objekte ermöglicht Rückschlüsse auf biologische Vorgänge, wofür eine ständige Beobachtung und eine Auswertung der Reaktionen, auch während der Applikation des Stimulus, erforderlich sind.Behavior-based in vivo studies in the field of biology include objects, including non-human organisms or cells, including model organisms, preferably flies, fish, fish larvae or mice, primarily to provoke behavior, with visual stimuli applied, whose expression, color and shape depends on the question to be examined, recorded with a camera and evaluated the motion profile obtained. Stimuli are patterns, preferably flashes of light, colored objects, preferably circles or stripes, or a simulation of a natural enemy. The reaction of the examined objects allows conclusions to be drawn on biological processes, for which a constant observation and an evaluation of the reactions, also during the application of the stimulus, are necessary.

Für biologische Untersuchungen wird standardmäßig eine Durchlichtbeleuchtung der zu untersuchenden Objekte als Beleuchtungstechnik eingesetzt. Obwohl sich hierbei feine Strukturen gerade bei dünnen bzw. transparenten Objekten abbilden lassen, werden alle Objekte in einem Strahlengang gleichzeitig akquiriert, so dass hintereinander angeordnete Objekte nicht sichtbar sind, da kleinere Objekte von größeren Objekten verdeckt werden. Eine Applikation von Stimuli erfordert ein zusätzliches Eingreifen in den Strahlengang, das entweder zu einer Überlagerung bzw. zu einer Verdeckung des Bildes des Objekts führt oder Spiegelungen bzw. Reflexionen hervorruft, wenn eine andere Beleuchtungstechnik, insbesondere eine Auflichtbeleuchtung, eingesetzt wird.For biological examinations, a transmitted light illumination of the objects to be examined is used by default as a lighting technique. Although fine structures can be reproduced precisely in the case of thin or transparent objects, all objects are simultaneously acquired in one beam path, so that objects arranged one behind the other are not visible, since smaller objects are obscured by larger objects. An application of stimuli requires an additional intervention in the beam path, which either leads to an overlay or to a masking of the image of the object or causes reflections or reflections, if another illumination technique, in particular a incident illumination, is used.

Aus A. E. Carpenter, Image-based chemical screening, Nature Chemical Biology, 3(8):461, 2007, ist bekannt, dass in den letzten Jahren zunehmend automatisierte Bildakquisesysteme für Untersuchungen im Bereich der Biologie eingesetzt werden, die auch bei Hochdurchsatz-Verfahren in der Pharmakologie weit verbreitet sind. Als Beleuchtungstechnik dient auch hier meist die Durchlichtbeleuchtung.From AE Carpenter, Image-based chemical screening, Nature Chemical Biology, 3 (8): 461, 2007, it is known that in recent years increasingly automated Bildakquisesysteme be used for investigations in the field of biology, which is also in high-throughput methods in Pharmacology are widely used. As the illumination technique, the transmitted light illumination is also usually used here.

Verhaltensbasierende Screens, d. h. biologische Siebtests, finden für biologische Untersuchungen vermehrt Einsatz, da diese einen direkten Rückschluss auf die Wirkungsweise von biologischen Vorgängen ermöglichen. Nach J. Rihel and A.F. Schier, Behavioral screening for neuroactive drugs in zebrafish, Developmental Neurobiology, 72(3):373-385, 2012, wird zum Zweck der visuellen Stimulierung bei gleichzeitiger Bildakquise eine Auflichtbeleuchtung als Beleuchtungstechnik eingesetzt, die den Einsatz und die Auflösung derartiger Anordnungen begrenzen.Behavioral screens, d. H. biological sieve tests, are increasingly used for biological studies, as they allow a direct inference to the mode of action of biological processes. After J. Rihel and A.F. Schier, Behavioral Screening for Neuroactive Drugs in Zebrafish, Developmental Neurobiology, 72 (3): 373-385, 2012, uses reflected-light illumination as a lighting technique for the purpose of visual stimulation with simultaneous image acquisition, which limits the use and resolution of such devices.

Ein weiterer Ansatz besteht darin, biologische Objekte mittels fluoreszierenden Markern zu versehen, die mit einer bestimmten Wellenlänge sichtbar gemacht werden. Wird für die Wellenlänge der Lichtstimuli ein anderer Wellenlängenbereich als für das emittierte Licht des Objekts eingesetzt, so lässt sich das emittierte Licht mittels eines Filters nahezu ungestört akquirieren. Nachteilig hieran ist, dass nur markierte Bereiche im Objekt erfasst werden, so dass Informationen zur Form des Objekts und zur Position der Marker relativ zum Objekt nicht im Bild festgehalten werden.Another approach is to provide biological objects with fluorescent markers that are made visible at a particular wavelength. If a different wavelength range is used for the wavelength of the light stimuli than for the emitted light of the object, then the emitted light can be acquired almost undisturbed by means of a filter. The disadvantage of this is that only marked areas are detected in the object, so that information on the shape of the object and the position of the marker relative to the object are not captured in the image.

Die US 7,817,824 B2 offenbart ein Verfahren zur Charakterisierung des Verhaltens von Tieren, bei dem eine Bildakquise mittels einer Kamera durchgeführt wird, die von oben auf das Tier gerichtet ist.The US 7,817,824 B2 discloses a method for characterizing the behavior of animals in which image acquisition is performed by means of a camera aimed at the animal from above.

Auch die EP 2315065 A2 offenbart ein Mikroskop mit einer Muster generierenden Vorrichtung, Filtern und mehrere Wellenlängenbereiche erzeugenden Einrichtungen.Also the EP 2315065 A2 discloses a microscope with a pattern generating device, filters, and multiple wavelength domain generating devices.

Die US 3,540,413 A beschreibt eine Vorrichtung zur Untersuchung des Verhaltens von Tieren, die einen Käfig aufweist, dessen Boden mit elektrischen Kontakten zur Bestimmung der Position des Organismus versehen ist.The US 3,540,413 A describes a device for investigating the behavior of animals which has a cage whose bottom is provided with electrical contacts for determining the position of the organism.

In der US 2009/0229532 A1 wird eine Umgrenzung zur Aufnahme eines Fisches vorgestellt, bei der ein visueller Stimulus an mindestens einer Seite in Form von Streifen angebracht ist, so dass der Stimulus höchstens auf der Seite der Aufnahme erscheint. Nachteilig hieran ist, dass weder Anbringung noch Form des Stimulus frei wählbar sind.In the US 2009/0229532 A1 Imagine a boundary for taking a fish, where a visual stimulus is applied to at least one side in the form of stripes so that the stimulus appears at most on the side of the shot. The disadvantage of this is that neither attachment nor shape of the stimulus are freely selectable.

Die US 4,337,726 A offenbart eine Vorrichtung zur Aufzeichnung des Verhaltens und der Aktivität von Tieren, mit der sich ambulatorische Bewegungen wie Wanderbewegungen oder ein kompletter Standortwechsel von nicht-ambulatorischen Bewegungen, insbesondere Pflege-, Kratz- oder Rotationsbewegungen des Tieres, unterscheiden lassen. Hierzu werden Dioden eingesetzt, die rings um einen Käfig angebracht sind.The US 4,337,726 A discloses a device for recording the behavior and activity of animals, with which ambulatory movements such as migratory movements or a complete relocation of non-ambulatory movements, in particular care, scratch or rotational movements of the animal, can be distinguished. For this purpose, diodes are used, which are mounted around a cage.

Die bisher bekannten Anordnungen eignen sich jedoch nicht ohne weiteres für Modellorganismen von geringer Größe, insbesondere nicht für Fischlarven, Fischen oder Fliegen, wie sie für Hochdurchsatz-Verfahren erforderlich sind.However, the previously known arrangements are not readily suitable for model organisms of small size, especially not for fish larvae, fish or flies, as they are required for high-throughput processes.

Die DE 196 44 662 A1 offenbart eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop mit einer Lichtquelle und einer Beleuchtungsoptik, bei der im Beleuchtungsstrahlengang eine flächige Matrix mit einzeln ansteuerbaren Pixeln derart angeordnet ist, dass das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle über die Matrix auf das Objekt gelenkt wird. Auf der Matrix wird mittels einer Steuer- und Rechnereinrichtung ein beliebiges transparentes und/oder opakes Muster erzeugt.The DE 196 44 662 A1 discloses a lighting device for a microscope with a Light source and an illumination optics, in which a planar matrix with individually controllable pixels is arranged in the illumination beam path such that the illumination light is directed by the light source via the matrix to the object. An arbitrary transparent and / or opaque pattern is generated on the matrix by means of a control and computer device.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anordnung, ihre Verwendung und ein Verfahren zur Aufnahme eines Bildes mittels einer derartigen optischen Anordnung vorzuschlagen, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.Proceeding from this, it is the object of the present invention to propose an optical arrangement, its use and a method for capturing an image by means of such an optical arrangement, which do not have the mentioned disadvantages and limitations.

Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anordnung vorzuschlagen, bei der ein visueller Stimulus simultan zu einer Durchlichtbeleuchtung derart ein Objekt beaufschlagt, dass der Stimulus trotz des Platzierens im Bildfeld des Detektors in einer Aufnahme nicht oder kaum sichtbar ist.In particular, it is the object of the present invention to propose an optical arrangement in which a visual stimulus acts on an object simultaneously to a transmitted light illumination in such a way that the stimulus is not or barely visible despite the placement in the image field of the detector in a recording.

Insbesondere soll eine optische Anordnung vorgeschlagen werden, die sich für in vivo Untersuchungen an Organismen von geringer Größe, insbesondere an Fischlarven, Fischen oder Fliegen eignet, um das systematische Erforschen von neuen Wirkstoffen, die das Nervensystem anregen, zu möglichen.In particular, an optical arrangement is proposed, which is suitable for in vivo studies on organisms of small size, in particular fish larvae, fish or flies to the systematic exploration of new drugs that stimulate the nervous system to possible.

Insbesondere soll eine optische Anordnung vorgeschlagen werden, mit der sich verhaltensbasierte Screens, vorzugsweise hochauflösende Aufnahmen, bevorzugt im Hochdurchsatz, vor allem für den Einsatz in der Toxikologie, Pharmakologie und Genetik durchführen lassen.In particular, an optical arrangement is to be proposed with which behavior-based screens, preferably high-resolution images, preferably in high throughput, can be carried out, especially for use in toxicology, pharmacology and genetics.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die optische Anordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf ein Verfahren zur Aufnahme eines Bildes eines Objekts mittels einer derartigen optische Anordnung durch die Schritte des Anspruchs 6 und im Hinblick auf die Verwendung der optischen Anordnung durch die Merkmale des Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved in view of the optical arrangement by the features of claim 1, with regard to a method for capturing an image of an object by means of such an optical arrangement by the steps of claim 6 and with regard to the use of the optical arrangement by the features of claim 10 solved. The subclaims each describe advantageous embodiments of the invention.

Eine erfindungsgemäße optische Anordnung eignet sich zum Einsatz in einem Verfahren zur Aufnahme eines Bildes mindestens eines in den Strahlengang einzubringendes Objekt, bevorzugt ein nicht-humanes biologisches Objekt, insbesondere Fliegen, Fische, Fischlarven oder Mäuse, und weist mindestens die folgenden Bestandteile auf:

(a) Eine Lichtquelle, von der ein Lichtstrahl ausgeht, der mindestens eine Wellenlänge im sichtbaren oder einem hieran angrenzenden Spektralbereich, d. h. nahes oder fernes Infrarot oder Ultraviolett, aufweist, die in einem ersten Intervall [λ₁₁, λ₁₂], bevorzugt im nahen Infrarot, d. h. im Bereich von 780 nm bis 3 μm, liegt;
(b) eine flächige Matrix, die einzeln ansteuerbare Bereiche zur Ausbildung eines Musters aufweist, das den sie beaufschlagenden Lichtstrahl nur für Wellenlängen schwächt (absorbiert), die innerhalb eines zweiten Intervalls [λ₂₁, λ₂₂], bevorzugt im sichtbaren Wellenlängenbereich, d. h. im Bereich von 380 nm bis 780 nm, liegen;
(c) ein optisches Filter, das die Wellenlängen, die im ersten Intervall [λ₁₁, λ₁₂] liegen, passieren lässt und höchstens die Wellenlängen, die im zweiten Intervall [λ₂₁, λ₂₂] liegen, schwächt, bevorzugt ein Bandpass- oder Bandbreitenfilter, bei dem in einem Strahlengang, der den geometrischen Verlauf des Lichtstrahls angibt, höchstens die Wellenlängen eines bestimmten Bereiches (Durchlassbereich, Band, Passband) passieren und die Wellenlängen unter- und/oder oberhalb des Bereichs (Sperrbereiche) ganz oder teilweise abgeschwächt werden; und
(d) einen Detektor zur Aufnahme eines Bildes des mindestens einen Objekts, insbesondere eine Kamera, bevorzugt eine Infrarot-Kamera.

An optical arrangement according to the invention is suitable for use in a method for taking an image of at least one object to be introduced into the beam path, preferably a non-human biological object, in particular flies, fish, fish larvae or mice, and has at least the following components:

(a) A light source emanating from a light beam having at least one wavelength in the visible or adjacent spectral range, ie near or far infrared or ultraviolet, in a first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ], preferably in the near Infrared, ie in the range of 780 nm to 3 microns, is located;
(b) a planar matrix which has individually controllable regions for forming a pattern which weakens (absorbs) the light beam acting upon it only for wavelengths which are within a second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ], preferably in the visible wavelength range, ie Range from 380 nm to 780 nm;
(c) an optical filter which allows the wavelengths lying in the first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ] to pass and at most attenuates the wavelengths lying in the second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ], preferably a bandpass filter or bandwidth filter in which at most the wavelengths of a certain range (passband, band, passband) pass in a beam path indicating the geometric shape of the light beam and the wavelengths below and / or above the range (stop bands) are completely or partially attenuated ; and
(D) a detector for receiving an image of the at least one object, in particular a camera, preferably an infrared camera.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung durchquert der Lichtstrahl, der von der Lichtquelle (a), ausgeht, nacheinander in einem einzigen Strahlengang die flächige Matrix (b), dann das mindestens eine Objekt, dann das Filter (c) und schließlich den Detektor (d) in der angegebenen Reihenfolge und wird jeweils von (b) und (c) sowie von dem mindestens einen, zwischen (b) und (c) in den Strahlengang eingebrachten Objekt entsprechend modifiziert.In a particularly preferred embodiment, the light beam emanating from the light source (a) traverses the planar matrix (b) successively in a single beam path, then the at least one object, then the filter (c) and finally the detector (d) in the given order and is respectively modified by (b) and (c) and by the at least one object introduced between (b) and (c) into the beam path.

Erfindungsgemäß wird durch diese Art der Anordnung die Wirkung erzielt, dass der Detektor das mindestens eine Objekt abbildet, während das Muster, obwohl es in seinem Bildfeld platziert ist, je nach Ausgestaltung des Filters nicht oder kaum abgebildet wird. Dieser Effekt wird allerdings nicht dadurch erreicht, dass die flächige Matrix eine Filterwirkung ausüben würde, sondern durch eine ungestörte Durchleuchtung der flächigen Matrix mit einer Wellenlänge, die vom Filter nicht oder kaum absorbiert wird.According to the invention, the effect achieved by this type of arrangement is that the detector images the at least one object, while the pattern, although placed in its image field, is not or hardly imaged depending on the design of the filter. However, this effect is not achieved by the fact that the planar matrix would exert a filtering effect, but by an undisturbed transillumination of the planar matrix with a wavelength that is not or hardly absorbed by the filter.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung überschneiden sich die Wellenlängenbereiche der Durchlichtbeleuchtung und der Absorption durch das Muster nicht, so dass das erste Intervall [λ₁₁, λ₁₂] und das zweite Intervall [λ₂₁, λ₂₂] keine Schnittmenge miteinander bilden und sich so Objekte ohne Störung mittels des Detektors aufnehmen lassen.In a particularly preferred embodiment, the wavelength ranges of the transmitted light illumination and the absorption by the pattern do not overlap, so that the first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ] and the second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ] form no intersection with each other and thus objects can be recorded without interference by means of the detector.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die einzeln ansteuerbaren Bereiche der flächigen Matrix die Form von einzelnen Pixeln auf. Insbesondere eignet sich hierfür eine Flüssigkristalleinrichtung (engl. liquid crystal display, LCD), vorzugsweise eine LCD, die nur Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich blockt, während sie Licht in anderen Wellenlängenbereichen ungehindert passieren lässt.In a preferred embodiment, the individually controllable areas of the areal matrix have the form of individual pixels. Particularly suitable for this purpose is a liquid crystal device (English: liquid crystal display, LCD), preferably a LCD that only blocks light in a certain wavelength range, while allowing light to pass through unhindered in other wavelength ranges.

In einer besonderen Ausgestaltung dient die flächige Matrix dazu, um Muster, die gewünschte Stimuli wiedergeben, auf das mindestens eine nicht-humane biologische Objekt abgegeben. Damit ermöglicht die optische Anordnung die Beaufschlagung des mindestens einen Objekts mit nahezu beliebigen, auf der flächigen Matrix in Form eines Musters darstellbaren Stimuli. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher insbesondere zum Nachweis von Positionen, Verhaltensweisen, Reaktionen oder Eigenschaften von biologischen Objekten.In a particular embodiment, the planar matrix serves to deliver patterns representing desired stimuli to the at least one non-human biological object. In this way, the optical arrangement makes it possible to apply the at least one object with virtually any stimuli which can be represented on the planar matrix in the form of a pattern. A device according to the invention is therefore particularly suitable for detecting positions, behaviors, reactions or properties of biological objects.

Die vorliegende Erfindung eröffnet die Möglichkeit, Aufnahmen eines nicht-humanen biologischen Objekts, das mit einem Muster, das als Stimulus dient, beaufschlagt wurde, mittels einer Durchlichttechnik zu akquirieren, insbesondere in Hochdurchsatzanwendungen. Darüber hinaus lässt sich damit ein bekanntes Objekt und dessen Reaktionen, Verhaltensweisen, Aussehen oder Position mit dem eingesetzten Stimulus korrelieren und – in einer besonderen Ausgestaltung – mit einen zusätzlichen Stimulus auslösen. Der zusätzliche Stimulus wird ebenfalls in die flächige Matrix eingebracht oder beaufschlagt das Objekt auf andere Weise, bevorzugt in Form von Belohnungen, insbesondere durch Futtergabe, oder von Bestrafungen, bevorzugt in Form von sanften Elektroschocks.The present invention provides the ability to acquire images of a non-human biological object exposed to a stimulus pattern by means of a transmitted light technique, particularly in high-throughput applications. In addition, a known object and its reactions, behaviors, appearance or position can be correlated with the stimulus used and - in a special embodiment - triggered with an additional stimulus. The additional stimulus is also introduced into the planar matrix or acts on the object in another way, preferably in the form of rewards, in particular by feeding, or punishments, preferably in the form of gentle electric shocks.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment and the figures. Hereby show:

1 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung; 1 Schematic representation of an optical arrangement according to the invention;

2a) Aufnahme eines Fisches, der teilweise abgeschattet wurde, mit einer Anordnung nach dem Stand der Technik;
b) Aufnahme desselben Fisches mittels einer Auflicht-Technik und unter Einbringung des Filters in den Strahlengang;
c) Aufnahme desselben Fisches mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung; 2a) Picking up a fish which has been partially shaded, with a prior art arrangement;
b) recording of the same fish by means of a reflected-light technique and incorporation of the filter in the beam path;
c) receiving the same fish with an optical arrangement according to the invention;

3a) Aufnahme von Fischlarven, die mit einem Streifenmuster abgeschattet wurden, mit einer Anordnung nach dem Stand der Technik;
b) Aufnahme derselben Fischlarven mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung;
c) Aufnahme, in der Bewegungstrajektorien der Fischlarven mittels eines Tracking Algorithmus' wiedergegeben wurden. 3a) Inclusion of fish larvae shaded with a stripe pattern with a prior art arrangement;
b) receiving the same fish larvae with an optical arrangement according to the invention;
c) Recording in which movement trajectories of the fish larvae were reproduced by means of a tracking algorithm.

In 1 findet sich eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung. Ein von einer Lichtquelle 10 ausgehender Lichtstrahl 11, der mindestens eine Wellenlänge im nahen Infrarot (780–3000 nm) aussendet, beaufschlagt zunächst eine Flüssigkristalleinrichtung (LCD) mit einer flächigen Matrix 20, die einzeln ansteuerbare Bereiche 21, 22, ... aufweist. Hierzu wurde das Gehäuse einer handelsüblichen LCD entfernt und das Netzteil und der übrigen für den Betrieb der LCD erforderlichen Technik neben der als Display dienenden Matrix platziert. Hierdurch ließ sich der für die Darstellung eines Bildes erforderliche Teil der LCD im Strahlengang positionieren und vollständig durchleuchten.In 1 there is a schematic representation of an optical arrangement according to the invention. One from a light source 10 outgoing light beam 11 , which emits at least one wavelength in the near infrared (780-3000 nm), initially applied to a liquid crystal device (LCD) with a planar matrix 20 , the individually controllable areas 21 . 22 , ... having. For this purpose, the housing of a commercially available LCD was removed and placed the power supply and the other necessary for the operation of the LCD technology next to the serving as a display matrix. As a result, the required for the representation of an image part of the LCD in the beam path could be positioned and fully illuminated.

Die ansteuerbaren Bereiche 21, 22, ... werden derart angesteuert, dass sie ein Muster ausbilden, das den Lichtstrahl 11 so verändert, dass aus der flächigen Matrix 20 ein modifizierter Lichtstrahl 11' austritt, der anschließend ein in den Strahlengang eingebrachtes Objekt 1 beaufschlagt. Hierbei ist das von den einzeln ansteuerbaren Bereichen 21, 22, ... ausgebildete Muster derart ausgestaltet, dass es die Intensität des Lichtstrahls 11 nur im sichtbaren Wellenlängenbereich (380–780 nm) verändert.The controllable areas 21 . 22 , ... are controlled so that they form a pattern that the light beam 11 so changed that out of the planar matrix 20 a modified light beam 11 ' exit, the subsequently introduced into the beam path object 1 applied. This is the case of the individually controllable areas 21 . 22 , ... designed patterns such that it is the intensity of the light beam 11 changed only in the visible wavelength range (380-780 nm).

Als Objekt 1 diente im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein mit Wasser gefülltes Gefäß, in dem sich ein Zebrabärbling 2 frei bewegen kann. Durch das hier eingesetzte nicht-humane biologische Objekt 1 wird der modifizierte Lichtstrahl 11' erneut modifiziert, und zwar derart, dass aus dem Gefäß ein weiter modifizierter Lichtstrahl 11'' austritt, der anschließend auf ein optisches Filter 30 auftrifft.As an object 1 served in the present embodiment, a vessel filled with water, in which a zebrafish 2 can move freely. Through the non-human biological object used here 1 becomes the modified light beam 11 ' modified again, in such a way that out of the vessel a further modified light beam 11 '' exit, which is then on an optical filter 30 incident.

Das optische Filter 30 ist hierbei derart ausgestaltet, dass es für diejenigen Wellenlängen, die im nahen Infrarot liegen, durchlässig ist, während es für Wellenlängen, die im sichtbaren Wellenlängenbereich liegen, zumindest teilweise eine Sperrwirkung besitzt.The optical filter 30 is here designed such that it is permeable to those wavelengths that are in the near infrared, while at least partially has a blocking effect for wavelengths that are in the visible wavelength range.

Diese Art der Ausgestaltung verändert den das Filter 30 beaufschlagenden Lichtstrahl 11'' weiter, so dass aus dem Filter 30 ein abschließend modifizierter Lichtstrahl 11''' austritt, der schließlich eine Infrarot-Kamera als Detektor 40 beaufschlagt, der, räumlich aufgelöst, die Intensität des abschließend modifizierten Lichtstrahls 11''' erfasst. Erfindungsgemäß lässt sich so ein Objekt 1, das sich im Strahlengang befindet, durch den Einsatz von Durchlicht aufzeichnen, ohne dass das von den einzeln ansteuerbaren Bereichen 21, 22, ... ausgebildete Muster im Bild sichtbar wird.This type of configuration changes the filter 30 acting light beam 11 '' continue, leaving the filter 30 a finally modified light beam 11 ''' finally, an infrared camera as a detector 40 applied, the spatially resolved, the intensity of the final modified light beam 11 ''' detected. According to the invention, such an object can be 1 , which is located in the beam path, record by the use of transmitted light, without that of the individually controllable areas 21 . 22 , ... trained pattern is visible in the picture.

In einer besonders bevorzugten Ausführung wird die mit dem Detektor 40 erfasste Intensitätsverteilung als Messsignal an eine elektronische Datenverarbeitungsanlage weitergeführt, die hieraus eine Aufnahme in Form eines Bildes liefert, das ggf. in einem Programm zur Bildverarbeitung weiter verarbeitet wird. In einer besonderen Ausführung erfolgt eine Weiterverarbeitung mittels eines sog. Tracking Algorithmus' zur Bestimmung von Position und Bewegungstrajektorie des Objekts. Aus mehreren bearbeiteten oder unbearbeiteten Bildern lässt sich dann optional eine Bildsequenz erzeugen.In a particularly preferred embodiment, the with the detector 40 detected intensity distribution as a measurement signal to an electronic data processing system continued, which provides a recording in the form of an image, which is optionally further processed in a program for image processing. In a particular embodiment, further processing takes place by means of a so-called tracking algorithm for determining the position and movement trajectory of the object. From several processed or unprocessed images can then optionally create a sequence of images.

Die erfindungsgemäße optische Anordnung wurde in einer Reihe von biologischen Versuchen eingesetzt. Als biologische Objekte (Proben) dienten Fische oder Larven, die sich jeweils in einem Glasgefäß befanden und die durch ausgewählte Muster, die in die flächige Matrix mittels der einzeln ansteuerbaren Bereiche eingebracht waren, einer Stimulation unterzogen wurden.The optical arrangement according to the invention has been used in a number of biological experiments. As biological objects (samples) were fish or larvae, which were each in a glass jar and were subjected to stimulation by selected patterns that were introduced into the planar matrix by means of individually controllable areas.

Aus 2 ist der große Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Anordnung deutlich erkennbar. In 2a) ist ein Bild wiedergegeben, das mittels einer herkömmlichen optischen Anordnung ohne spezielle Beleuchtung und Filter aufgenommen wurde. Der Fisch wird hier durch ein Muster in Form einer dunklen und einer hellen Fläche stimuliert und ist hier im unteren, dunkel eingefärbten Bereich praktisch nicht erkennbar.Out 2 is the great advantage of the optical arrangement according to the invention clearly visible. In 2a) a picture is taken, which was taken by means of a conventional optical arrangement without special lighting and filters. The fish is stimulated here by a pattern in the form of a dark and a light surface and is here in the lower, dark colored area practically undetectable.

In 2b) wurde das Objekt mittels einer Auflicht-Technik beleuchtet, wobei vor der Kamera ein Infrarotfilter in den Strahlengang eingebracht war. In der Aufnahme erscheint zwar das gewählte Muster, das als Stimulus dient, nicht im Bild, allerdings setzen deutlich sichtbare Reflexionen und Spiegelungen die Qualität des Bildes wesentlich herab.In 2 B) the object was illuminated by means of a reflected-light technique, whereby an infrared filter was introduced into the beam path in front of the camera. Although the selected pattern, which serves as a stimulus, does not appear in the picture, clearly visible reflections and reflections significantly reduce the quality of the picture.

In 2c) findet sich eine Aufnahme, die mittels der erfindungsgemäßen optischen Anordnung vorgenommen wurde. Die Konturen sind scharf, es treten weder Reflexionen noch Spiegelungen auf und der Fisch ist im Durchlicht deutlich erkennbar, während das gewählte Muster, das als Stimulus diente, im Bild nicht erscheint. Die vorgestellte Technik ermöglicht es also, Versuche in Durchlichtakquise ohne Störungen durchzuführen.In 2c) there is a recording that was made by means of the optical arrangement according to the invention. The contours are sharp, there are no reflections or reflections and the fish is clearly visible in transmitted light, while the selected pattern, which served as a stimulus, does not appear in the image. The proposed technique thus makes it possible to perform experiments in transmitted light acquisition without interference.

Mit der erfindungsgemäßen optischen Anordnung wird ein robustes Tracken des Fisches bei gleichzeitiger Anwendung eines Stimulus möglich. Durch Tracking eines einzelnen Fisches wird erkannt, an welcher Position er sich befindet, und in einer besonderen Ausführung wird ein leichter Stromstoß als weiterer Stimulus abgegeben, solange sich der Fisch innerhalb der dunklen Fläche befindet. Auf diese Weise lernt der Fisch, dunkle Flächen zu meiden. Derartige Versuche ermöglichen Verhaltungsforschung in der Biologie sowie Anwendungen in der Wirkstoffforschung in der Pharmakologie, insbesondere für neuroaktiven Substanzen, Toxikologie oder Genetik.With the optical arrangement according to the invention a robust tracking of the fish is possible with simultaneous application of a stimulus. Tracking a single fish recognizes where it is located, and in one particular embodiment, a light burst is delivered as another stimulus as long as the fish is within the dark area. In this way, the fish learns to avoid dark areas. Such experiments allow behavioral biology research as well as drug discovery applications in pharmacology, particularly for neuroactive substances, toxicology or genetics.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darüber hinaus die Möglichkeit, visuelle Stimuli an die Reaktion der Proben anzupassen, da sowohl Informationen über die Position des Stimulus' als auch über die Reaktion der Probe vorliegen. Hierzu wurden Versuche an Zebrabärblingslarven vorgenommen. Die Larven folgen einem sich bewegenden Untergrund, der sich aus bewegenden Streifen, wie in 3a) dargestellt ist, zusammensetzt und auf der flächigen Matrix angezeigt wird. Damit wird es möglich, in den aufgenommenen Bildern, wie in 3b) dargestellt, die Larven auch tatsächlich zu erkennen, da hier das streifenförmige Muster des Stimulus' die Abbildung der Larven nicht überdeckt.The arrangement according to the invention also makes it possible to adapt visual stimuli to the reaction of the samples, since both information about the position of the stimulus and about the reaction of the sample are available. For this purpose, experiments were carried out on zebrafish larvae. The larvae follow a moving background, consisting of moving strips, as in 3a) is displayed, composed and displayed on the area matrix. This makes it possible in the recorded images, as in 3b) shown to actually recognize the larvae, since here the strip-shaped pattern of the stimulus' does not cover the image of the larvae.

In einer besonderen Ausführung werden Ergebnisse einer sich hieran anschließenden Bildverarbeitung direkt als Einfluss auf den weiteren Stimulus eingesetzt. 3c) zeigt ein Bild, in dem Positionen und Bewegungstrajektorien der Larven mittels eines Tracking Algorithmus' erfasst wurden. Kehrt sich hier die Richtung der Bewegung der Linien um, wenn alle Larven das Ende der Schale erreicht haben, wechseln die Larven ebenfalls ihre Richtung.In a particular embodiment, results of subsequent image processing are used directly as an influence on the further stimulus. 3c) shows an image in which positions and movement trajectories of the larvae were detected by means of a tracking algorithm. If the direction of the movement of the lines reverses here, when all larvae have reached the end of the shell, the larvae also change their direction.

Claims

Optical arrangement comprising a planar matrix ( 20 ), the areas which can be controlled individually to form a pattern ( 21 . 22 , ...) and which is introduced into a beam path such that one of a light source ( 10 ) outgoing light beam ( 11 ), which has at least one wavelength that lies in a first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ], first the areal matrix ( 20 ) and then at least one object to be introduced into the beam path ( 1 ) and thereby modified, before being transformed into a detector ( 40 ) for capturing an image of the at least one object ( 1 ), characterized in that the planar matrix ( 20 ) forms a pattern that transmits the light beam ( 11 ) only weakens for wavelengths that are within a second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ], and that in the beam path in front of the detector ( 40 ) an optical filter ( 30 ), which allows the wavelengths lying in the first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ] to pass, and at most the wavelengths lying in the second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ] is weakly introduced.

Optical arrangement according to claim 1, characterized in that the first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ] and the second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ] have no intersection with each other.

Optical arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ] represent a subset of the infrared wavelength range and the second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ] a subset of the visible wavelength range.

Optical arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the individually controllable areas ( 21 . 22 , ...) of the two-dimensional matrix ( 20 ) are designed in the form of individually controllable pixels.

Optical arrangement according to claim 4, characterized in that a liquid crystal device as a planar matrix ( 20 ) is provided.

Method for capturing an image of at least one object ( 1 ) by means of an optical arrangement according to one of claims 1 to 5, in which the at least one object ( 1 ) in a beam path between a light source ( 10 ), from which a light beam ( 11 ) having at least one wavelength lying in a first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ], and a detector ( 40 ) for capturing the image of the at least one object ( 1 ), characterized in that the light beam, before being directed towards the at least one object ( 1 ), first by a two-dimensional matrix ( 20 ), the individually controllable areas ( 21 . 22 , ...) for forming a pattern that transmits the light beam ( 11 ) attenuates only for wavelengths that lie within a second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ], and that the light beam is deflected before the detector ( 40 ) first through a filter ( 30 ) which passes the wavelengths lying in the first interval [λ ₁₁ , λ ₁₂ ] and at most attenuates the wavelengths lying in the second interval [λ ₂₁ , λ ₂₂ ].

Method according to claim 6, characterized in that the light source ( 10 ) for emitting a light beam ( 11 ) is excited with a wavelength from the infrared wavelength range and that the filter ( 30 ) lets pass the wavelengths that lie in the infrared wavelength range and at most weakens wavelengths which lie in the visible wavelength range.

Method according to claim 6 or 7, characterized in that the at least one object ( 1 ) at least one non-human biological object ( 2 ) and the individual areas ( 21 . 22 , ...) of the two-dimensional matrix ( 20 ) are controlled in such a way that they act as a stimulus on the at least one non-human biological object ( 2 ) Act.

A method according to claim 8, characterized in that additional means are provided, which as a further stimulus to the at least one non-human biological object ( 2 ) Act.

Use of an optical arrangement according to one of Claims 1 to 5 and / or a method according to one of Claims 6 to 9 for taking pictures of at least one non-human biological object ( 2 ) for use in biology, toxicology, pharmacology and / or genetics.