Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen
Die Fokussierung von Mikroskopen, d. h. die Scharfeinstellung des beobachteten Bildes erfolgt durch manuelle Betätigung der entsprechenden Einstellmittel mit Hilfe einer visuell durchgeführten Einstell'kontroll'e.
Abgesehen davon, dass diese Einstellung einen relativ grossen Zeitbedarf hat, wird vor allem auch die Scharf- einstellunlg des Bildes subjektiv beurteilt, so dass erfah- rungsgemäss methodische Fehler der Beurteilung zur Wirkung kommen. Daraus resultieren insbesondere bei Mikroskopen, die zu Messungen am Objekt dienen, Fehler, die keinen einwandfreien Vergleich der gemessenen Werte ermöglichen.
Es sind Mikroskope für stereometrische Untersu chungen von Durchlic1z,tobjakten bekannt, die eine quantitative Bildanalyse automatisch vornehmen. Durch den beschriebenen manuellen Einstellvorgang wird bei solchen weitgehend automatisierten Geräten die erreichbare Analysengeschwindigkeit in nicht vertretbarer Weise abgegrenzt.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fokussierung von Mikroskopen anzugeben, welche die erwähnten Nachteile nticE,t aufweisen und die eine von 'Einstellfeih- lern freie automatische Fokussierung ermöglichen.
Me Erfindung betrifft danrit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mit fernsehtechnischen Mitteln die Messung einer kennzeichnenden geometrischren Grösse am Bild eines Objektes durchgefübrt wird und dass zugleich die Feinfokussierunlg des Mikroskops so lange verstellt wird, bis das Messsignal einen Minimalwert der Igeometrischen jGrösse anzeigt.
Es ist vorteilhaft, am Bild Ides Objektes eine Längen- oder Flächenmessung durchzuführen, und zwar in der Art, dass nur die Bildelemente, deren Videosignal eine einstellbare Referenzspannung überschreiten, zur Messung beitragen.
Bei dem neuen Verfahren zur automatischen ìFokus- sierung von Mikroskopen gilt als Kriterium für die Scharfeinstellung des Objektbildes der von den fensehtechnischen Mitteln festgestellte [N4inimalwert der kennt zeichnenden geometriscE,en Grösse. Beim Einstellvor- gang werden Mittel zur Feinfokussierung des Mikro skops vorzugsweise kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit betätigt.
Sobald die fernsehtechnischen Mittel das Erreichen des Minimalwerts der optischen Grösse signalisieren, wird automatisch, die Verstellung der Feinfokussierung beendet. Das Mikroskop ist dann einwandfrei fokussiert, wobei diese Fokussierung auf einem objektiv festgestellten Kriterium Beruht und aus diesem Grunde jederzeit reproduzierbar ist.
Bei der erwähnten Längen- und Flächenmessung besteht eine eindeutige Beziehung zwischen dem ermittelten Messwert und der Einstellung der ìFeinfokussie- rungsmittel nur in einem begrenzten Intervall, wie die nachstehenden Ausführungen zeigen Werden. Aus die sem Grunde ist es vorteilhaft, die Fe'infokussierung des Mikroskops auf dieses vorbestimmte Intervall zulbegren- een.
Die Wirkungsweise des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung sowie die erfindungsgemässe Vorrichtung werden im folgenden anhand von Aus±ührungslbei- spielen näher erläutert, welche in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In einzelnen zeigen:
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Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in schematischer Darstellung;
Fig. 2a und 3a das auf der Photokathode der Fernset,aufnahmeröhre entstehende Objektbild bei Scharfeinstellung sowie das Videosignal einer Zeile;
Fig. 2b und Sb das auf der Photokathode der Fernsehasufnahfmeröhre entstehende Objektbild bei unscharfer Einstellung sowie das Videosignal einer Zeile;
Fig. 4 die Abhängigkeit der Flächengrösse des Objektbildes von der Vertikalbewegung des Mikroskop- tisches in graphischer Darstellung;
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Fig. 5 das Blookschaltbild einer Komparatorschaltung zum Unterbrechen der Verstellung der sFeinòkus- sierung bei Erreichen der Schärfenebene;
Fig. & das Bild eines Objektes bei Verwendung einer relativ grossen Messblende; Fg. 6b das Bild desselben Objektes bei Verwendung einer kleinen Messblende.
In Fig. 1 ist mit 1 die Beleuchtungseinrichtung eines schematisch mit 2 dargestellten Mikroskopes bezeichnet.
Das zu untersuchende Objekt ist auf dem Mikroslkop- tisch 3 gehaltert. Mit dem Mikroskop 2 ist eine Fernsehkamera 4 verbunden, welche elektrisch mit der Zentrale 8 in Verbindung steht. Mit der Zentrale ist weiterhin ein Monitor 9 und ein Bedienungspult 10 verbunden.
Der Mikroskoptisch 3 weist schematisch gezeichnete Vorrichtungen 5, 6 und 7 auf, welche zur Verstellung des Tisches in der x-, y- und z-Richtung dienen. Diese Einstelibewegungen werden, wie angedeutet, über die Zentrale 8 Igesteuert. Die Feinfokussierung des in Fig. 1 dargestellten Mikroskopes erfolgt im betrachteten Beispiel durch Verschieben des Mikroskoptisches 3 in z Richtung.
mg. 2a zeigt das auf der Photokathode der Fernsehkamera 4 entstehende Objektbild eines fadenförmigen Objektes annähernd kreisförmigen Querschnittes, dessen Längsachse annähernd senkrecht zur Mikroskopachse orientiert ist. Es ist der Zustand der optimalen Fokussierung dargestellt, in welchem das Objekt als schmaler heller Streifen erscheint. Die mit 11 bezeichneten Abtaststrahlen liefern dann im Bereich des Objoktlbildes ein Videosignal 12, welches einen starken Spannungssprung zeigt.
Wird das Objektbild defokussiert, so wächst die Objektfläche im Bild, wobei gleichzeitig die Objektränder und Objektdetails in zunehmendem Masse undeut lich werden. Das Bild im defokussierten Zustand zeigt Fig. 2b. Das Objekt erzeugt in diesem Fall ein leicht aufgehelltes Band ohne scharfe Begrenzung und das entsprechende Videosignal 13 zeigt eine allmähliche Spannungsänderung ülber einen grossen Teil der Fernsehzeile, wobei diese Spannungsänderung jedoch eine niedrige Maximalamplitude aufweist.
Die in den Fig. 2a und 2b dargestellte Linie 14 stellt die willkürlich eingestellte Lage der Diskriminator- schwelle für die Helligkeit des Objektlbildes dar. Nur Vi deosignale deren Spannungswerte die Diskriminatorschwelle 14 überschreiten werden zur Messung herangezogen.
Im dargestellten Fall wird eine Längenmessung über eine Sch,nittpunktzählung durchgeführt. Darunter versteht man die Zählung der Schnittpunkte der Zeilen 11 mit dem Objektrand beim ;Hell- Dun,kel-tbergang. Bei einfach zusammenbängenden Objekten. wie im dargestellten Beispiel, kann damit unmittelbar die grösste Erstreckung des Objektes in Vertikalrichtung gemessen werden. Da der Abstand der Abtastzeilen 11 äquidistant und konstant ist, ist die Anzahl der Schmttpunkte der Vertikalausdehnung des Objektes direkt proportional.
Die Schnittpunktzähluflg geschieht in der Zentrale 8.
Es ist ohne weiteres zu sehen, dass die von der Fernsehëïnricb,tung 4, 8 gemessene Länge bei unscharfer Einstellung nach Fig. 2b grösser ist als bei optimaler Scharfeinstellung nach Fig. 2a.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden im allgemeinen Flächenmessungen vorgezogen, da diese auch bei komplizierten Objekten ein einwandfreies Messikriterium liefern.
iFig. 3a zeigt das Bild des schon in Fig. 2a angezeigten Objektes. Der Objekttisch 3 ist hier jedoch um 900 gedreht, so dass das Objektbild senkrecht zu den Abtastzeilen 11 liegt. Das im dargestellten Zustand der optimalen Fokussierung entstehende Videosignal einer Bildzeile ist mit 15 bezeichnet. Das im Fall des defokussierten Mikroskops auf der Kathode der Bildauf- nahmeröhre entstehende Bild zeigt Fig. 3lb. Das entsprechende Videosignal einer Bildzeile ist mit 16 bezeichnet.
Die Linie 17 stellt die Diskriminatorschwelle für die Helligkeit des Objektbildes dar. Nur Videosignale, deren Spannungswerte die Schwelle 17 überschreiten, werden zur Flächenimessung herangezogen.
Wie ohne weiteres einzusehen ist, liefert die Zentrale 8, welche die eigentliche Flächenmessung durchfüt,rt, ein Signal, dessen Amplitude im Falle der optimalen Fokussierung, d. h. der kleinsten Fläche des Objektbildes, niedriger ist als im Falle einer unscharfen Einstellung des Bildes.
Fig. 4 zeigt die Fläche des Objekthildes in Abhän gigkeit von der Vertikalbewegung z des Mikroskopti- sches 3. Wie der ausgezogen dargestellte Kurventeil 18 zeigt, weist das Objektbild für den in der Höhenstellung z,,t befindlichengMikroskoptisch 3 eine minimale Fläche auf. In dieser Lage ist die optimale Fokussierung erreicht. Mit zunehmender Defokussierung wächst die Objektfläche im Bild, wie dies die beiden gestrichelt gezeichneten Kurventeile 19 und 20 zeigen, welche für visuelle Betrachtung gelten.
Das von der Fernseheinrichtung 4, 8 gelieferte, der Objektbildfläche F proportionale Signal iF (Z) wächst zwar imin der Entfernung von der Schärfenebene ebenfalls zunächst an und folgt dabei dem Kurventeil 18, durchläuft jedoch bei stärkerer Defokussierung ein Maximum und fällt danach mebr oder minder steil ab unter Umständen bis auf den Wert Null. Dies ist in Fig. 4 durch die beiden punktiert gezeichneten Kurvenäste 21 und 22 gezeigt.
Das Zustandekommen der beiden Kurvenäste 21 und 22 ist aus der Betrachtung der Fig. 3a und Sb leicht zu erklären. Geht man vom optimal fokussierten Zustand aus, so wird bei zunehmender Defokussierung zunächst der Spannungs sprung im Videosignal verbreitert, erreicht jedoch seine Maximal amplitude nicht mehr. Dies entspricht zudem Ansteigen des Kurventeiles 18 und der anschliessenden Kurvenäste 21 und 22. Bei weiterer Defokussierung wird schliesslich ein immer geringerer Teil der Videosignale die Diskriminatorwelle 17 überscbreiten, d. h. die Kurvenäste 21 und 22 fallen steil ab.
Schliesslich tritt der Zustand ein, dass das Videosignal vollständig oberhalb der Diskriminatorschwelle 17 verläuft, d. h. die beiden Kurvenäste 21 und 22 haben den Wert Null erreicht.
Derselbe Effekt tritt bei der in Fig. 2a und 2b dargestellten Längenmessung auf.
Aus Fig. 4 ist deshalb ersichtlich, dass es in jedem Fall vorteilhaft ist, den IFokussiebereich auf das Inter vall von zmin bis zmax beispielsweise durch Endiagen- schalter zu beschränken. Innerhalb dieses Intervalles ist die Schärfenebene eindeutig durch das Minimum des von der Ferns eheinrichtung gelieferten Messsignales gekennzeichnet.
Verstellt die Vorrichtung 7 zur Vertikalverschiebung des Mikroskoptisches 3 diesen mit konstanter sOeschwin- digkeit, so markiert im Fall der Flächenmessung die mit einer Differenzierstufe erhaltene Ableitung der von der Mess- und Auswerteeinheit in der Zentrale 8 gelieferten, dem Wert F(z) proportionalen IGleichspannung iF(t) im Null durchgang die Schärfenebene. Mittels einer Kompa ratorschaitung, wie sie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, wird beim Nulldurchgang des differenzierten Si guales diF(t) die Vorrichtung 7 abgescbaltet.
dt
In der Schaltung der Fig. 5 wird dem aus dem Kondensator 23 und dem Widerstand 24 bestehenden Differenzierglied das signal iF(t) zugeführt. Hinter dem Verstärker 25 erscheint dann das differenzierte Signal und wird dem mit 26 bezeichnetem Komparator zugeführt. Dem anderen Eingang dieses Komparators wird eine Referenzspannung zugeführt. Beim Nulldurchgang der Differenzierspannung wird über das Relais 27 der Schalter 28 betätigt, welcher die Vertikalbewegung des Mikroskoptisches 3 stoppt.
Die Empfindlichkeit der automatischen Fokus- sierung nach dem erfinldungsgemässen Verfabren wächst mit der Beleuchtungs- und Beobachtungsapertur des Mikroskops. Bei der Wahl der Beleuchungsapertur ist jedoch der erzielbare Kontrast der optischen Abbildung zu berücksichtigen.
Durch Wahl der im Strahlengang angeordneten Messblendenfläche der Fernseeinrichtung lässt sich die Empfindlichkeit der automatischen Fokussierung in weiten grenzen ändern. IEin auslgedehntes Objekt liefert im Fall der Flächenmessung bei einer grossen Messblenden- fläche wie sie in Fig. 6a dargestellt ist, nur verhältnismässig geringfügige Änderungen der Flächenmessung beim Fokussiervorgang nahe der Schärfenebene. Bei einer gemäss Fig. 6b in der Höhe eingeengten Messfeldblende hingegen ist die relative änderung der angezeig- ten Objektfläche mit der Höhenverstellung des Tisches 3 wesentlich grösser.
A;bsc'bAiessend soll noch der Funkbionsablauf bei einer Vorrichtung gemäss Fig. 1 im Rahmen einer automatischen Dicken-Bestimmung an einer Vielzahl mikroskopischer Objekte beschrieben werden.
Mit dem Betätigen der Starttaste am Bedienungspult 10 wird über die Zentrale 8 der Mikroskoptisch 3 gemäss dem vorgewählten Programm für die x- ond y Richtung über die Vorrichtungen 5 und 6 motorisch verstellt. Nach Einlaufen in die Messposition verharrt der Tisch bis zur Been,digung der Fokussierung und der anschliessenden stereometrischen Messung, im betradbr teten Beispiel der Dicken-Messung, in Ruhestellung.
Gleichzeitig mit der x- und y-Verstellung des Tisches 3 erfolgt seine motorische Höhenverstellung in z-Richtung bis zu einem vorgegebenen Minimalwert zein. Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle einer Verschie bung des Tisches 3 die Fokussierung mit Hilfe einer Höhenverstellung der Beobachtungseinrichtung 2 zu erreichen. Nachdem der Tisch die vorgegebene z Position erreicht hat,
schaltet die Mess- und Auswerteelektronik in der Zentrale 8 selbsttätig auf die Betriebsart Längen- oder Flächenmessung. Gleichzeitig wird der Motor für die Fokussierung angeschaltet und verstellt nun den Tisch 3 mit konstanter Geschwindigkeit bis das zu fokussierende Objekt in die Schärfenebene der Beobachtungsoptik gelangt. Sobald dies der Fall ist, wird der z-M:otor ausgeschaltet, die Mess- und Auswerteelektronik wird im angenommenen Beispiel auf IDickenmes- sung umgeschaltet und nach Beendigung dieser Messung beginnt mit der x-, y-Verstellung des Tisches 3 ein neuer Fokussierungs- und Messzyklus in der beschriebenen Weise.
PATENTANSPRÜCHE
I. Verfahren zur automatiscE,en Fokussierung von Mikroskopen, dadurch gekennzeichnet, dass mit fernsehtechnischen Mitteln die Messung einer kennzeichnenden geometrischen Grösse am Bild eines Objektes durchgeführt wird und dass zugleich die Feinfokussie- rung des Mikroskopes solange verstellt wird, bis das Messsignal einen Minimaiwert der geometrischen Grösse anzeigt.
II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch eine mit dem Mikroskop verbundene ferusehtechnische Einrichtung zur Messung einer kennzeichnenden geometrischen Grösse am mikroskopischen Bild eines Objektes mit tbestimmter Ansprechempfindlichkeit, eine Anordnung zur Differenzierung des von der femsehtechnischen Einrichtung gelieferten Signals, einen Motor zur Verstellung der Feinfokussierung innerhalb eines durch Endlagenschalter begrenzten Intervalls sowie durch einen mit der Differenzieranordnung verbundenen B etätigungs- schalter für diesen Motor.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass am Bild des Objektes eine Längenmessung durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass am Bild des Objektes eine Flächenmessung durchgefühUrt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Bildelemente, deren Videosignal eine einstellbare Referenzspannung überschreiten, zur Messung beitragen.
4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch Ige kennzeichnlet, dass die Feinfokussierung des Mikroskops auf ein bestimmtes Intervall begrenzt wird.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurdh gekennzeichnet, dass leine Blende zur Begrenzung des der fernsehtechnischen, Einrichtung zugeführten Objektbildes vorgesehen ist.
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