CN117146712A - 在显微镜中确定样本载体空间取向的距离测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显微镜中的距离测量装置，所述装置包括用于将样本载体布置在样本平面中的样本台，以及用于提供测量辐射的至少一个、优选至少两个照明源，所述测量辐射至少成比例地在样本载体(5)的表面被反射。此外还设置有：检测光学单元，用于捕获样本平面中存在的样本载体的全览图像和该样本载体处出现的反射；检测器，设置在检测光学单元的下游，并用于空间分辨地捕获样本载体的图像数据和出现的反射；以及评估装置，用于基于空间分辨的图像数据以及照明源相对于样本平面的位置的知识来至少确定样本载体的至少一个位置处的表面的距离。根据本发明，照明源分别以发散的发射角发射测量辐射。本发明还涉及一种用于确定样本载体的空间取向的方法。

Description

在显微镜中确定样本载体空间取向的距离测量装置和方法

技术领域

本发明涉及距离测量装置和方法。

背景技术

在光学显微镜领域，在图像记录过程中，待成像的样本被保持在透明样本载体中或上。所述样本载体具有通常平坦的界面，该界面相对于用于该图像记录的物镜的光轴垂直取向或处于定义的其他角度位置。

在这种情况下，不同样本载体的高度可以明显地不同，所述样本载体可以实施为例如微量滴定板、玻璃板(盖玻片)、物体载体或培养皿。此外，由于样本载体的制造公差，甚至对于相同类型的样本载体，也可能需要考虑不同的高度。由于制造公差，在样本载体的范围内以及在制造批次的样本载体之间也可能出现不同的高度。在许多情况下，样本载体的底部也具有曲率，曲率可以超过100μm。

在图像捕获期间，相应的样本载体被安装在样本台的底座中或者被放置在样本台上。除了样本载体的不同高度(厚度)之外，样本载体也可能被错误地使用并因此倾斜。由于已经提到的制造公差，样本载体也可能具有不期望的倾斜。

在显微镜的大多数方法中，用于捕获图像数据的物镜必须靠近待成像的样本和透明样本载体。此外，物镜和样本之间的距离在聚焦过程中会发生变化。此外，例如，为了对样本的更大区域成像，物镜和样本经常相对于彼此移动。所有这些相对运动都存在使物镜和样本或样本载体相互碰撞的风险，并且会对样本和所用的技术元件造成损坏。

现有技术公开了一些方法，在这些方法中，清晰界定的光点中的至少一个聚焦光束或准直光束被引导到样本载体上。通过合适的检测器捕获光束撞击到样本载体上时引起的反射，并且从特别是多个反射相对于彼此的位置中推导出样本载体的几何形状以及表面结构。这种点状照明的例子可见于US4,390,277A、US5,251,010A和WO2013/034812A1。

现有技术中描述的解决方案在每种情况下都需要光学元件来聚焦光束。如果使用高能辐射，必须采取额外的安全预防措施，以防止伤害用户或第三方。

发明内容

本发明的目的是提出一种测量样本载体和显微镜光学元件之间距离的可能性，该可能性克服了现有技术中已知的缺点。

该目的是通过根据下文所述的距离测量装置和方法来实现的。下文还描述了有利的发展。

该距离测量装置用于显微镜领域，并且包括用于在样本平面中布置样本载体的样本台。此外，存在至少一个、但优选至少两个照明源，用于提供测量辐射，该测量辐射在样本载体的表面处被反射或者可以至少成比例地被反射。在这种情况下，该表面充当光学界面。同样存在的检测光学单元可以捕获位于样本平面中的样本载体处的全览图像并且还捕获样本载体处出现的反射。适于空间分辨地捕获样本载体的图像数据和出现的反射的检测器在检测光路中设置在检测光学单元的下游。这种检测器包括检测平面中的多个检测器元件，这些检测器元件优选可以被单独读取。这种检测器的例子是CCD、CMOS和sCMOS检测器，以及许多单独的检测器的排列，例如PMT或SPAD阵列。为了简化，检测光学单元在下文中也称为全览相机，其不一定与用于实际显微图像捕获的显微镜的物镜相同。可存在全览相机和显微镜物镜。同样存在的评估装置被配置用于基于空间分辨的图像数据以及照明源相对于检测光学单元的位置的知识来确定样本载体的至少一个位置处的表面的至少距离和/或倾斜(倾斜位置)。评估装置例如是计算机(例如PC、FPGA)或为此配置的计算机的隔室。评估装置可以实施为控制器的组成部分，例如子单元或隔室。

根据本发明，距离测量装置的特征在于，照明源分别以发散角发射测量辐射。

发射测量辐射的角度范围例如至少为15°。在距离测量装置的其他实施例中，该角度范围可以是至少35°，例如45°、60°或包括90°。

与现有技术的教导相比，已经认识到，来自发散地发射的照明源的反射也可以用于以高精度确定样本载体的距离，并且可选地还用于确定其空间取向，特别是关于倾斜。这里的优势在于，通过使用发散地发射的照明源，不需要用于聚焦的光学元件。此外，可以使用低(光束)质量的廉价光源。可以有利地省去比如高能辐射(例如激光)所需的安全措施。例如，当样本通过显微镜的物镜成像时，光源可以另外用作照明元件。

本发明利用了小部分测量辐射(例如可见光)甚至在透明表面被反射(所谓的高亮区)的情况。本发明的中心思想是使用合适的检测器以定义的方式从附接在显微镜支架上的照明源中捕获这种高亮区。对被捕获的图像中这些高亮区的位置的评估允许确定样本载体的位置。

举例来说，可以用测量辐射来照明样本载体的下表面，即向下指向的侧面或底部，并且可以确定所述样本载体的距离以及可选地确定其倾斜位置(倾斜)。

在下文中，照明源被理解为意指任何技术元件和任何物理效应，借助于这些技术元件和物理效应，测量辐射以预定的方式到达样本平面和可选地位于样本平面的样本。在这种情况下，照明源本身可以是光源，例如LED、OLED或者灯，比如卤素灯。照明源也被理解为意指光源的图像表示。在这方面，例如，源自光源的测量辐射可以部分地或全部地借助于反射镜向前传播，并且在样本平面的方向上辐射(虚拟照明源，见下文)。每个照明源有利地足够小，使得可以被全览相机的仅仅几个检测器元件(像素)捕获。

例如，在本发明的简单实施例中，照明源关于其相对于全览相机的空间位置的布置是已知的，并且保持位置固定。在进一步的实施例中，照明源可以是位置可变的，由此获得装置的更高灵活性。然而，在任何情况下，照明源的位置都是已知的。相应地，例如可以以足够的精度确定被照明的界面的位置以及该界面相对于其水平位置的取向。之后，可以在垂直于样本平面的方向上校正样本载体的取向和/或轴向位置。

检测光学单元的坐标系与显微镜、特别是显微镜物镜之间的关系可以通过校准来建立。通过对放置在样本台上的样本载体的测量，可以确定所述载体面向照明源的界面的取向，从而能够安全地接近样本或样本载体而不会发生碰撞。

检测光学单元将在样本载体处反射的照明源的图像成像到检测器上。在这种情况下，该反射不必位于检测光学单元的焦点处。照明源的尺寸被选择得足够小，使得在与检测光学单元协作时在检测器上产生光分布，该光分布在每种情况下都可以被分配给检测器上的唯一位置。

与现有技术中聚焦光的光斑相比，由于光源的镜面反射图像通常不位于检测光学单元的焦点处，所以高亮区的图像表示具有较大面积。为了确定它们在检测器上的位置，可以在简单的情况下定位强度最大值。还可以定义由光源在检测器上引起的光分布的形心。

执行两个或更多图像的计算可能是有利的，这涉及照明源的打开和关闭。照明源关闭时的图像记录因此可以用作背景信号，可以从照明源打开时的实际信号图像中减去该背景信号。

由于样本或支架结构处的多次反射而出现的高亮区在其形状和尺寸方面偏离了高亮区的预期表现，因此可以被识别和排除。这也适用于由于污染物而光学粗糙的界面，或者由于高度弯曲而不满足平坦界面条件的界面。为了识别这种偏差，可以以可检索的方式确定和存储预期的高亮区的属性，例如形状和尺寸。预期的属性可以通过例如参考样本(也见下文)或模拟来确定。

此外，可以使用受多个不同界面影响的这种高亮区。例如，在填充有液体的凹陷的情况下(培养皿；多孔板、微量滴定板)，出现独特的二次反射，其指示液体的存在和填充水平。

为了确定样本载体与检测光学单元或一些其他预先确定的参考点之间的距离，原则上一个照明源就足够了。然而，只有一个高亮区时，无法建立样本载体与预定取向、特别是水平位置的偏离(倾斜)。已经可以利用捕获的两个照明源的高亮区来确定样本载体的倾斜和距离。在这种情况下，有必要知道照明源相对于检测光学单元的光轴的位置，例如通过测量参考样本(其以定义的方式定位和取向)处的高亮区的位置来进行校准。光学反射镜可以有利地用作参考样本。

为了能够确定在两个空间方向上的倾斜或者为了独立于高亮区相对于倾斜方向的位置，在距离测量装置的另一个有利的实施例中，可以存在至少三个照明源，其中至少一个照明源被布置成远离至少两个另外的照明源的虚拟连接线(直线)。因此，由于该至少三个照明源而出现的反射(高亮区)在样本载体的被照明的界面上形成三角形的角点。如果存在或使用更多的照明源，该反射形成相应的多边形或图案。

为了以计算上简单的方式来确定样本载体的倾斜和距离，如果照明源被布置在距检测光学单元相同的距离处，则是有利的。

如上所述，本发明使得可以使用高亮区来确定样本载体与例如检测光学单元(例如全览相机)之间的距离。这里，如果检测光学单元垂直于样本平面取向并且以非远心方式实施，则是有利的。在这种情况下，被捕获的反射与自由选择的参考点(例如检测器的检测平面的中点)之间的距离取决于样本载体与检测光学单元之间的距离。因此，距离的关系可以用于确定样本载体的距离。

如果照明源可以以单独控制的方式切换，则可以获得根据本发明的距离测量装置的另一个优点。在根据本发明的装置的这种实施例中，可以单独地并且以唯一地分配给各个照明源的方式来捕获和评估高亮区。

电可切换光源也可以直接用作照明源，其有利地实施为LED(发光二极管)。LED是廉价的光学部件，具有大的发射角度范围。

此外，如果距离测量装置的工作距离位于显微镜的传统物镜的齐焦长度范围内，则是有利的。在这种情况下，当物镜改变时，样本载体不需要重新定位或者只需要很少的横向和/或轴向重新定位。

为了节省装置的其他实施例中的光学部件，可以通过公共光源向多个照明源提供测量辐射。这可以通过使光源的光路中存在分束器来实现，该分束器的作用是将测量辐射分配给多个部分光路，并且这些部分光路通向不同的照明源。例如，分配可以通过50/50分束器来实现。这种实施例可选地使得可以特别地沿着分束器的光轴在样本载体上产生其中一个高亮区。由垂直投射到样本平面中的测量辐射产生的该高亮区以及远离光轴而产生的第二高亮区可以用于距离测量和/或用于确定样本载体的倾斜位置。

在本发明的另一实施例中，反射镜布置在照明源的发射区域中，该反射镜的作用是将发射的测量辐射的一部分引导到与剩余部分不同的样本载体位置上。由此，反射镜充当虚拟照明源。

本发明的目的还通过一种用于确定样本载体的空间取向的方法来实现。在最简单的情况下，样本载体的取向由该样本载体与例如检测光学单元的距离或该样本载体相对于所用装置(例如，根据本发明的距离测量装置)的一些其它已知参考点的距离给出。该方法包括以下步骤。一个步骤涉及用来自至少一个照明源、优选至少两个照明源的测量辐射来照明布置在样本平面中的样本载体。这里，该测量辐射在所有情况下都以发散角沿样本载体的方向发射。

在样本载体的表面(界面)处出现的发散发射的测量辐射的反射被捕获在全览记录中，并且以空间分辨的方式被检测为图像数据。基于二维图像数据以及基于照明源相对于检测光学单元的位置的知识，至少确定样本载体的至少一个位置处的表面的距离。

尽管更复杂，也可以在多个位置确定样本载体的距离。为此，样本载体可以相对于照明源和检测光学单元移位，以用于单独的测量。分别确定的值以被分配给相应位置的方式进行存储。以此方式，获得了距离(例如，z值)映射图，由该距离映射图可以导出样本载体的被照明的界面的形貌以及其取向。为了不以紧密网格的方式测量整个样本载体，可以测量各个单独的区域并将其用作例如用于模拟样本载体形貌的模型的插值点。

为了确定样本载体的表面形状和/或取向，在根据本发明的方法的另一种配置中，确定样本载体的至少两个不同位置处的距离。根据在该过程中获得的值，可以确定两个位置所在的至少一个方向上的取向。在这种情况下，取向被理解为意指相对于样本平面中第一方向的位置。因此，取向可以是相对于样本平面的倾斜或平行定位。这里，也可以创建包含多个位置的倾斜的样本载体的映射图。

当然，也可以生成以与位置相关的方式呈现距离和倾斜的映射图。

为了能够确定样本载体在样本平面的两个相互垂直的方向上的取向，可以用来自至少三个照明源的测量辐射来照明样本载体。该至少三个照明源中的至少一个远离至少两个照明源的虚拟连接线(直线)而布置。例如，照明源形成虚拟三角形的角点。

如果使用非远心观察光学单元，则可以根据照明源的被捕获的高亮区的位置相对于彼此的间距来确定样本载体的距离。可以基于被捕获的高亮区相对于确定的参考点的位置的间距来确定样本载体相对于样本平面的倾斜。

可以评估样本载体的所确定的距离和倾斜的实际值并将其与相应的目标值进行比较，从而能够补偿可能的偏差。如果实际值偏离预定目标值的程度大于允许的程度，则可以生成相应的控制命令，以便控制例如其上保持有样本载体的可调样本台。替代地，可以手动校正样本载体的位置。

根据本发明的距离测量装置和根据本发明的方法的优点尤其在于能够以很小的技术复杂性确定样本载体的轴向位置(相对于检测方向、z方向的距离)和可能的倾斜。由此获得的关于样本载体取向的信息允许例如样本载体和存在用于捕获显微图像表示的光学单元的相对运动，而不会彼此碰撞。所获得的特别是关于出现的倾斜的信息可以另外用于调平样本载体，特别是用于其平行于样本平面的取向。本发明可以容易地在现有装置中实现，并且能够容易地被用户应用。

本发明的其他优点由以下事实提供：样本载体的取向是通过全览相机确定的，因此独立于根据相应的显微镜方法而用于实际成像的物镜。检测光学单元相对于样本平面具有高工作距离，并且具有厘米级的大测量范围。因此，在样本载体和检测光学单元之间不存在碰撞的风险。本发明适用于具有基本平坦的部分反射表面的所有样本形式，例如玻璃载体、培养皿、多孔板或微量滴定板的情况。如果选择样本载体界面的映射配置，也可以使用偏离平坦形状的样本形式。本发明允许使用便宜且容易控制的照明源，而且，不需要采取更多的安全预防措施。

本发明的可能应用在于例如第一碰撞平面的快速测量，以及与之相关的电动显微镜的显微镜物镜(物镜)和样本载体之间的碰撞规避。由于样本载体的轴向距离提供了特别合适的聚焦初始值，特别是自动聚焦初始值，因此知道样本载体的轴向距离和可能的倾斜还有助于聚焦待成像的样本。此外，样本载体可以在每个位置相对于显微镜物镜的光轴充分正交地取向。除了识别样本载体的取向和可能的局部特殊特征(例如曲率以及光学粗糙区)之外，所采集的样本载体的测量数据可以用于基于样本载体或样本的全览图像进行正确导航。

附图说明

下面基于示例性实施例和图示更详细地解释本发明。附图中:

图1示出了根据本发明的距离测量装置的第一示例性实施例以及确定样本载体与照明源和检测器之间的轴向距离的示意图；

图2示出了根据本发明的距离测量装置的第一示例性实施例以及确定样本载体相对于照明源和检测器的横向倾斜的示意图；

图3示出了倾斜的样本载体对检测器平面中成像的傍轴(paraxial)反射的位置的影响的示意图；

图4示出了根据本发明的方法的配置的示意图，该方法涉及通过多个照明源和高亮区来确定样本载体在两个空间方向上相对于照明源和检测器的横向倾斜；

图5示出了根据本发明的距离测量装置的第二示例性实施例的示意图，其中两个照明源由一个光源供给；

图6示出了根据本发明的距离测量装置的第三示例性实施例的示意图，其中两个照明源由一个光源供给；

图7示出了根据本发明的距离测量装置的第四示例性实施例的示意图，其中检测器是远心检测光学单元的一部分；和

图8示出了根据第三示例性实施例的样本载体的倾斜对根据本发明的距离测量装置中的检测器平面中的成像反射的位置的影响的示意图。

在下面的示例性实施例中，相同的技术元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

根据本发明的距离测量装置2尤其是显微镜1(仅在图中示出)的组成部分，并且包括作为基本元件的全览相机形式的检测光学单元4以及两个发散地发射的照明源7，该照明源7在所示的示例性实施例(图1)中由LED形式的分离的且可单独控制的光源6形成。

由照明源7以例如30°的发射角γ发射的测量辐射MS对布置在样本平面PE中的样本台12上的样本载体5进行照明，所述样本载体例如由盖玻片、培养皿的底部或多孔板的底部形成。照明源7以与样本平面PE间隔例如大约70mm的方式布置，并且对直径为大约20mm的区域进行照明。在这种情况下，所生成的高亮区8.1、8.2不重叠，并且可以被识别为分别独立的高亮区8.1、8.2。

图1示出了处于两个操作位置I和II的样本载体5，这两个位置在所有情况下都沿着检测光学单元4的光轴oA表示。第一操作位置I位于距检测光学单元4第一距离Z处。第二操作位置II以距离Δz进一步远离检测光学单元4。在涉及图1至6的示例性实施例中，检测光学单元4是非远心的。

首先假设样本载体5位于第一操作位置I。每个照明源7的测量辐射MS到达样本载体5的面向照明源7的侧表面，并且每个辐射至少成比例地在该侧表面处被反射，使得在测量辐射MS的每个照射区域中出现反射或高亮区8，并且该反射或高亮区8在检测器上变得可见。出于说明的目的，示出了第一高亮区8.1和第二高亮区8.2。

通过检测光学单元4捕获这两个高亮区8.1、8.2的图像，这些图像被引导通过光阑4.1(针孔相机)、到达空间分辨检测器4.2的检测平面DE上，光阑4.1以示例的方式被示出。通过检测器4.2检测高亮区8.1和8.2的图像，如在右侧插入的检测平面DE的平面图中针对第一操作位置I所示。在该图中以简化的方式示出了检测器4.2的多个检测器元件4.3。这里可以看出，由多个检测器元件4.3分别捕获高亮区8.n的图像。

出于取向目的，还示出了水平和垂直辅助中心线。为了更清楚起见，在检测器平面DE的进一步描绘(图1、图2、图5至8)中仅示出了该辅助中心线。

有利地，照明源7足够小，使得与检测光学单元4协作的各个高亮区8可以以如下方式在检测器4.2上成像：使得它们的图像(为了简单起见，也用8.n表示，其中n＝1，2，...，n)可以被唯一地识别并分配给相应的照明源7。在这种情况下，高亮区8.n出现在检测光学单元4的焦点处是有利的，但不是必须的。然而，照明源(高亮区)的图像表示必须能够根据它们在检测器上的位置被确定为是单独的结构。

基于图1中的示例性实施例的例子，可以看出，如果样本载体5与检测光学单元4之间的距离增加，则高亮区8.n的图像彼此靠近。如果样本载体5在第一操作位置I中位于距离Z处，则高亮区8.1和8.2的图像彼此相距Δx1。

相比之下，如果样本载体5在第二操作位置II中位于距离Z+ΔZ处，则图像之间的距离Δx2小于距离Δx1。

通过在检测器平面DE中执行相应的高亮区8.1、8.2的位置确定来确定相应的距离Δxn。这可以通过确定强度最大值和/或形心SP(在这方面，参见图2和5)及其在高亮区8.n的各个图像中的位置来完成。

可以以计算规范(即数学函数)的形式和/或以表格(例如查找表)的形式通过实验或计算来确定所确定的距离Δxn与相关距离Z和Z+ΔZ之间的关系，并且可以保持其可供使用。

距离测量装置2可选地包括控制器9，其被配置用于生成控制命令。此外，控制器9的隔室被配置成存储和评估通过检测器4.2捕获的图像数据。举例来说，控制器9可以被设计和配置成执行高亮区8.n的图像的位置确定。控制器9可以另外连接至样本台12，并在必要时控制该样本台。

控制器9还可以被设计成基于预定义的参数来识别完全或部分由于在样本或支架结构处的多次反射而出现的这种高亮区8.n的图像。举例来说，为此目的，可以将预期的高亮区的形状和尺寸与实际捕获的高亮区8.n的图像的形状和尺寸进行比较。

下面提供了相对于距离变化Δz将上述距离变化Δxn简单估计为1mm的例子。为此，假设检测光学单元4具有3mm的焦距，并且照明源7与光轴oA之间的距离a为10mm。距离Z(工作距离)假定为65mm。

在检测光学单元4被配置为针孔相机的简化假设下，在第一操作位置I中的图像捕获的情况下，两个高亮区8.1、8.2的图像之间的距离Δx1为大约461.5μm。在第二操作位置II(65mm+1mm＝66mm)中，距离Δx2为大约454.5μm。这对于距离Δxn是大约1.5％的变化。为了分别获得例如距离Z和Z+ΔZ的100μm的测量精度，必须以0.1％的精度来测量该距离Δxn。可以通过本发明实现这种苛刻的要求，因为对于高亮区8.n的图像的高定位精度，只需要高亮区8.n之间的低分辨率。高亮区8.n的高信号强度在此是有利的，从而以子像素精度确定高亮区的位置。因此，可以以甚至位于检测器元件4.3(＝像素)的空间范围内的精度来确定该位置。

通过根据第一示例性实施例的距离测量装置2，除了距离Z之外，还可以确定样本载体5的横向倾斜(图2)。在最简单的情况下，仅用两个照明源7就可以确定样本载体5相对于样本平面PE(因此也相对于检测光学单元4和照明源7)倾斜的倾斜角α。为此，两个照明源7相对于检测光学单元4的位置必须是已知的，要么通过测量(校准)已知，要么通过制造期间该照明源7的相应精确定位而已知。

在图2的例子中，检测器平面DE的单独图示示出了高亮区8.1和8.2的两个图像的虚拟形心SP相对于检测器平面DE的中点的横向偏移dv，这是由倾斜引起的，该倾斜在此沿着相对于两个照明源7的光轴oA的布置实现。

可以例如通过控制器9生成控制命令并将控制命令传送给可由电机调节的样本台12来实现对所确定的倾斜的补偿。由执行控制命令而产生的该样本台12的致动运动可以补偿不期望的倾斜。

图3示出了傍轴布置的光源6或照明源7对于出现的倾斜的灵敏度。作为对非常靠近检测光学单元4定位的光源6和相应的照明源7的逼近(approximation)，并且在工作距离Z明显大于焦距f的条件下，倾斜角α(alpha)导致改变的反射角≈α(alpha)。光源6或照明源7的傍轴布置的优点在于，成像的高亮区8.n的位置与样本基底的界面的距离无关。举例来说，给定焦距f＝3mm，5弧分的倾斜导致高亮区8.n的图像横向偏移大约4μm，这是商业上可获得的检测器4.2的检测器元件4.3的量级(见图1；＝像素尺寸)，因此易于检测。在照明源被直接反射到检测光学单元的光轴(oA)中的情况下，一个照明源因此足以非常灵敏地检测倾斜并精确地校正该倾斜。

参考图4解释距离测量和出现的倾斜的确定的组合。通过未更详细示出的距离测量装置2，使用关于光轴oA对称布置的三个照明源7，在样本载体7上产生三个高亮区8.1、8.2和8.3，并通过检测光学单元4将这三个高亮区成像到检测器平面DE中。

上面一行示出了第二操作位置II中高亮区8.1至8.n的图像表示，具有距离Z+ΔZ和倾斜位置。如上所述，可以从成像的高亮区8.1至8.n的距离中导出距离Z+ΔZ。在每种情况下，用点划线画出一个圆圈作为视觉辅助。该倾斜导致形心SP的位置在检测器平面DE的中心之外。在这种情况下，应该指出，检测器平面DE的中心在此被用作参考点仅仅是为了提供更好的理解。形心SP由成像的高亮区8.1至8.n的几何形心给出，更确切地说，由这些高亮区的先前确定的位置的几何形心给出(见上文)。形心SP偏离参考点(在无倾斜的位置的情况下，该参考点可能被形心SP占据)的距离和方向允许导出关于方向和致动角的所需校正的信息。在手动或自动校正样本载体5的倾斜位置之后，形心SP再次与检测器平面DE的中心重合(上面一行，右侧)。

下面一行在左侧示出了位于第一操作位置I的三个高亮区8.1至8.n的图像表示，这三个高亮区位于距离Z处，因此更靠近检测光学单元4。这种情况因以下事实而明显可见：成像的高亮区8.1至8.n之间的距离大于第二操作位置II中的距离。如上面一行中的，形心SP根据倾斜角α和倾斜方向从检测器平面DE中心的参考点移位。经过相应的校正后，形心SP和参考点再次重合(下面一行，右侧)。

在根据本发明的距离测量装置2的进一步的实施例中，多个照明源7可以由一个光源6供给(图5)。光源6例如由LED形成，其以发射角γ发散地发射测量辐射MS。当一个角度部分中的测量辐射MS直接传递至样本载体5时，另一角度部分的测量辐射MS照射在反射镜7上，反射镜的效果是使所述辐射到达样本载体5。因此，光源6同时用作直接照射的角度部分的照明源7，而虚拟照明源7由反射镜7和测量辐射MS的反射部分形成。成像的高亮区8.1和8.2在右侧的图像表示中以示例的方式示出。

在根据本发明的距离测量装置2的其他实施例中，至少两个虚拟照明源7可以由一个光源6供给。

图6示出了能够使用一个光源6提供两个照明源7的另一实施例的可能性。从具有大约30°的发散发射角γ的光源6出发，测量辐射MS到达分束器13，该分束器13在此实施为例如50∶50的分束器。因此，测量辐射MS的一半沿着分束器13的光轴被反射到样本平面PE，而另一半被透射并且通过反射镜10被引导到样本平面PE。分束器13的反射表面和反射镜10均构成虚拟照明源7。

被分束器13反射的测量辐射MS被近似垂直地引导到样本平面PE和位于样本平面PE的样本载体5上。如果样本载体5先前被调平，即平行于样本平面PE取向，则第一高亮区8.1保持在样本载体5上的一个位置处(在此例如为中点处)，该位置与距离Z无关。

随着距离Z的变化，第二高亮区8.2的图像表示移动，并且可以基于高亮区8.1和8.2之间的相应距离来推导距离Z。

在本发明的另一个可能的实施例中，检测光学单元4的光轴oA可以相对于样本平面PE以不等于90°的设定角β(beta)延伸(图7)。显微镜1的物镜3仍然可以垂直指向样本平面PE，通过该物镜实现实际的显微图像记录，并且该物镜可以存在于在此描述的所有示例性实施例中。

例如，可以提供非正交布置，从而使物镜3和检测光学单元4(以简化的方式由检测器4.2和光学透镜11表示)均可以以节省空间的方式容纳在公共支架上。此外，这种实施例允许使用远心检测光学单元4，因为对于不同的操作位置，由于已知的设定角β，成像的高亮区8.n出现空间偏移，其中在此再次示出了第一操作位置I和第二操作位置II。为了说明的目的，右侧的图示以举例的方式示出了处于第一操作位置I的高亮区8.1的位置和处于第二操作位置II的高亮区8.2的位置。分别在相关操作位置I和II处的高亮区8.n的虚拟位置vPI和vPII通过示例的方式示出，并且仅仅是示意性的。

然而，图8清楚地表明，样本载体5的倾斜还分别导致检测器4.2上的成像的高亮区8.1和8.1*的位置的横向偏移。因此，在图7和8所示的情况下，关于样本载体5的倾斜的存在和类型的先验知识是必要的。如果样本载体5的设计和样本载体5在样本台12上的较小的放置公差确保样本台12位于相对于显微镜1的坐标系定义的已知取向，则是有利的。替代地，样本载体5的调平可以产生这种定义的初始状态。

参考标记列表

1显微镜

2距离测量装置

3物镜

4检测光学单元、全览相机

4.1光阑

4.2检测器

4.3检测器元件

5样本载体

6光源

7照明源

8.n高亮区、反射

9控制器

10反射镜

11光学透镜

12样本台

13分束器

a距离(照明源-光阑)

α倾斜角

β设定角

γ发射角

DE检测器平面

dv横向偏移

f焦距

I第一操作状态

II第二操作状态

MS测量辐射

oA光轴

PE样本平面

SP形心

vPI第一虚拟位置

vPII第二虚拟位置

Z工作距离

Δz距离差

Claims (13)

1.一种显微镜中的距离测量装置(2)，包括

样本台(12)，用于在样本平面(PE)中布置样本载体(5)；

至少一个、优选至少两个照明源(7)，用于提供测量辐射(MS)，所述测量辐射(MS)至少成比例地在所述样本载体(5)的表面处被反射；

检测光学单元(4)，用于捕获在所述样本平面(PE)中存在的所述样本载体(5)的全览图像并且还捕获所述样本载体(5)处出现的反射(8.n)；

检测器(4.2)，设置在所述检测光学单元(4)的下游，并用于空间分辨地捕获所述样本载体(5)的图像数据和出现的反射(8.n)；

评估装置，用于基于空间分辨的所述图像数据以及所述照明源(7)相对于所述样本平面(PE)的位置的知识来确定所述样本载体(5)的至少一个位置处的表面的至少距离(Z)和/或倾斜；

其特征在于

一个或多个所述照明源(7)分别以发散的发射角(γ)发射所述测量辐射(MS)。

2.根据权利要求1所述的距离测量装置(2)，其特征在于多个照明源(7)，其中至少一个照明源(7)被布置为远离至少两个另外的照明源(7)的虚拟连接线。

3.根据权利要求1或2所述的距离测量装置(2)，其特征在于，所述检测光学单元(4)垂直于所述样本平面(PE)取向。

4.根据前述权利要求中任一项所述的距离测量装置(2)，其特征在于，所述检测光学单元(4)以非远心方式实施。

5.根据前述权利要求中任一项所述的距离测量装置(2)，其特征在于，所述照明源(7)被布置在距所述检测光学单元(4)相同的距离处。

6.根据前述权利要求中任一项所述的距离测量装置(2)，其特征在于，所述照明源(7)能够以单独控制的方式切换。

7.根据前述权利要求中任一项所述的距离测量装置(2)，其特征在于，由于分束器(13)存在于公共光源(6)的光路中，多个照明源(7)由所述公共光源(6)供给所述测量辐射(MS)，所述分束器的作用是在多个部分光路中分配所述测量辐射(MS)，并使所述多个部分光路通向不同的照明源(7)。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的距离测量装置(2)，其特征在于，反射镜(10)布置在照明源(7)的发射区域中，所述反射镜的作用是将发射的测量辐射(MS)的一部分引导到所述样本载体(5)上，并形成虚拟照明源(7)。

9.一种用于确定样本载体(5)的空间取向的方法，包括以下步骤：

用来自至少一个照明源(7)、优选至少两个照明源(7)的测量辐射(MS)对布置在样本平面(PE)中的样本载体(5)进行照明，所述测量辐射(MS)分别以发散的发射角(γ)在所述样本载体(5)的方向上发射；

在全览记录中捕获发散地发射的测量辐射(MS)在样本载体(5)表面处出现的高亮区(8.n)，并以空间分辨的方式检测图像数据；以及

基于二维图像数据以及所述照明源(7)相对于检测光学单元(4)的位置的知识来确定在所述样本载体(5)的至少一个位置处的表面的至少距离(Z)和/或倾斜。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述样本载体(5)的至少两个位置处至少确定距离(Z)，并且根据在该过程中获得的值来确定所述样本载体(5)的表面形状和/或取向。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，用来自至少三个照明源(7)的测量辐射(MS)来照明所述样本载体(5)，所述至少三个照明源(7)形成虚拟三角形的角点，从照明源(7)的被捕获的高亮区(8.n)的位置的确定间距来确定所述样本载体(5)的距离(Z)，并且基于所述被捕获的高亮区(8.n)相对于预定参考点的位置的间距来确定所述样本载体(5)相对于所述样本平面(PE)的倾斜。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，在多个位置确定所述样本载体(5)的距离和所述样本载体(5)相对于所述样本平面(PE)的倾斜，并且创建所述样本载体(5)的映射图。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，在存在倾斜的情况下，改变所述样本载体(5)的位置，从而补偿所述倾斜。