CN1228659C - 相对于显微镜的照明光路调节灯的方法和相应的显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在显微镜中自动调灯的方法，所述显微镜的照明光路中没有光束均化器，本发明还涉及为使用该方法而设置的显微镜。根据本发明，所述显微镜包括一个定义了光瞳平面(112)的显微镜物镜、一个用于沿着所述照明光路提供传播光线的可调灯、以及一个用于检测所述传播光线的光照功率的检测器，该方法包括以下步骤：用所述的检测器测量所述物镜的光瞳平面(18)后面的总光照功率；从一个起始位置开始，根据所述灯相对于所述照明光程的位置变化而查找所述光照功率的最大梯度；并且沿着光照功率的最大梯度方向移动所述的灯，直到由所述检测器检测的光照功率最大。

Description

相对于显微镜的照明光路调节灯 的方法和相应的显微镜

技术领域

本发明涉及一种在没有射线均化器的情况下相对于显微镜的照明光路调节灯的方法和实现这种方法的合适显微镜。

背景技术

在显微镜照明系统中对灯的调节，无论是对显微镜进行初调还是在换灯后进行，通常根据传统的调节标准，要求保证物场的均匀照明。因此，第一个调节标准是光源亦即灯弧或灯变换器在物镜光瞳中要有清晰图象。该调节标准可借助于所谓的伯特兰透镜进行检验，所述透镜在显微镜的视场中构成物镜光瞳。可以不采用清晰图象的视觉控制，而是在伯特兰透镜的像平面内设置一个CCD摄像机，用摄像机的成象评价清晰图象。第二个标准是检验物场本身的照明是否均匀和是否要对灯光的最大均匀度进行重调。因此，灯光的调节目标总是要达到在物场中充分均匀的照明。

由于其复杂性的限制，这种传统的调灯的方法无论在初装时还是在换灯后都是自动进行的，不需通过手动来保证物场的均匀照明。另一方面的经验表明，特别对于显微镜的常规用户，要求按照传统调节标准进行灯调节是一种过高要求。

在微刻设备的照明装置中采用光束均化器，该均化器能保证对成象掩模的均匀照明。另外，通过使光源相对于照明光路的位置调节到光束均化器的最大光照功率，由此可最佳地利用从光源发出的光照功率。

现在可以考虑，在显微镜照明系统的光束均化器中采用例如用于混光的所谓蝇眼透镜或玻璃棒。这样可以不依赖灯相对于照明光路的位置而确保物场的均匀照明，因此可完全省略灯的调节。然而使用这样的光束均化器会在显微镜中引入不可实现的高额花费。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种在显微镜中调节灯的简单方法，该方法能确保需照明的物场得到均匀照射并能很好地适应自动调节。本发明的另一个目的是提供一种显微镜，其能在适用本发明所述方法的前提下，很好地进行灯的自动调节，从而确保物场的均匀照明。

根据本发明的相对于显微镜的照明光路调节灯位置的方法，所述显微镜的照明光路中没有光束均化器，所述显微镜包括一个定义了光瞳平面的显微镜物镜、一个用于沿着所述照明光路提供传播光线的可调灯、以及一个用于检测所述传播光线的光照功率的检测器，该方法包括以下步骤：用所述的检测器测量所述物镜的光瞳平面后面的总光照功率；从一个起始位置开始，根据所述灯相对于所述照明光程的位置变化而查找所述光照功率的最大梯度；并且沿着光照功率的最大梯度方向移动所述的灯，直到由所述检测器检测的光照功率最大。

根据本发明的另一种相对于显微镜的照明光路调节灯位置的方法，所述显微镜的照明光路中没有光束均化器，所述显微镜包括一个在所述照明光程中定义了光瞳平面的光学元件、一个用于沿着所述照明光路提供传播光线的可调灯、以及一个用于检测所述传播光线的光照功率的检测器，该方法包括以下步骤：测量所述照明光程的光瞳平面后面的总光照功率；从一个起始位置开始，根据所述灯相对于所述照明光程的位置变化而查找所述光照功率的最大梯度，

并且沿着光照功率的最大梯度方向移动所述的灯，直到由所述检测器检测的光照功率最大。

相应地，根据本发明的显微镜，包括：载物台；用于沿着一没有光束均化器的照明光路提供照明光线的灯；用于相对于照明光路调节灯位置的电机驱动器；一个定义了光瞳平面的显微镜物镜；与所述载物台成一体的检测器；以及一分析和控制计算机，其被连接到所述的检测器上，并用于依次控制所述的电机驱动器，直到利用该检测器测到最大总光照功率为止。

根据本发明的另一种显微镜，包括：载物台；用于沿着一没有光束均化器的照明光路提供照明光线的灯；用于相对于照明光路调节灯位置的电机驱动器；在所述照明光程中定义了光瞳平面的光学元件；在所述照明光程中安装在所述载物台前面的半透镜；在由所述半透镜偏转的光程中安装在所述光瞳平面后面的检测器，用于检测该照明光程中的光照功率；以及一分析和控制计算机，其被连接到所述的检测器上，并用于依次控制所述的电机驱动器，直到利用该检测器测到最大总光照功率为止。

本发明基于这样的认识，即，在灯恒定运行的情况下，如果以面积计在显微镜物镜光瞳平面后面或照明光路的光瞳平面后面得到的总光照功率最大的话，则在光照系统的光路中不用光束均化器也能保证光亮场的均匀照明。因此，在本发明所述方法中，用检测器测量显微镜物镜光瞳平面后面或照明光路的光瞳平面后面以面积计的总光照功率，并相对于照明光路如此地调节灯体，使得用检测器检测到的总光照功率最大。这里重要的是，光照功率的总检测仅在穿过限制光流的聚光元件后才实现。

在理解本发明的基础上而得出了一个简单的调节标准，其优越之处在于它适合在更换灯之后自动调节灯或是在初调时自动调节灯。因此，对灯的调节优选通过电动的软件控制来实现。然而，本发明的知识还可以在手工调节灯时使用，这是因为作为借助于伯特兰透镜在物镜光瞳中灯弧的清晰图象的一般调节标准，实际上也可以由不熟练的操作者非常简单地检查和实现最大总光照功率的调节标准。

适合于自动进行灯调节的显微镜优选在没有光束均化器的照明光路中包括电动的驱动器以及分析和控制计算器，所述驱动器相对于照明光路调节所述灯。分析和控制计算器控制电动的驱动器以便依次进行灯的调节，直到设置在照明光路光瞳平面或显微镜物镜后面的检测器测到最大总光照功率为止。

可以将检测光照功率的检测器一体地设置在照明光路中。在这种情况下，优选的是，在显微镜的载物台上设置反射区和由检测器检测从反射区反射的光。另外的方案是，也可以设置一部分照明光反射到检测器上。

此外，还可以在显微镜载物台上或多或少敞开地设置测量光照功率的检测器。这种实施形式特别适合于重新装备已有的显微镜以及在现有显微镜系列内采用本发明。

作为检测器可以使用单个二极管、四象限二极管或CCD摄像器。在使用四象限二极管或CCD传感器的情况下，用单个传感器部件或传感器区域检测出的光照功率在检测器输出端进行面积积分。例如在无论如何也设置有适合图象记录的CCD摄像器的反射照明显微镜中，当然要特别考虑使用CCD传感器或CCD摄像器。

为了应用本发明，可以在三个彼此正交的空间方向上相对于照明光路调节所述灯，还可以仅在两个彼此垂直的空间方向上调节所述灯，并且使得设在光路中的聚光元件可沿其余的照明光路的光轴移动。

为了找到最大光照功率，优选采用梯度法。在这种梯度法中，以起始位置为出发点，得出与灯相对于照明光路的位置变化和/或灯和聚光元件相对于照明光路的位置变化相关的光照功率最大梯度，然后，将照明光路中的灯和/或聚光元件调整到光照功率的最大梯度的方向。

附图说明

下面将结合附图中描述的实施例对本发明的细节进行详细说明。在附图中：

图1是带有与载物台成一体的检测器的反射照明显微镜的剖面图；

图2是在显微镜中执行自动调灯程序步骤的流程图；

图3是在梯度法中执行寻找最大光照功率的程序步骤的流程图；

图4是在照明光路中一体地设置检测器的显微镜的剖面图。

具体实施方式

在图1中，在容纳照明光路的显微镜支架上部标以参考标记1。在显微镜上以公知的方式设置用于聚焦的且高度可调的载物台2。此外，在显微镜上还以公知方式设置了放有物镜4的物镜旋转台3，在图1中仅示出了一个物镜。

在图1的显微镜中，反射照明光路中主要设有用于调节科勒氏照明条件的普通部件。作为光源可以使用卤灯或气体放电灯5。从灯5发出的光由聚光元件9和可能的话还结合聚光镜17进行准直，所述聚光镜17会聚向后面照射的光并使光反射回灯5。在准直光路的区域内，设置一个开口直径可调的视场光阑10，所述视场光阑与显微镜物镜4的焦点平面共轭设置。视场光阑10后面设置的透镜11使视场光阑10的成像在无穷远处。在透镜11的焦点平面上，设置第二开口直径可调的光阑12，该光阑可调节照射孔。该孔径光阑12可通过后面设置的透镜13在无穷远处成像，并且在通过分束器14将光入射到观测光路中之后，所述光通过照明光路和观测光路的共用部件中的镜筒透镜15射到显微镜物镜4的出射光瞳18。

在显微镜的载物台2上一体地设置作为检测器的大结型二极管16，借助该二极管可检测由显微镜物镜4聚焦的总发光强度。二极管16可以由简单的大结型二极管构成。然而，特别优选的是用四象限二极管构成二极管16。在后一种情况下，二极管16可以同时起校准载物台的作用，其中把由四象限二极管构成的坐标系的中点作为参考点、即载物台X-Y方向调节的零点来使用。

这里，二极管16的光敏表面直径(在象限二极管中，四个象限共有的直径)至少要与物镜4的焦点平面内照射区的直径一样大。

为了实现自动调灯，通过两个电机驱动器6，7可在两个垂直于照明光路光轴19的方向上调节灯5的灯座8。通过另一个电机驱动器20可沿光轴19的方向移动聚光透镜9。另外可选地，就灯5的移动或是聚光透镜9的移动而言，还可以通过三个相应的驱动器使灯5沿三个彼此垂直的空间方向移动，但这相应地需要昂贵的机械结构，因为这要求具备沿三个彼此垂直的空间方向相互能独立调节的自由度。

灯5的调节驱动器6，7和聚光透镜9的调节驱动器20通过接口21受控制计算机22的控制。通过同一接口21还可以将二极管16的输出信号送入控制计算机22。

下面将结合附图2详细说明自动调灯时经历的方法步骤。调节过程从启动步骤30开始，例如可以通过以下方式完成，即，用户通过操作面确认已完成的灯的更换。在随后的初始化步骤31中，载物台2沿显微镜物镜4的光轴方向和沿垂直于所述光轴的两个方向移动，使得二极管16位于显微镜物镜4的下方，由此可以检测显微镜物镜4聚集的总光照功率。只要显微镜带有电动的聚焦驱动器和电动的X-Y工作台，就可以自然地自动实现初始化。在这种情况下，控制和分析计算机22相应地控制用于聚焦的电机驱动器和载物台的横向位置。如果不设置聚焦用的电机驱动器和X-Y工作台，用户将通过操作面获得指示，以相应地调节载物台使得二极管16直接位于物镜4下方。

在随后的两个步骤32，33中，进行变量赋值，其中将变量“新位置”的值赋予变量“旧位置”，将变量“位置a”的值赋予变量“新位置”。为了程序的第一次运行，对于初始化步骤31中的这些变量使用固定的给定值。在后面的步骤34中，控制灯的驱动器6，7和聚光透镜的驱动器20，使得驱动器取的是变量“新位置”的值。接着，用二极管16进行光照功率测量并且读出测得的光照功率，随后在步骤35中进行另一次变量赋值，其中，将测得的光照功率值赋予变量“新位置的光照功率”。在下面的步骤36中，判断询问同样在初始化步骤中赋予了值的变量“旧位置的光照功率”的值是否小于变量“新位置的光照功率”的值。如果问题的答案是否定的，那么，在步骤37中，赋予变量“实际步宽”的值将是变量“递减”的值，而在后面的步骤38中将变量“旧位置的光照功率”的值赋予变量“新位置的光照功率”。在后面的步骤39中，计算变量“位置a”的值，该值为变量“旧位置”同变量“实际步宽”的值和变量“光照功率导数”的值之积的和。在后面的判断步骤40中需检查，变量“实际步宽”的值是否大于给定的极限值。如果问题的答案是肯定的，则使具有新值的程序跳回到上述步骤32，从而重新进行下面的步骤。相反地，如果步骤40中的答案是否定的，则结束程序。

如果在上述步骤36中查询变量“旧位置的光照功率”的值是否小于或等于变量“新位置的光照功率”的值时，其结果为肯定的话，则在步骤41中将变量“递增”的值赋予变量“实际步宽”，并在后面的步骤42中测量光照功率的梯度。有关光照功率梯度测量的细节在下面将结合附图3中的流程图详细说明。在光照功率梯度测量之后，将测得的梯度值赋予变量“光照功率导数”，在后面的步骤43中，把变量“新位置”同变量“实际步宽”和光照功率导数的积之和的值赋予“位置a”。此后，程序经过分支进入查询步骤40，在此查询变量“实际步宽”的值是否大于极限值，并且在答案为否定的情况下结束程序，而在答案为肯定的情况时，应在这种情况下使程序返回到初始化步骤31后面的步骤32。

下面将结合附图3详细说明确定光照功率梯度的方法。在两个开始的赋值步骤中，把变量“光照功率”的值赋予变量“实际光照功率”并将变量“新位置”的值赋予变量“实际位置”。所述变量的值或者从图2所示的流程图中得到，或者在图2所示的初始化步骤31中确定。在两个另外的初始化步骤53，54中，确定变址变量的值i和N。此后，使每个灯驱动器6，7或聚光透镜的驱动器20依次移动预定的增量di，并在步骤55中测量射入二极管16的光照功率。在下面的步骤56中，测量光照功率的变化，亦即计算变量“光照功率”和变量“实际光照功率”的差。这些步骤对所有三个驱动器都是单独的，并依次完成。当出现用于控制所有三个驱动器的光照功率差值之后，在步骤37中计算光照功率梯度，即，计算变量“光照功率导数”值的矢量量值。在后面的步聚39和43中，用这样算出的矢量量值“光照功率导数”的值计算新的需控制的位置“位置a”。

图4中示出了本发明所述采用透光照明的显微镜。在图4所示实施例中将用比图1中大100的参考标记表示与图1所示实施例所用部件相应的部件。从灯105射出的光由聚光透镜109和聚光镜117进行准直。在聚光透镜109后设置开口直径可变的光阑110，该光阑与后面的光学元件相对于物镜104的焦点平面共轭设置并且起调节照明场的作用。在视场光阑110后面设置的透镜111在孔径光阑112的平面内形成灯105的光源图像。同时透镜111使视场光阑110趋向无穷远。在偏转镜114后面设置另外两个透镜113，115，它们一起一方面使孔径光阑112的平面形成在与载物台102成一体的透射聚光镜125的后焦点平面，同时又使视场光阑110趋向无穷远。通过调节视场光阑110和孔径光阑112的开口直径，还可以在该实施例中以公知的方式调节所谓的科勒氏照明。

为了测量照明光路内总的光照功率，在孔径光阑112的后面设置半透镜123，通过半透镜可以输出耦合较少部分照明光，并且使光通过后面的透镜124聚焦到与显微镜座成一体的二极管116上。

同样在该实施例中，可沿两个互相垂直的方向且同时垂直于光轴119电动地调节灯105，为此，设置了电动的驱动器106，107。此外，还是在该实施例中，可通过电动的驱动器120沿光轴119的方向调节聚光透镜109，进而调节照明。通过控制计算机122实现对调节灯105的驱动电机106，107的控制和对轴向移动聚光透镜109的驱动器120的控制，以及对设在显微镜架上的接口121的控制，其中通过该接口可以将二极管116的输出信号送入控制计算机122。

在图4所示具有与照明光路一体的二极管116的实施例中，以上结合附图2和3所述的方法对调节灯105具有如下意义，孔径光阑112的位置相对于聚光镜125入射光瞳的位置是共轭的，而且考虑到通过两个透镜113，115起到的放大或缩小作用，所述孔径光阑的开口直径将对应于聚光镜125的光瞳直径。虽然该要求在图1所示实施例中未提出，但是在此需要的是，使二极管116的光敏区直径大于或等于由物镜4照亮的光场的直径。

上述本发明的方法实际上不仅可以用来相对于照明光路调节灯5，105，而且还可以在初调时，相对于聚光器9，109调节聚光镜17，117。为此可以交替地把灯和凹面镜调节到逐步逼近二极管16，116的最大功率。在对聚光镜进行粗调后，需要进行大约3-4次逼近，以便实现最佳调节。然后，在更换灯时，只需垂直于光轴调节灯和沿光轴方向调节聚光透镜9，109。后来在更换灯时，不需要调节聚光镜17，117。

以上结合梯度法描述了本发明的方法，所述梯度法可用于确定具有最大光照功率的灯的位置。梯度法所具备的优点是，一方面可比较简单地实现，另一方面只需较少的逼近步骤便可实现最佳调节。除了梯度法，还可以考虑其他算法，例如，依次控制每个驱动器，直到每个方向上的运动达到最大光照功率为止，而且这些步骤可以多次相继地重复进行，直到检测的光照功率达到绝对最大值为止。

Claims (12)

1.相对于显微镜的照明光路调节灯位置的方法，所述显微镜的照明光路中没有光束均化器，所述显微镜包括一个定义了光瞳平面的显微镜物镜、一个用于沿着所述照明光路提供传播光线的可调灯、以及一个用于检测所述传播光线的光照功率的检测器，该方法包括以下步骤：

用所述的检测器测量所述物镜的光瞳平面后面的总光照功率，

从一个起始位置开始，根据所述灯相对于所述照明光程的位置变化而查找所述光照功率的最大梯度，

并且沿着光照功率的最大梯度方向移动所述的灯，直到由所述检测器检测的光照功率最大。

2.如权利要求1所述的方法，其中通过软件控制的电机实现对灯的调节。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述的显微镜包括一分析计算机和用于相对于所述照明光程移动所述灯的电机，该方法还包括进一步步骤：利用该分析计算机控制使灯移动的电机，直到所述的光照功率达到最大时为止。

4.显微镜，包括：

载物台，

用于沿着一没有光束均化器的照明光路提供照明光线的灯，

用于相对于照明光路调节灯位置的电机驱动器，

一个定义了光瞳平面的显微镜物镜，

与所述载物台成一体的检测器，以及

一分析和控制计算机，其被连接到所述的检测器上，并用于依次控制所述的电机驱动器，直到利用该检测器测到最大总光照功率为止。

5.如权利要求4所述的显微镜，其中所述显微镜沿所述的照明光程定义了一个光轴，而且所述的显微镜还包括：在所述照明光程中安装在所述灯后面的聚光元件，用于沿着所述光轴移动该聚光元件的附加电机驱动器。

6.如权利要求5所述的显微镜，其中所述的分析和控制计算机还用于通过执行以下步骤来使用梯度法，以寻找所述光照功率的最大值：

从一个起始位置开始，根据所述灯和所述聚光元件中的至少一个的位置变化而查找所述光照功率的最大梯度，

而且，沿总光照功率的最大梯度方向调节所述灯和所述聚光元件中的至少一个。

7.相对于显微镜的照明光路调节灯位置的方法，所述显微镜的照明光路中没有光束均化器，所述显微镜包括一个在所述照明光程中定义了光瞳平面的光学元件、一个用于沿着所述照明光路提供传播光线的可调灯、以及一个用于检测所述传播光线的光照功率的检测器，该方法包括以下步骤：

测量所述照明光程的光瞳平面后面的总光照功率，

从一个起始位置开始，根据所述灯相对于所述照明光程的位置变化而查找所述光照功率的最大梯度，

并且沿着光照功率的最大梯度方向移动所述的灯，直到由所述检测器检测的光照功率最大。

8.如权利要求7所述的方法，其中通过软件控制的电机实现对灯的调节。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述的显微镜包括一分析计算机和用于相对于所述照明光程移动所述灯的电机，该方法还包括进一步步骤：利用该分析计算机控制使灯移动的电机，直到所述的光照功率达到最大时为止。

10.显微镜，包括：

载物台，

用于沿着一没有光束均化器的照明光路提供照明光线的灯，

用于相对于照明光路调节灯位置的电机驱动器，

在所述照明光程中定义了光瞳平面的光学元件，

在所述照明光程中安装在所述载物台前面的半透镜，

在由所述半透镜偏转的光程中安装在所述光瞳平面后面的检测器，用于检测该照明光程中的光照功率，以及

一分析和控制计算机，其被连接到所述的检测器上，并用于依次控制所述的电机驱动器，直到利用该检测器测到最大总光照功率为止。

11.如权利要求10所述的显微镜，其中所述显微镜沿所述的照明光程定义了一个光轴，而且所述的显微镜还包括：安装在所述灯后面且位于所述照明光程中的聚光元件，用于沿着所述光轴移动该聚光元件的附加电机驱动器。

12.如权利要求10所述的显微镜，其中所述的分析和控制计算机还用于通过执行以下步骤来使用梯度法，以寻找所述光照功率的最大值：

从一个起始位置开始，根据所述灯和所述聚光元件中的至少一个的位置变化而查找所述光照功率的最大梯度，

而且，沿总光照功率的最大梯度方向调节所述灯和所述聚光元件中的至少一个。

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