DE10119616A1 - Verstelleinrichtung für ein Mikroskopobjektiv - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine räumlich ansteuerbare Verstelleinrichtung für ein Mikroskopobjektiv mit einer elektronisch gesteuerten Objektivnachführung und/oder einer 3-D-Positions-Steuerung zum optischen Scannen. DOLLAR A Die Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive umfasst 6 aktive linearverstellbare Aktoren 3, die zwischen dem Tubus 5 und Objektiv 1 hexapodartig angeordnet sind und den Strahlengang des Mikroskops umschließen und dass das Objektiv 1 computergesteuert in mindestens drei Freiheitsgraden bewegt werden kann (s. Fig. 1).

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine elektrisch steuerbare Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive für eine automatische Objektivnachführung und/oder eine 3D-Positions-Steuerung zum optischen Scannen.

Bisher angewendete Verstellmechanismen für Mikroskopobjektive gestatten nur die Verschiebung des Objektivs in Achsrichtung (z-Richtung). Dies erfolgt überwiegend manuell, vereinzelt auch durch eine elektromotorisch steuerbare Linearverstelleinrichtung oder piezoelektrische Aktoren.

Gebräuchlich ist die Kombination einer eindimensionalen Objektivverstellung (Fokussierung) mit einer zweidimensionalen Verschiebung des Objektträgers in der x- y-Achse durch einen manuell oder motorisch betätigten Kreuztisch.

Für die Mikroskopie und Laser-Diagnostik an großen Objekten, insbesondere an Objekten die einer fortlaufenden Lageänderung unterliegen (z. B. lebende Zell- und Kapillarstrukturen bei Mensch oder Tier) ist eine Nachführeinrichtung in mindestens 3 Freiheitsgraden erforderlich.

Für diesen Zweck sind Operationsmikroskope in Gebrauch, die im Ganzen eine Nachführung im Handbetrieb mit Verstellmechanismen in Form einer Aneinanderreihung von Gelenken und/oder Linearverstelleinrichtungen ermöglichen, wie beispielsweise in US 4714328 vorgeschlagen.

Insbesondere bei ständigen Eigenbewegungen des Untersuchungsobjektes ist eine automatische Nachführung mit hoher Dynamik zweckmäßig und sinnvoll, da durch sie besonders die für den Betrachter sehr anstrengenden und ermüdenden Korrekturtätigkeiten minimiert werden.

Aufgabe und Ziel der Erfindung ist es daher, eine solche Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive zu entwickeln, mit dessen Hilfe eine schnelle automatische räumliche Objektivnachführung durchgeführt werden kann. Die Verstelleinrichtung soll eine präzise Nachführung bei kleinen Eigenbewegungen des Untersuchungs-Objekts in der optischen Diagnostik an ausgewählten Oberflächenbereichen über einen längeren Zeitraum ermüdungsfrei ermöglichen.

Die Verstelleinrichtung soll einen relativ einfachen konstruktiven Aufbau besitzen und eine präzise Objektivführung mit maximal 6 Freiheitsgraden, nämlich in der X-, Y-, Z-Achse und in den dazugehörigen Drehachsen ΘX, ΘY, und ΘZ zulassen.

Zugleich soll die Masse des zu bewegenden Elemente minimiert und eine sichere, schnelle und leichte Führung des Objektives gegenüber dem Präparat bei ständiger Fokussierung erreicht werden.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass das Objektiv gegenüber dem Tubus des Mikroskops durch längenveränderliche aktive Stellglieder (nachfolgend Aktoren genannt) in einer Hexapodanordnung flexibel abgestützt wird, wobei der optische Strahlengang des Mikroskops innerhalb der Hexapodanordnung liegt. Die Hexapodanordnung umfasst sechs Aktoren, die kreisförmig um den Strahlengang wechselseitig am Objektiv und am Tubus befestigt sind. Sie sind jeweils paarweise frei beweglich am Objektiv und am Tubus in gemeinsamen Lagerpunkten angelenkt. Die Lagerung am Objektiv und am Tubus erfolgt an Tragringplatten oder an kragartig angeordneten Stützlagern (Pratzenlager).

An Stelle einer Lagerung in Kugelgelenken, ist die Lagerung der Aktoren auch in Nadellagern ausführbar. In diesem Fall wird die aus der Masse des Objektives und der Aktoren bedingte Schwerkraft über symmetrisch zwischen Tubus und Objektiv eingespannte Federelemente aufgenommen. Zusätzlich können bei diesen Lagern die Aktoren vor dem Herausfallen oder Aushebeln durch einen gummielastischen Kleber, vorzugsweise Silikon (11), gesichert werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind sechs Freiheitsgrade zur Einstellung und Nachführung des Objektivs gegenüber einem Beobachtungsobjekt erreichbar.

Die sechs Freiheitsgrade können unabhängig voneinander eingestellt werden. Linearverschiebungen in x-, y- und z-Richtung und in den dazugehörigen Verdrehwinkeln ΘX, ΘY, und ΘZ um die drei Achsen des kartesisches Koordinatensystems sind im Einzelnen und in Kombination uneingeschränkt möglich.

Für die Nutzung der sechs Freiheitsgrade zur Objektivsteuerung ist vorzugsweise eine Computer-Ansteuereinheit mit sechs Ausgabekanälen für die sechs Aktoren vorgesehen.

Auch können für ausgewählte Anwendungen die sechs Freiheitsgrade auf drei Freiheitsgrade, insbesondere die Verstellung in der x, y und z Richtung, reduziert werden. Dazu werden die Aktoren paarweise steuertechnisch gekoppelt und mit jeweils einem von drei Ansteuerkanälen der Computer- Ansteuereinheit verschaltet.

In einem Ausführungsbeispiel wird der prinzipielle konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive an Hand der Zeichnungen verdeutlicht. Die Abbildungen zeigen:

Fig. 1 eine hexapodartige Abstützung zwischen Objektiv und Tubus,

Fig. 2 die Einzelheit I aus Fig. 1 mit Nadellagerung der Aktoren,

Fig. 3 die Einzelheit I aus Fig. 1 mit Kugelkopf gelagerten Aktoren.

Der konstruktive Aufbau der Verstelleinrichtung nach Fig. 1 wird durch die sechs Aktoren 3 in Form linearverstellbarer Teleskopbeine bestimmt, die am Tubus 5 und am Objektiv 1 in jeweils drei Gelenkpunkten 7, 7* paarweise angelenkt sind. Für sehr kleine Aufbauten kommen vorzugsweise piezoelektrische Aktoren zur Anwendung. Alternativ sind auch Konstruktionen mit mechanischen (Gewindeverstellung), elektromagnetischen, magnetostriktiven, pneumatischen oder hydraulischen Aktoren möglich.

Die Gelenkpunkte 7, 7* sind symmetrisch auf einem Teilkreis zum Strahlengang angeordnet. Die Gelenkpunkte 7 und 7* am Tubus 5 und am Objektiv 1 sind, bezogen auf den Teilkreis, zueinander auf Lücke versetzt angeordnet. Damit werden die beiden Tragringplatten 2 und 4 jeweils von drei Aktorenpaaren 3, 3* abgestützt. Um eine präzise allseitige Verlagerung des Objektives 1 zu gewährleisten, sollen die Gelenke der Aktoren 3 in den Gelenkpunkten 7, 7* leichtgängig und spielfrei sein.

Da die einzelnen Befestigungspunkte eines Aktorenpaares konstruktiv bedingt geringfügig nebeneinander liegen, werden diese Abstände in der Ansteuer- Software mittels eines mathematischen Algorithmus berücksichtigt.

Der Strahlengang der Objektabbildung verläuft von der Kamera 8 mittig durch den Tubus 5 und im Innenraum der ringförmig angeordneten Aktoren 3, 3* zum Objektträger 6. Der von den Aktoren 3, 3* umschlossene Innenraum ist gegen Fremdlichteinfall durch eine Labyrinth-, Teleskopdichtung oder einen Faltenbalg 10 abgedichtet. Unter dem Objektiv 1 befindet sich der Objekträger 6 mit dem zu betrachtenden Objekt oder ein ausgedehntes Objekt.

Die Grob- und Feinverstelleinrichtung für das Mikroskop erfolgt in bekannter Weise durch einen mechanischen Stellantrieb am Tubus 5 oder bei feststehendem Tubus über eine Stelleinrichtung am Objekträger 6.

Die bei der Beobachtung eines Objektes anzutreffenden Miniaturbewegungen werden über das Objektiv kontinuierlich optisch und rechentechnisch erfasst und die Raumkoordinaten bestimmt. Bei räumlicher Veränderung erfolgt die Nachführung des Objektives 1 durch die fortlaufende Ansteuerung der Aktoren 3 der Hexapod-Verstelleinrichtung. Damit wird erreicht, dass ohne Einflussnahme auf die Feineinstellung des Mikroskops das Objekt trotz Eigenbewegung im Betrachtungsbereich verbleibt.

Fig. 2 zeigt als Einzelheit I die Lagerung eines Aktorenpaares 3, 3* in einzelnen Nadellagern 4.1 im Gelenkpunkt 7 der Tragringplatte 4 für das Objektiv 1 (hier nicht dargestellt). Die Nagellager 4.1 sind offene Stützlager. Der notwendige Abstützdruck zwischen dem Aktor 3 und dem Nadellager 4.1 wird mittels der Zugfeder 9 in die Tragringplatte 4 eingetragen. Das jeweilige Widerlager für die Zugfedern 9 befindet sich an der gegenüberliegenden Tragringplatte 2 am Tubus 5 (hier nicht dargestellt).

Zur Verschleißminderung und Erhöhung der Lagerpräzision sind die Spitzen der Aktoren 3, 3* im Nadellager 4.1 auf Steinen 4.2 gelagert. Um zusätzlich ein Aushebeln oder Herausfallen zu verhindern, sind die Spitzen der Aktoren 3, 3* vorsorglich durch eine kleine Menge gummielastischen Klebstoff, vorzugsweise Silikon 4.4, gesichert.

Die Lagerung der Aktoren 3, 3* an der Tragringplatte 2 erfolgt in gleicher Weise wie vorgenannt beschrieben.

Fig. 3 zeigt die Aktoren 3, 3* mit Kugelgelenklagern 3.1. Für die Ankopplung der Kugelgelenklager 3.1 an der Tragringplatte 4 sind auf dieser die Lagerstühle 3.2 angeordnet. An der Tragringplatte 2 erfolgt die Befestigung der Aktoren 3, 3* analog.

Bei beiden Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3 werden die zur Objektivnachführung notwendigen Stellbewegungen über die Aktoren 3 durch Längenänderung eingetragen. Die Tragplatte 2 am Tubus 5 bildet dabei die Nullbasis. Durch die Hexapodanordnung der Aktoren 3, 3* kann das Objektiv 1 in allen Koordinatenrichtungen x, y, z und in den dazugehörigen Drehachsen Θ räumlich und/oder linear verlagert werden.

Bezugszeichen

1

Objektiv

2

Tragringplatte

3

Aktor (linearverstellbar)

3.1

Kugelgelenk

3.2

Lagerstuhl

4

Tragringplatte

4.1

Nadellager

4.2

Stein

4.3

Silikon

5

Tubus

6

Objekträger

7

Gelenkpunkt

8

Kamera

9

Federelement

10

Faltenbalg

Claims (13)

1. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive für eine elektronisch gesteuerte räumliche Objektivnachführung und/oder eine 3D-Positions-Steuerung zum optischen Scannen, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskopobjektiv (1) gegenüber dem Tubus (5) durch aktive linearverstellbare Aktoren (3) gehaltert wird, die den Strahlengang in Form eines Hexapods umschließen.

2. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellfunktion der linearverstellbaren Aktoren (3) auf piezoelektrischer, elektromagnetischer, hydraulischer oder magnetoresistiver Basis erfolgt oder dass die Aktoren (3) mit elektromotorischen Spindelantrieben mit oder ohne Getriebe auf Basis von Schritt- oder Gleichstrommotoren möglicherweise auch in Kombination mit einer der vorgenannten Aktorvarianten realisiert sind.

3. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der Aktoren (3) am Tubus (5) und am Objektiv (1) in jeweils drei Gelenkpunkten (7) paarweise erfolgt.

4. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkpunkte (7 und 7*) der Aktoren (3, 3*) am Tubus (5) und am Objektiv (1) zueinander auf Lücke versetzt angeordnet sind.

5. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (3) am Tubus (5) und am Objektiv (1) an Tragringplatten (2, 4) oder Lagerpratzen angelenkt sind.

6. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (3) kardanische Kugelgelenke (3.1) tragen und dass dazu die Tragringplatten (2 und 4) oder Lagerpratzen Lagerstühle (3.2) aufweisen.

7. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (3) spitzkegelig in Nadellagern (4.1) gelagert sind und dass die Kopplung und Aufnahme der Schwerkraft und Verstellmomente zwischen Tubus (5) und Objektiv (1) durch Federelemente (9) erfolgt, die an den Tragringplatten (2 und 4) oder direkt am Tubus (5) und am Objektiv (1) befestigt sind.

8. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Nadellagern (4.1) zur Lagerung der Aktoren (3) Steine (4.2) eingesetzt sind.

9. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang im Bereich der Verstelleinrichtung gegen Fremdlichteinwirkung durch einen Faltbalg (10) oder Labyrinthblenden abgeschlossen ist.

10. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Aktoren (3) des Hexapods durch einen Computer einzeln, paarweise oder in Gruppen erfolgt.

11. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1, 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise bei einer Begrenzung auf die drei Translationsfreiheitsgrade jeweils drei Aktorenpaare (1 und 1*, 2 und 2* sowie 3 und 3*) des Hexapods synchron zusammengeschaltet sind.

12. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1, 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Video-Bildauswertung Lageveränderungen des beobachteten Objekts erfasst werden und der Computer die Aktoren (3) in der Weise ansteuert, dass die Bildverschiebung aufgehoben wird.

13. Verstelleinrichtung für Mikroskopobjektive nach Anspruch 1, 2, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer dreidimensionalen Beobachtung beweglicher Objekte in Echtzeit eine elektronische Kamera und eine Auswerteelektronik mit dem Objektiv (1) optisch wirkverbunden ist.