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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Abtastung
einer Probe, mit einer Verstelleinheit sowie eine Abtasteinrichtung,
wonach die Probe mittels der von einer Steueranlage beaufschlagten
Verstelleinheit gegenüber
der Abtasteinrichtung bewegt wird, oder umgekehrt.
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Bei
Verfahren entsprechend der eingangs beschriebenen Ausprägung wird
die Probe zumeist hinsichtlich ihrer Transmission untersucht. Grundsätzlich sind
auch Reflexionsmessungen möglich. Bei
der jeweiligen Probe mag es sich um eine biologische Probe, einen
Zellschnitt oder auch eine werkstoffwissenschaftliche Probe wie
einen Materialschnitt handeln.
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Üblicherweise
erfasst die Abtasteinrichtung immer nur einen bestimmten Ausschnitt
der Probe mit der gewünschten
Auflösung.
Folglich sorgt die Verstelleinheit dafür, dass mit der Abtasteinrichtung aufgenommene
Einzelbilder zu wenigstens einem Gesamtbild in der Steueranlage
zusammengesetzt werden. Das ist jedoch nicht zwingend.
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In
jedem Fall verfügt
die Abtasteinrichtung üblicherweise über eine
Optikeinheit und eine Aufzeichnungseinheit. Bei der Optikeinheit
handelt es sich nicht einschränkend
um ein oder mehrere Mikroskopobjektive, während die Aufzeichnungseinheit beispielsweise
als CCD-Chip (CCD = charge coupled device) ausgeführt ist
oder einen solchen beinhaltet. Die Aufzeichnungseinheit bzw. der
CCD-Chip befindet sich regelmäßig in der
Bildebene des zugehörigen
Mikroskopobjektives, um das Einzelbild aufzunehmen und an die Steueranlage
zu übergeben.
Die Steueranlage liest ihrerseits die Aufzeichnungseinheit aus und
speichert das jeweilige Einzelbild ab. Nachdem alle Einzelbilder
erfasst worden sind, werden diese zu dem einen oder den mehreren
Gesamtbildern zusammengesetzt.
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Üblicherweise
wird die Probe mit Hilfe der Verstelleinheit gegenüber der
Abtasteinrichtung bewegt. Dazu wird die Probe regelmäßig von
einem Probentisch gehalten, welcher seinerseits über Verstelleinrichtungen bzw.
Stellvorrichtungen bewegt wird. Dabei findet meistens nicht nur
eine Bewegung in X-/Y-Ebene statt, um die jeweiligen Einzelbilder aufzunehmen
und in der Steueranlage abzulegen. Tatsächlich sorgt die Verstelleinheit üblicherweise auch
noch für
eine Verstellung in Z-, also Höhenrichtung,
welche immer dann erforderlich ist, wenn beispielsweise mit Hilfe
des Mikroskopobjektives bzw. der Optikeinheit fokussiert werden
soll. Dabei kann die Fokussierung sowohl automatisch als auch manuell
vorgenommen werden. In erstgenanntem Fall wird der Bildkontrast
mit Hilfe von Grauwertabweichungen untersucht und das kontrastreichste
Bild als zum Focus gehörig
qualifiziert. Daneben ist natürlich auch
eine manuelle Fokussierung möglich.
Ebenso umfasst die Erfindung Abwandlungen dergestalt, dass nicht
die Verstelleinheit bzw. der Probentisch gegenüber der Abtasteinrichtung bewegt
wird, sondern die Abtasteinrichtung ergänzend oder alternativ gegenüber der
Verstelleinheit. Selbstverständlich
ist auch beides möglich,
wie der letztgenannte Anwendungsfall deutlich macht.
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Dann
wird der Probentisch in X-/Y-Ebene bewegt, wohingegen die Abtasteinrichtung
eine Bewegung in Z-Richtung erfährt.
Bei einer solchen Variante und auch ansonsten besteht die Gefahr,
dass die Probe unbeabsichtigt beschädigt wird. Das ist besonders
schmerzlich für
den Fall, dass es sich bei der Probe um ein besonders wertvolles
Einzelstück
oder eine lebende Zellkultur handelt, die durch einen solchen Vorgang
unwiederbringbar zerstört
werden kann. Hier setzt die Erfindung ein.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren der
eingangs beschriebenen Ausgestaltung so weiter zu entwickeln, dass
Probenbeschädigungen
in jedem Fall ausgeschlossen werden können. Außerdem soll eine entsprechend
geeignete Vorrichtung angegeben werden.
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Zur
Lösung
dieser technischen Problemstellung schlägt die Erfindung bei einem
gattungsgemäßen Verfahren
zur optischen Abtastung einer Probe vor, dass für die Verstelleinheit ein Bewegungsfenster
definiert wird, innerhalb dessen mechanische Kollisionen mit der
Abtasteinrichtung ausgeschlossen sind. Für die Verstelleinheit wird
folglich ein Bewegungsfenster – zumeist
innerhalb der Steueranlage – vorgegeben,
so dass sich die Verstelleinheit nur innerhalb dieses Bewegungsfensters
bewegen lässt bzw.
beim Verlassen des Bewegungsfensters eine Alarmmeldung erfolgt.
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Dabei
hat es sich bewährt,
wenn das Bewegungsfenster in Abhängigkeit
verschiedener Parameter eingestellt wird. Zu diesen Parametern mag nicht
einschränkend
die Größe der Probe,
die Anfangsposition und Geschwindigkeit der Verstelleinheit sowie
ggf. die Ausgestaltung der Verstelleinheit gehören. In Abhängigkeit hiervon wird das Bewegungsfenster
jeweils variabel eingestellt.
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Tatsächlich ist
zumeist ein Probensensor vorgesehen, mit dessen Hilfe das besagte
Bewegungsfenster definiert wird. Dieser Probensensor meldet vorzugsweise
einmalig oder kontinuierlich Abstandsmesswerte zwischen der Probe
und/oder der Verstelleinheit und der Abtasteinrichtung an die Steueranlage.
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Tatsächlich kann
der Probensensor beispielsweise die Probe von ihrer Größe her abtasten und
zugehörige
Probendimensionswerte an die Steueranlage übergeben. Wenn nun noch die
Anfangsposition der Verstelleinheit und beispielsweise die Ausgestaltung
des die Probe aufnehmenden Probentisches in der Steueranlage abgelegt
sind, kann in Verbindung mit den besagten Probendimensionswerten problemlos
auf einen Freiraum zwischen der Probe und der Abtasteinrichtung
rückgeschlossen
werden. Dieser Freiraum lässt
sich mit dem maximal möglichen
Bewegungsfenster gleichsetzen. In der Regel begrenzt das Bewegungsfenster
Bewegungen der Verstelleinheit in einer Dimension, meistens der Z-Richtung.
Wenn der Freiraum zwischen der Probe und der Abtasteinrichtung bekannt
ist, kann dieser unmittelbar in Werte für das Bewegungsfenster in dieser
Z-Richtung umgesetzt werden. Dabei wird man das Bewegungsfenster
aus Sicherheitsgründen meist
deutlich kleiner als den vorerwähnten
Freiraum wählen.
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Zusätzlich zu
dem Probensensor hat es sich bewährt,
wenn ergänzend
ein Verstellsensor realisiert wird. Mit Hilfe dieses Verstellsensors
lassen sich Bewegungen der Verstelleinheit – beginnend bei ihrer zuvor
ermittelten Anfangsposition – erfassen.
Im Beispielfall dient der Verstellsensor dazu, Bewegungen der Verstelleinheit
in Z-Richtung aufzunehmen und auszuwerten. Steht das Bewegungsfenster
in Z-Richtung fest, so kann mit Hilfe des Verstellsensors unmittelbar
ermittelt werden, ob sich die Verstelleinheit respektive die Probe
in Richtung auf eine der beiden Grenzen des Bewegungsfensters bewegt
oder nicht. Dabei wird das Bewegungsfenster jeweils variabel an
die Bewegung der Probe gegenüber
der Abtasteinrichtung angepasst. Als Folge hiervon ändern sich
natürlich
auch die Abstandsmesswerte zwischen der Probe und der Abtasteinrichtung
und selbstverständlich
die Größe des Freiraumes.
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Bewegt
sich die Probe auf eine Grenze des Bewegungsfensters zu, so wird
beispielsweise ein Alarmsignal akustisch und/oder optisch ausgegeben. Es
kann aber auch so vorgegangen werden, dass die Probe bei Erreichen
einer Grenze des Bewegungsfensters nicht mehr weiter mit Hilfe der
Verstelleinheit bewegt werden kann, die Verstelleinheit folglich
blockiert wird.
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Üblicherweise
arbeitet der Probensensor berührungslos
und erfasst den zwischen der Probe und der Abtasteinrichtung vorhandenen
Freiraum in entsprechender Weise. Dabei mag der Probensensor mit
Ultraschallwellen oder elektromagnetischen Wellen arbeiten oder
kann auch den Freiraum mit Hilfe von Wellenimpulsen und zu gehöriger Zeitmessung abtasten.
Ergänzend
mag der Probensensor in der Lage sein, die Probe hinsichtlich ihrer
Probendimensionen abzutasten.
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Der
Verstellsensor ist üblicherweise
einer oder mehreren Verstelleinrichtungen der Verstelleinheit zugeordnet.
Im Falle, dass der Verstellsensor eine Bewegung der Abtasteinrichtung
bzw. des Mikroskopobjektives in Z-Richtung erfassen soll, ordnet man
den Verstellsensor üblicherweise
einem an dieser Stelle vorgesehenen Handrad oder einem entsprechenden
Z-Antrieb zu. In erstgenanntem Fall kann der Verstellsensor als
Drehwinkelgeber ausgeführt
sein. In letztgenanntem Fall mag es sich um einen Wegsensor oder ähnliches
handeln.
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Im
Ergebnis wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches durch
Definition eines Bewegungsfensters für die Verstelleinheit sicherstellt,
dass mechanische Kollisionen zwischen der Probe und der Abtasteinrichtung
zuverlässig
ausgeschlossen werden können.
Das gelingt im Wesentlichen dadurch, dass der Freiraum zwischen
der Probe und der Abtasteinrichtung ermittelt wird und als Basis
zur Definition eines variablen Bewegungsfensters dient.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur optischen Abtastung
einer Probe, wie sie im Anspruch 6 beschrieben wird. Vorteilhafte
Ausge- staltungen dieser Vorrichtung werden in den Ansprüchen 7 bis
10 behandelt. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich
ein Ausführungsbeispiel darstellenden
Zeichnung näher
erläutert;
es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch
und
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2 sowie
3 jeweils einen vergrößerten Ausschnitt
aus 1.
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In
den Figuren ist eine Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Probe 1 dargestellt,
bei welcher es sich nicht einschränkend um einen transparenten
biologischen Gewebeschnitt handelt. Dieser wird mit Hilfe einer
Weißlichtquelle
W oder dergleichen durchleuchtet, die sich unterhalb einer Verstelleinheit 2, 3 befindet.
Die Verstelleinheit 2, 3 setzt sich aus Stellvorrichtungen 2 sowie
einem Probentisch 3 zusammen.
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Mit
Hilfe der Stellvorrichtungen 2 kann der Probentisch 3 im
Beispielfall in X-/Y-Richtung verfahren werden, so dass unterschiedliche
Bereiche der Probe 1 aufgenommen werden können. Zusätzlich lässt sich
der Probentisch 3 ggf. auch in Z-Richtung verstellen. Das
ist jedoch nicht dargestellt. Denn eine Relativbewegung zwischen
der Probe 1 und einer Abtasteinrichtung 4, 5 in
Z-Richtung wird vorliegend so bewerkstelligt, dass der Abtasteinrichtung 4, 5 eine
weitere Stellvorrichtung 6 zugeordnet ist, bei welcher
es sich nicht einschränkend
um ein Handrad 6 in Verbindung mit einem Z-Stelltrieb handelt.
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Die
Abtasteinrichtung 4, 5 setzt sich aus mehreren
Objektiven bzw. Mikroskopobjektiven 4 als Optikeinheit 4 zusammen,
die wahlweise unterschiedlich große Bildausschnitte der Probe 1 auf
eine Aufzeichnungseinheit 5 abbilden. Bei der Aufzeichnungseinheit 5 handelt
es sich um einen CCD-Chip mit beispielsweise 1 Million Pixeln. Das
auf dem CCD-Chip erzeugte Bild der transmittierten Probe 1 wird
in einer Steueranlage 7 als Einzelbild E aufgenommen. Wie
angedeutet, setzt die Steueranlage 7 mehrere Einzelbilder
E zu einem Gesamtbild zusammen.
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Die
Steueranlage 7 steuert auch die Stellvorrichtung 2 bzw.
die Verstelleinheit 2, 3 sowie ggf. die Optikeinheit 4,
indem ein gewünschtes
Objektiv 4 ausgewählt
wird. Zusätzlich
steuert die Steueranlage 7 auch die Stellvorrichtung 6 in
Z-Richtung. Tatsächlich
ermöglicht
die dargestellte Vorrichtung mit Hilfe der Stellvorrichtung 6 sowohl
eine automatische Fokussierung der Probe 1 mit Hilfe des
ausgewählten Objektives 4 als
auch eine manuelle Fokussierung mit dem dargestellten Handrad 6.
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Bei
der Fokussierung wird mit Hilfe der Stellvorrichtung 6 ein
Abstand A zwischen der Probe 1 und der Abtasteinrichtung 4, 5 verändert. Ausgehend von
der zeichnerisch dargestellten Anfangsposition der Verstelleinheit 2, 3 gegenüber der
Abtasteinrichtung 4, 5 gibt dieser Abstand A ein
maximal mögliches
Bewegungsfenster F für
die Verstelleinheit 2, 3 vor, innerhalb dessen
mechanische Kollisionen mit der Abtasteinrichtung 4, 5 ausgeschlossen
sind. Tatsächlich
wird das Bewegungsfenster F meist kleiner als der besagte (maximale)
Abstand A eingestellt, beispielsweise beträgt das Bewegungsfenster F 80 %
des Abstandes A, so dass gilt:
F = 0,8 A.
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Um
nun das Bewegungsfenster F bzw. den Abstand A im Detail variabel
festzulegen und zu erfassen, verfügt die dargestellte Vorrichtung über zumindest
einen Probensensor 8, welcher einmalig oder kontinuierlich
Abstandsmesswerte, also den Abstand A, zwischen der Probe 1 und/oder
der Verstelleinheit 2, 3 und der Abtasteinrichtung 4, 5 an
die Steueranlage 7 meldet. Zusätzlich kann die Probe 1 mit
Hilfe des Probensensors 8 hinsichtlich ihrer Probendimensionen
abgetastet werden. So wird meistens vorgegangen.
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Im
Beispielfall der 1 ist der Probensensor 8 an
einem ortsfesten Haltearm für
die Abtasteinrichtung 4, 5 angeordnet. Der Probensensor 8 misst (berührungslos)
und meistens einmalig den Abstand A', zum Probentisch 3. Wenn das
ausgewählte
Objektiv 4 bekannt ist und auch dessen Dimensionen, so
lässt sich
aus einem Überstand Ü des Objektives 4 gegenüber einer
Unterkante des Haltearmes auf den Abstand des Objektives 4 gegenüber dem
Probentisch 3 wie folgt rückschließen:
A=A',-Ü-H,
wobei
H die "Höhe" der Probe 1 über dem
Probentisch 3 angibt und beispielsweise zuvor bestimmt wurde.
Selbstverständlich
kann der Probensensor 8 auch unmittelbar (kopfseitig) am
Objektiv 4 angebracht sein und kontinuierlich den Abstand
A an die Steueranlage 7 übermitteln.
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Als
weitere Alternative tastet der Probensensor 8 die Probe 1 hinsichtlich
ihrer Probendimensionen ab, was üblicherweise
berührungslos
geschieht. Zu diesem Zweck kann der Probensensor 8 die
Probe 1 seitlich beleuchten und aus dem Schattenbild auf
dessen Höhe "H" schließen (vgl. 3).
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist der Probensensor 8 jedoch fest an der Abtasteinrichtung 4, 5 bzw.
einem Objektiv 4 angebracht und misst den Abstand A von
seinem Anbringungsort bis zu einem Kopf der Probe 1. Dieser
Kopf fällt üblicherweise
mit der Oberfläche
eines Deckglases zusammen, wobei die Probe 1 zwischen dem
besagten Deckglas und einem Objektträger platziert ist, wie die 3 deutlich macht.
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Jedenfalls
ist der Probensensor 8 in der Lage, die Höhe H der
Probe 1 im Vergleich zur Oberfläche des Probentisches 3 zu
bestimmen und auch den Abstand A der Probe 1 bis zur Unterkante
des Objektives 4 sowie ggf. den Abstand A'. Unter der Voraussetzung,
dass in der Steueranlage 7 bekannt ist, welches Objektiv 4 aktuell
zum Einsatz kommt, und zwar unter Berücksichtigung der hiermit verbundenen
Abmessungen, insbesondere des Überstandes Ü, kann mit
Hilfe der Höhe
H unmittelbar auf den Abstand A rückgeschlossen werden, wenn
beispielsweise der Probensensor 8 den Abstand A' misst. Denn dieser Abstand
A ergibt sich einfach aus dem Abstand des ausgewählten Objektives 4 bzw.
dessen Überstand Ü und seinem
Abstand gegenüber
der Oberfläche
des Probentisches 3 abzüglich
der Höhe
H der Probe 1.
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Basierend
auf diesem ermittelten variablen Abstand A gibt die Steueranlage 7 nun
das Bewegungsfenster F nach der zuvor angegebenen Vorschrift (F
= 0,8 A) vor. Um nun Bewegungen der Abtasteinrichtung 4, 5 gegenüber der
Probe 1 dynamisch zu berücksichtigen, ist neben dem
Probensensor 8 zusätzlich
ein Verstellsensor 9 realisiert, welcher Bewegungen der
Verstelleinheit 2, 3 erfasst. Im Ausführungsbeispiel
ist der Verstellsensor 9 dem Handrad 6 bzw. der
Stellvorrichtung 6 zur Bewegung der Abtasteinrichtung 4, 5 in
Z-Richtung zugeordnet.
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Tatsächlich handelt
es sich bei dem Verstellsensor 9 um einen Drehwinkelsensor,
welcher Bewegungen des Handrades 6 bzw. des zusätzlich oder
alternativ vorgesehenen Stelltriebes 6', erfasst. Je nachdem, wie sich
die Abtasteinrichtung 4, 5 – beginnend in ihrer Anfangsposition – gegenüber dem
Probentisch 3 und folglich der Probe 1 bewegt,
errechnet die Steueranlage 7 aus dem zugehörigen Verstellweg – erfasst
mit Hilfe des Verstellsensors 9 – den verbleibenden Abstand
A zwischen dem Mikroskopobjektiv 4 und der Probe 1.
Dazu braucht der Abstand A lediglich einmal in der Anfangsposition
der Abtasteinrichtung 4, 5 gegenüber der
Probe 1 ermittelt werden. Sämtliche Änderungen des Abstandes A werden
dann über
den Verstellsensor 9 und die Steueranlage 7 über den
Verstellweg berücksichtigt.
Um die Sicherheit zu steigern, wird jedoch in der Regel der Abstand
A kontinuierlich gemessen und mit den über den Verstellweg und den
Verstellsensor 9 errechneten Werten in der Steueranlage 7 auf Übereinstimmung
geprüft.
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Kommt
es zu einer Abweichung, wird ein Alarmsignal ausgegeben und/oder
die Stellvorrichtung 6 mittels der Steueranlage 7 blockiert.
Dasselbe tritt ein, falls das Bewegungsfenster F bestimmte vorgegebene
Werte unterschreitet. Dabei kann je nach der Geschwindigkeit der
Verstellung in Z-Richtung auch mit anderen Multiplikatoren als 0,8
gearbeitet werden, um das Bewegungsfenster aus dem Abstand A abzuleiten.
Denkbar ist es, bei großen
Geschwindigkeiten der Abtasteinrichtung 4, 5 in
Z-Richtung den Faktor bis auf 0,5 zu verringern. Dagegen lässt eine
langsame Verstellung in Z-Richtung unter Umständen auch Werte bis 1,0 zu.
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Erreicht
bei diesem Vorgang also die Abtasteinrichtung 4, 5 einen
minimalen Abstand A gegenüber
der Probe 1 bzw. eine Untergrenze des Bewegungsfensters
F, so geht das Handrad 6 leer bzw. es wird ein Warnsignal
ausgegeben. Tatsächlich
ist das Handrad 6 nämlich
nicht unmittelbar mechanisch an einen Stelltrieb oder dergleichen
gekoppelt, sondern es werden vielmehr Drehbewegungen des Handrades 6 mit
dem Verstellsensor 9 erfasst und abgegriffen und dann erst
in Stellbewegungen des zusätzlich vorgesehenen
Stelltriebes 6' umgewandelt.
Zuvor sind diese Stellbewegungen des Handrades 6 und damit
Verstellwege des Verstellsensors 9 in der Steueranlage 7 ausgewertet
worden, und zwar dahingehend, ob der hiermit verbundene Verstellweg
möglich ist
oder nicht. Wird der minimale Abstand A zwischen der Probe 1 und
dem Mikroskopobjektiv 4 unterschritten (beispielsweise
1 mm oder ein anderer Wert, je nach Anwendungsfall), so sorgt die
Steueranlage 7 im Beispielfall dafür, dass der Stelltrieb 6' nur soweit verstellt
wird, dass der Minimalabstand eingehalten wird.
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Darüber hinaus
und unabhängig
von der bisher beschriebenen Funktionsweise ist der Probensensor 8 nicht
nur in der Lage, den variablen Abstand A mit Hilfe der Steueranlage 7 zu
ermitteln und das Bewegungsfenster F vorzugeben. Vielmehr kann mit
Hilfe des Probensensors 8 zusätzlich die jeweilige Position
der Abtasteinrichtung 4, 5 gegenüber der Probe 1 in
der Steueranlage 7 mitprotokolliert werden. Wenn diese
protokollierten Werte gleichzeitig mit denjenigen des Verstellsensors 9 verglichen
werden, können
Aussagen über
die Stellgenauigkeit des Handrades 6 bzw. des zusätzlich oder
alternativ vorgesehenen Stelltriebes 6', getroffen werden.
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Auch
ist es möglich,
aus etwaigen Abweichungen zwischen der tatsächlich gemessenen Position
der Abtasteinrichtung 4, 5 im Vergleich zu der Vorgabe
entsprechend dem Verstellsensor 9 ggf. eine Korrektur vorzunehmen.
D. h., mit dem Stelltrieb 6' bzw.
dem Handrad 6 wird ein bestimmter Abstand A der Abtasteinrichtung 4, 5 gegenüber der
Probe 1 eingestellt und mit dem tatsächlich erreichten und seitens
des Probensensors 8 gemessenen Wert verglichen. Wenn nun
diese Prozedur für
verschiedene Abstände
A durchgeführt
wird, so lassen sich jeweils Korrekturwerte K in Abhängigkeit
von dem Abstand A vorgeben entsprechend K (A).
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Dadurch
ist die Erfindung in der Lage, auf besonders aufwendig gearbeitete
Stelltriebe 6' bzw. Handräder 6 zu
verzichten, weil letztlich der Probensensor 8 in Verbindung
mit dem Verstellsensor 9 sowie der Steueranlage 7 zwar
eine entsprechende Korrektur und den Ausgleich evtl. (mechanischer) Ungenauigkeiten
sorgen.