DE102005043103A1

DE102005043103A1 - Einrichtung zum Auswechseln optischer Elemente in Strahlengängen

Info

Publication number: DE102005043103A1
Application number: DE200510043103
Authority: DE
Inventors: Roland Scheler; Ralf Wollenschensky; Ralph Lange; Karlheinz Dr. Bartzke; Ulrich Preisser
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2005-09-10
Filing date: 2005-09-10
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-11
Also published as: DE102005043103B4; WO2007028519A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Auswechseln optischer Elemente in Strahlengängen von optischen Geräten, insbesondere zum Auswechseln von Farbfiltern oder Teilerspiegeln, die untereinander unterschiedliche optische Eigenschaften haben. DOLLAR A Eine Einrichtung der vorgenannten Art umfaßt: DOLLAR A - eine Aufnahmevorrichtung (7) für ein ausgewähltes, in einen Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang (4) gestelltes optisches Element, beispielsweise ein Farbfilter (3.1), die ausgestattet ist mit Mitteln zu dessen Positionierung in einer definierten Arbeitsposition, DOLLAR A - mindestens eine Haltevorrichtung (9) zum Halten eines weiteren optischen Elementes in einer Bereitschaftsposition außerhalb des Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengangs (4) und DOLLAR A - eine beispielsweise mit einer drehbaren Scheibe (5) ausgestattete Zuführeinrichtung, die DOLLAR A È zum Zuführen der optischen Elemente von der Bereitschaftsposition in die Arbeitsposition und umgekehrt sowie DOLLAR A È zum Ausrichten und Halten des ausgewählten optischen Elementes in der Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung (7) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Auswechseln optischer Elemente in Strahlengängen von optischen Geräten, insbesondere zum Auswechseln von Farbfiltern oder Teilerspiegeln, die untereinander unterschiedliche optische Eigenschaften haben.
Moderne optische Geräte zur Probenanalyse, so insbesondere Laserscanmikroskope, sind in nahezu jedem optischen Kanal mit Farbfiltern und mit Teilerspiegeln, sogenannten dichroitischen Spiegeln, ausgerüstet. Dabei sollen Farbfilter und/oder Teilerspiegel untereinander auswechselbar sein, um in Abhängigkeit von der jeweils aktuell vorzunehmenden Probenanalyse eine spektrale Auswahl des Beleuchtungs- und Detektionslichtes zu ermöglichen.

Es ist bekannt, zum Auswechseln über Antriebe gesteuerte, mit den Farbfiltern bzw. Teilerspiegeln bestückte Wechselräder zu nutzen.

Üblicherweise sind die Farbfilter bzw. Teilerspiegel auf eine Seitenfläche dieser Wechselräder aufgeklebt. Nachteiligerweise lassen sich aufgrund von Fertigungstoleranzen Welligkeiten dieser Seitenflächen nicht vermeiden. Die haben zur Folge daß der Winkel, mit dem der Strahlengang an einem Teilerspiegel reflektiert wird, in der Größenordnung von Winkelminuten vom Sollwinkel abweicht. Ungenauigkeiten bei der Drehung des Wechselrades um einen vorgegebenen Drehwinkel beim Austausch von Farbfiltern untereinander führen zu einem unerwünschten Versatz der optischen Achse des Strahlengangs. Das führt dazu, daß sich beim Austausch der genannten optischen Elemente untereinander der Beobachtungsort an einer Probe im Bereich von Mikrometern verschiebt.

Bisher werden diese Abweichungen bei Laserscanmikroskopen ausgeglichen, indem die Pinholeöffnung dem Laserfokus nachgeführt wird. Allerdings erfordert dies, daß die Pinholesysteme über eine mikrometergenau gesteuerte Nachführeinrichtung verfügen müssen und daher technisch sehr aufwendig und kostenintensiv sind. Hinzukommt, daß die Wechselräder nur eine begrenzte Anzahl von Teilerspiegeln oder Farbfiltern aufnehmen können und daher auch selbst mit einer Wechseleinrichtung ausgestattet sein müssen, die es erlaubt, mehrere Wechselräder untereinander auszutauschen und so die Anzahl der verfügbaren optischen Elemente zu erhöhen.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, daß Lageabweichungen beim Austausch der optischen Elemente untereinander vermieden und so die Nachteile des Standes der Technik behoben werden.

Der hier verwendete Begriff Lage soll den Sinngehalt des Begriffes „Position", bezogen auf die Ausrichtung eines optischen Elementes in Relation zum Strahlengang bzw. zur optischen Achse des Strahlengangs, mit einschließen.

Erfindungsgemäß umfaßt eine Einrichtung zum Auswechseln optischer Elemente in Strahlengängen von optischen Geräten der eingangs genannten Art:

– eine Aufnahmevorrichtung für ein ausgewähltes, in den Strahlengang gestelltes optisches Element, ausgestattet mit Mitteln zu dessen Positionierung in einer definierten, seine korrekte Funktion gewährleistenden Arbeitsposition,
– mindestens eine Haltevorrichtung zum Halten eines weiteren optischen Elementes in einer Bereitschaftsposition außerhalb des Strahlengangs, und
– eine Zuführeinrichtung, die
– zum Zuführen der optischen Elemente von der Bereitschaftsposition in die Arbeitsposition und umgekehrt sowie
– zum Ausrichten und Halten des ausgewählten optischen Elementes in der Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung ausgebildet ist.

Mit dieser Einrichtung wird vorteilhaft eine funktionelle Entkopplung der Lage und Ausrichtung erzielt, die die optischen Elemente in der Aufnahmevorrichtung haben, von der Lage und Ausrichtung, die sie in ihrer Bereitschaftsposition haben. Dank dieser Entkopplung werden Ungenauigkeiten von Lage und Ausrichtung in der Bereitschaftsposition nicht in die Arbeitsposition übernommen, sondern aufgrund der dort stattfindenden erneuten Ausrichtung korrigiert.

In alternativen Ausgestaltungen können die Mittel zur Positionierung des optischen Elementes in der Aufnahmevorrichtung als

– eine die optische Achse des Strahlengangs umgreifende Ringschneide ausgeführt sein, wobei das optische Element bei Auflage auf diese Ringschneide definiert ausgerichtet ist, oder als
– Dreipunkauflage ausgeführt sein, wobei das optische Element bei Auflage auf drei radialsymmetrisch zur optischen Achse des Strahlengangs angeordnete Auflagepunkte definiert ausgerichtet ist.

Von Vorteil ist es, wenn das jeweilige optische Element in seiner Arbeitsposition mit einer Kraft im Bereich von 0,05 Newton bis 0,15 Newton auf der Ringschneide oder auf der Dreipunktauflage aufliegt bzw. auf die Ringschneide oder die Dreipunktauflage gedrückt wird. Damit ist nicht nur die Ausrichtung des betreffenden optischen Elementes in seiner Arbeitsposition, sondern auch die Beibehaltung der funktionsgerechten Arbeitsposition während der Benutzung des optischen Gerätes gewährleistet.

Bevorzugt ist die Aufnahmevorrichtung einschließlich der Mittel zum Positionieren des optischen Elementes, also einschließlich der Ringschneide oder der Dreipunktauflage, mit dem Gestell des optischen Gerätes fest verbunden. In alternativer Ausführung ist es allerdings denkbar und liegt auch im Rahmen der Erfindung, wenn die Aufnahmevorrichtung einschließlich Ringschneide oder Dreipunktauflage in Richtung der optischen Achse des Strahlengangs verschiebbar ist und der Kontakt zwischen Ringschneide oder Dreipunktauflage und einem ausgewählten optischen Element in dessen Arbeitsposition nach der Verschiebung zustande kommt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Haltevorrichtungen relativ zur Aufnahmevorrichtung beweglich, und die Zuführeinrichtung ist so ausgebildet, daß jedes der optischen Elemente während der Zuführung von einer Bereitschaftsposition in die Arbeitsposition bzw. umgekehrt sowie während des Ausrichtens in der Arbeitspositi on in seiner ihm zugewiesenen Haltevorrichtung verbleibt. Diesbezüglich sind verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Einrichtung denkbar.

So ist in einer ersten Ausführungsvariante die Zuführeinrichtung ausgestattet mit

– einem Band, auf dem mehrere Haltevorrichtungen aufgereiht sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten, und
– einem Antrieb einschließlich Getriebegliedern
– zum Verschieben des Bandes einschließlich der Haltevorrichtungen mit den optischen Elementen relativ zur Aufnahmevorrichtung, bis ein ausgewähltes optisches Element zentrisch zur optischen Achse des Strahlengangs positioniert ist, und
– zum nachfolgenden Absenken der Haltevorrichtung mit dem zentrisch zur optischen Achse des Strahlengangs positionierten optischen Element, bis dieses in seiner Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung ausgerichtet ist.

Dabei kann das Band vorteilhaft als Endlosband ausgebildet sein, wobei Umlenkrollen zur Richtungsumkehr der Bandbewegung vorgesehen sind, von denen mindestens eine Umlenkrolle mit dem Antrieb gekoppelt ist.

Des weiteren können Führungsrollen zum Absenken des Bandes einschließlich einer Haltevorrichtung in Richtung zur Aufnahmevorrichtung vorgesehen sein. Dies wird weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In einer zweiten Ausführungsvariante ist die Zuführeinrichtung ausgestattet mit

– einer drehbaren Scheibe, auf welcher mehrere Haltevorrichtungen angeordnet sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten, und
– einem Antrieb einschließlich Getriebegliedern
– zur Drehung der Scheibe um eine zur optischen Achse des Strahlengangs im wesentlichen parallel ausgerichtete Drehachse, bis ein ausgewähltes optisches Element zentrisch zur optischen Achse des Strahlengangs positioniert ist, sowie
– zum nachfolgenden Absenken der drehbaren Scheibe einschließlich der Haltevorrichtungen mit den optischen Elementen parallel zur optischen Achse des Strahlengangs in Richtung zur Aufnahmevorrichtung, bis das ausgewählte optische Element in seiner Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung ausgerichtet ist.

In einer dritten Ausgestaltungsvariante ist die Zuführeinrichtung ausgestattet mit

– einem Magazin, in dem mehrere Haltevorrichtungen bevorratet sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten, und
– einem mit den Haltevorrichtungen gekoppelten Antrieb einschließlich Getriebegliedern
– zur Entnahme einer Haltevorrichtung mit einem ausgewählten optischen Element aus dem Magazin,
– zu dessen Positionierung zentrisch zur optischen Achse des Strahlengangs, sowie
– zum nachfolgenden Absenken der Haltevorrichtung mit dem ausgewählten optischen Element parallel zur op tischen Achse des Strahlengangs in Richtung zur Aufnahmevorrichtung, bis das optische Element in seiner Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung ausgerichtet ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Magazin als Stapelmagazin ausgeführt ist, in dem die Haltevorrichtungen übereinander angeordnet sind. Die Getriebeglieder können dann zum Ausschwenken der jeweils ausgewählten Haltevorrichtung aus dem Magazin ausgebildet sein, und zum Absenken der Haltevorrichtung kann eine Kurvensteuerung mit einem in einer Nut zwangsgeführten Gleitstift vorhanden sein.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Ausgestaltungsvariante, bei welcher die Zuführeinrichtung ausgebildet ist

– zum Entnehmen des optischen Elementes aus der Aufnahmevorrichtung und zu dessen Ablegen in einer Haltevorrichtung, sowie
– zum nachfolgenden Entnehmen eines weiteren optischen Elementes aus seiner Haltevorrichtung und zu dessen Ablegen und Ausrichten innerhalb der Aufnahmevorrichtung.

Dabei kann die Zuführeinrichtung mit einem Greifer zum Entnehmen bzw. zum Ablegen und damit zum Umsetzen eines ausgewählten optischen Elementes von der ihm zugewiesenen Haltevorrichtung zur Aufnahmevorrichtung und umgekehrt ausgestattet sein.

Vorteilhaft weisen die Haltevorrichtungen elastische, die optischen Elemente an deren Umfang zumindest abschnittweise umgreifende Materialvorsprünge auf, die dazu dienen, Haltevorrichtung und optisches Element unter geringem manuellen Kraftaufwand kraft- und formschlüssig zu verbinden und auch wieder voneinander zu trennen.

Optional kann die erfindungsgemäße Einrichtung mit Sensoren ausgestattet sein zur Erkennung oder Kontrolle der optischen Eigenschaften der optischen Elemente. Damit ist es in einfacher Weise möglich, im Zusammenhang mit einer bestimmten Untersuchung einer Probe mittels einer mit den Sensoren in Verbindung stehenden Ansteuerschaltung ein aufgrund seiner optischen Eigenschaften geeignetes optisches Element auszuwählen und nach Auswahl die Zuführung zur Aufnahmevorrichtung zu veranlassen.

In einer Abwandlung dieser Ausgestaltung ist es selbstverständlich auch denkbar, daß die Zuführung eines ausgewählten optischen Elementes manuell veranlaßt wird und die Sensoren dazu genutzt werden, vor Beginn der Probenuntersuchung zu kontrollieren, ob in der Aufnahmevorrichtung auch tatsächlich das für diesen Zweck geeignete optische Element abgelegt ist.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Wechselrad zum auswechseln optischer Elemente im Strahlengang eines optischen Gerätes,

2 eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung, ausgestattet mit einer drehbaren Scheibe, auf der mehrere Haltevorrichtungen angeordnet sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten,

3 ein erstes Beispiel für die in der Aufnahmevorrichtung vorgesehenen Mittel zur Positionierung eines optischen Elementes in Form einer Dreipunktauflage,

4 ein zweites Beispiel für die in der Aufnahmevorrichtung vorgesehenen Mittel zur Positionierung eines optischen Elementes in Form einer Ringschneide,

5 eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung, ausgestattet mit einem Band, auf dem mehrere Haltevorrichtungen aufgereiht sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten,

6 ein Beispiel für eine Rollenführung zum Absenken des Bandes aus 5, bis das in einer Haltevorrichtung gehaltene optische Element in seiner Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung ausgerichtet ist,

7 eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung, ausgestattet mit einem Stapelmagazin, in dem mehrere Haltevorrichtungen bevorratet sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten,

8 eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung, ausgestattet mit einem Bandmagazin, in dem mehrere Haltevorrichtungen bevorratet sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten,

9 eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung analog zu 8, ausgestattet mit einem Radmagazin,

10 eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung analog zu 8, ausgestattet mit einem Scheibenmagazin,

11 eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der die Zuführeinrichtung mit einem Greifer zum Entnehmen eines ausgewählten optischen Elementes aus der ihm zugewiesenen Haltevor richtung und zum Ablegen in der Aufnahmevorrichtung bzw. umgekehrt ausgestattet ist.

1 zeigt als Beispiel ein aus dem Stand der Technik bekanntes Wechselrad 1, das um eine Achse 2 in Richtung D drehbar ist und auf dessen oberer Seitenfläche mehrere, in diesem Fall neun Farbfilter 3 aufgeklebt sind. Die Farbfilter 3 weisen untereinander unterschiedliche Transparenz für ausgewählte Lichtwellenlängen auf und sind insofern durch voneinander abweichende optische Eigenschaften charakterisiert.
Das Wechselrad 1 ist Teil beispielsweise eines Mikroskops, und dient dazu, je nach Art einer Probenanalyse ein hierzu geeignetes Farbfilter 3 in den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 zu stellen. Dies erfolgt durch Drehung des Wechselrades 1 um einen Drehwinkel, welcher der Position des auszuwählenden Farbfilters 3 auf dem Wechselrad 1 entspricht. So kann jedes der neun Farbfilter wahlweise in den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 gestellt werden.
Der Nachteil einer solchen Anwendung wurde bereits eingangs beschrieben: aufgrund von Fertigungstoleranzen ist die Fläche des Wechselrades 1 wellig, auf der die Farbfilter 3 aufgeklebt sind, was zur Folge hat, daß die optische Achse des Farbfilters 3 zur optischen Achse des Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengangs 4 geneigt ist. Dadurch verschiebt sich der Beobachtungsort auf der Probe im Bereich von Mikrometern jedesmal dann, wenn Farbfilter 3 gegeneinander ausgewechselt werden. Sind anstelle der Farbfilter 3 Teilerspiegel auf dem Wechselrad angeordnet, treten Probleme mit ähnlichen Folgen auf, da die Teilerflächen nicht stets senkrecht zum Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 ausgerichtet sind und deshalb die Reflexionswinkel der jeweils in den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 gestellten Strahlteiler voneinander abweichen.
Abhilfe wird bisher geschaffen, indem die Fokusposition in aufwendiger Weise korrigiert wird. Bei Laserscanmikroskopen ist zu dieser Korrektur ein Pinholesystem erforderlich, bei dem die Pinholeöffnung dem Laserfokus mikrometergenau nachgeführt werden kann. Ein solches System ist verhältnismäßig aufwendig, voluminös und auch kostenintensiv.
Um diese Nachteile zu beheben ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zum Auswechseln optischer Elemente in Strahlengängen optischer Geräte vorgesehen, wie sie in einer ersten Ausgestaltungsvariante in 2 dargestellt ist.
2 zeigt eine Zuführeinrichtung, die eine drehbare Scheibe 5 aufweist, auf der mehrere Haltevorrichtungen angeordnet sind, durch welche optische Elemente gehalten werden, bei denen es sich beispielhaft wiederum um Farbfilter 3 handelt. Die Scheibe 5 ist um eine Achse 6 drehbar und außerdem in Richtung der Achse 6 verschiebbar angeordnet. Drehrichtung D und Verschieberichtung R sind in 2 jeweils durch Doppelpfeile symbolisch angedeutet.
Wie aus 2 weiterhin ersichtlich, ist eine Aufnahmevorrichtung 7 vorhanden, die hier beispielhaft mit einer Dreipunktauflage für ein Farbfilter 3 versehen ist, wobei drei Auflagepunke 8 die funktionsgerechte Arbeitsposition des Farbfilters 3 im Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 definieren.
Bei der in 2 gewählten Darstellung befindet sich das in diesem Falle ausgewählte Farbfilter 3.1 nach entsprechender Drehung der Scheibe 5 in einer Position mit zentrischer Ausrichtung zum Beleuchtung- und Detektionsstrahlengang 4, jedoch in einem Abstand a zu den drei Auflagepunkten 8.
Um das Farbfilter 3.1 in die definierte Arbeitsposition bzw. zur Auflage auf die Auflagepunkte 8 zu bringen, ist ein über Getriebeglieder mit der Scheibe 5 gekoppelter Antrieb (zeichnerisch nicht dargestellt) vorhanden, der zur Verschiebung der Scheibe 5 einschließlich der darauf befindlichen Haltevorrichtungen mit den Farbfiltern 3 in der Verschieberichtung R soweit abgesenkt, bis das Farbfilter 3.1 zur Auflage auf die Auflagepunkte 8 kommt.
Wie dabei die eingangs beschriebenen Fertigungstoleranzen ausgeglichen und die Nachteile des Standes der Technik behoben werden, wird nachfolgend an 3 und 4 erläutert.
In 3a ist im Prinzip die Situation dargestellt, die der Darstellung in 2 entspricht. Zu erkennen ist ein Ausschnitt der drehbaren Scheibe 5 mit einer integrierten Haltevorrichtung 9, die zur Aufnahme der Farbfilter 3, in diesem Falle des Farbfilters 3.1, ausgebildet ist. Die drehbare Scheibe 5 besteht im wesentlichen aus einem wenig elastischen Material, vorzugsweise einem Kunststoff mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von 1000 N/mm². Die Haltevorrichtung 9 ist aus Material mit einer größeren Elastizität gefertigt, beispielsweise einem Kunststoff mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von 10000 N/mm².
Die optische Achse 10 des Farbfilters 3.1 ist zur optischen Achse des Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengangs 4 um einen Winkel α geneigt, der hier, ebenso wie die Welligkeit der Scheibe 5, übertrieben dargestellt ist, um die in der Praxis gegebene unerwünschte Winkelabweichung zu demonstrieren.
Wie bereits dargelegt, wird nun die Scheibe 5 in Verschieberichtung R soweit abgesenkt, bis das Farbfilter 3.1 zur Anlage auf die Auflagepunkte 8 der Aufnahmevorrichtung 7 kommt, wie dies in 3b dargestellt ist. Die Verschiebung der Scheibe 5 erfolgt dabei soweit, bis das Farbfilter 3.1 mit einer Anlagekraft auf den Auflagepunkten 8 aufliegt, die auf die Elastizität des Materials der Scheibe 5 abgestimmt ist und im Bereich von 0,05 Newton bis 0,15 Newton liegen sollte. Aufgrund dieser Kraftwirkung wird die störende Welligkeit der Scheibe 5 ausgeglichen, der Winkel α geht gegen 0°.
Die Aufnahmevorrichtung 7 ist einschließlich der Auflagepunkte 8 gestellfest in dem betreffenden optischen Gerät angeordnet und definiert aufgrund der damit unverrückbaren Position im Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 die funktionsgerechte Arbeitsposition des Farbfilters 3.1.
Die Elastizität des Materials, aus dem die Haltevorrichtung 9 gefertigt ist, erlaubt das Entnehmen bzw. Einlegen von Farbfiltern 3 in die Haltevorrichtung 9 bei geringem manuellem Kraftaufwand. Die Farbfilter 3 werden so kraft- und formschlüssig in der Haltevorrichtung 9 gehalten.
4 zeigt eine zu der Aufnahmevorrichtung 7 nach 3 alternative Ausführung, bei der anstelle der drei Auflagepunke 8 eine Ringschneide 11 vorgesehen ist. Hier ist die Arbeitsposition des Farbfilters 3.1 dann gegeben, wenn das Farbfilter 3.1 auf der Ringschneide aufliegt, wie aus den Darstellungen nach 4a und 4b ersichtlich ist.
Eine zweite Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in 5 dargestellt. Hier ist die Zuführeinrichtung ausgestattet mit einem Band 12, auf dem mehrere Haltevorrichtungen aufgereiht sind, die jeweils eines der optischen Elemente, hier beispielsweise wiederum Farbfilter 3, halten. Das Band 12 ist als Endlosband ausgeführt und läuft über zwei Umlenkrollen 13 und 14, von denen mindestens eine Umlenkrolle 13 mit einem (nicht dargestellten) Rotationsantrieb gekoppelt ist.
Wird der Rotationsantrieb eingeschaltet, bewegen sich die Haltevorrichtungen (hier zeichnerisch nicht dargestellt) mit den Farbfiltern 3 in Vorschubrichtung V und laufen dabei nacheinander durch den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4. Erreicht das für eine bestimmte Probenanalyse ausgewählte Farbfilter 3.1 den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4, wie in 5 dargestellt, wird der Rotationsantrieb gestoppt. Nun befindet sich das Farbfilter 3.1 analog zur Darstellung in 2 in einem Abstand a über der Aufnahmevorrichtung 7, die in diesem Fall mit einer Ringschneide 11 versehen sein soll, wobei hier symbolisch lediglich die Ringschneide 11 dargestellt ist.
Auf welche Weise der Abstand a überbrückt und der Farbfilter 3.1 zur Auflage auf die Ringschneide 11 gebracht wird, ist aus 6 ersichtlich.
6 zeigt eine Einrichtung 15 zur Führung des Bandes 12, die zwischen den Umlenkrollen 13 und 14 an der Position des Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengangs 4 angeordnet ist (vgl. 5).
Wie aus 6 ersichtlich, läuft in der Einrichtung 15 das Band 12 beidseitig zur Haltevorrichtung 9 durch paarweise angeordnete Führungsrollen 16.1, 16.2 und 17.1, 17.2. Die Einrichtung 15 ist in Richtung R verschiebbar angeordnet und zum Zwecke der Verschiebung in Richtung R mit einem (zeichnerisch nicht dargestellten) Antrieb einschließlich dazugehörigen Getriebegliedern gekoppelt.
Hat das ausgewählte Farbfilter 3.1 die in 5 dargestellte Position in Bezug auf den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengangs 4 erreicht, wird der Antrieb zur Verschiebung der Einrichtung 15 in Betrieb genommen und damit das Band 12 einschließlich der Haltevorrichtung 9 mit dem Farbfilter 3.1 soweit abgesenkt, bis das Farbfilter 3.1, wiederum mit einer Kraft im Bereich von 0,05 Newton bis 0,15 Newton, auf der Ringschneide 11 aufliegt und seine Arbeitsposition im Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 eingenommen hat.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Zuführeinrichtung, die in diesem Falle ausgestattet ist mit einem Stapelmagazin 18, in dem mehrere Haltevorrichtungen 9 mit optischen Elementen, z.B. wiederum mit Farbfiltern 3, bevorratet sind. Der Stapel aus Haltevorrichtung 9 ist mit einem (zeichnerisch nicht dargestellten) Antrieb sowie zugehörigen Getriebegliedern gekoppelt, die so ausgebildet sind, daß wahlweise eine Haltevorrichtungen 9 aus dem Stapel heraus in den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 geschwenkt werden kann.
Zum Zweck des Herausschwenkens sind die Haltevorrichtungen 9 um eine Geradführung 19, auf der sie aufgereiht sind, in Richtung B drehbar gelagert. Nach dem Herausschwenken befindet sich die Haltevorrichtung 9 mit dem ausgewählten Farbfilter 3.1, analog zu den Darstellungen in 2 und 5, wiederum in einem Abstand a über der Aufnahmevorrichtung 7, die hier beispielhaft wieder mit einer Dreipunktauflage ausgestattet ist.
Der Stapel aus Haltevorrichtungen 9 ist parallel zum Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 verschiebbar, so daß mit dem bereits erwähnten und hier zeichnerisch nicht dargestelltem Antrieb bzw. den zugehörigen Getriebegliedern die Absenkung des Stapels und damit auch des Farbfilters 3.1 bis zu dessen Ausrichtung in der Arbeitsposition erfolgt. Da auch hier wieder die Auflage unter einer Krafteinwirkung erfolgt, werden aufgrund dieser Krafteinwirkung Lageabweichungen des Farbfilters 3.1 ausgeglichen.
In 7b ist symbolisch eine Draufsicht auf den Stapel und die herausgeschwenkte Haltevorrichtung 9 mit dem ausgewählten Farbfilter 3.1 dargestellt. Hier ist nochmals die Richtung B eingezeichnet, um welche die Haltevorrichtungen 9 einzeln schwenkbar sind.
In 8 ist die Variante einer Zuführeinrichtung dargestellt, die mit einem Bandmagazin versehen ist. In diesem Bandmagazin sind wiederum mehrere Haltevorrichtungen 9 mit optischen Elementen, bevorzugt Farbfiltern 3, bevorratet.
Dabei sind die Haltevorrichtungen 9 auf einem endlos umlaufenden Band 12 angeordnet, dessen Vorschubrichtung V mittels zweier Umlenkrollen (die zeichnerisch nicht dargestellt sind) an zwei Umkehrpositionen umgelenkt wird. Die Haltevorrichtungen 9 mit den Farbfiltern 3 laufen mit dem Band 12 um und sind auf dem Band 12 so angeordnet, daß ihre optischen Achsen stets parallel zur Vorschubrichtung V ausgerichtet sind. Die Vorschubrichtung V wiederum verläuft parallel zum Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4.
Erreicht die Haltevorrichtungen 9, die mit einem für eine bestimmte mikroskopische Untersuchung ausgewählten Farbfilter 3.1 bestückt ist, beim Umlauf des Bandes 12 die Position zwischen zwei als Wangen 22.1 und 22.2 ausgebildeten Seitenteilen eines Schiebers 23, wird der Umlauf gestoppt. Der mit einem (zeichnerisch nicht dargestellten) Antrieb gekoppelte Schieber 23 wird aus dieser Position, die einer ersten Endlage entspricht, in Verschieberichtung R in Bewegung gesetzt, wobei die Wange 22.1 an der betreffenden Haltevorrichtung 9 zur Anlage kommt und so die Haltevorrichtung 9 in Verschieberichtung R mit der Bewegung des Schiebers 23 mitgenommen wird, bis der Schieber 23 sich in einer zweiten Endlage befindet. Mit der Verschiebung der Haltevorrichtung 9 erfolgt auch die Verschiebung des Farbfilters 3.1, wobei die optische Achse des Farbfilters 3.1 parallel versetzt wird. In der zweiten Endlage des Schiebers 23 ist die optische Achse des Farbfilters 3.1 im wesentlichen zentrisch zum Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 ausgerichtet.
Zentrisch zum Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 befindet sich eine mit einer radialen Dreipunktanlage ausgestattete Aufnahmevorrichtung, von der hier lediglich die drei radialsymmetrisch zur optischen Achse des Strahlengangs 4 angeordneten Anlagepunkte 26 dargestellt sind.
Mit dem Erreichen der Endlage des Schiebers 23 wird das Farbfilter 3.1, das elastisch in der ihm zugeordneten Haltevorrichtung 9 aufgenommen ist, mit einer Anlagekraft, die wie in den vorhergenannten Ausführungsbeispielen im Bereich von 0,05 N bis 0,15 N liegt, zwischen den drei Anlagepunkten 26 aufgenommen und nimmt dabei seine funktionsgerechte Arbeitsposition ein.
Die Rückführung des Farbfilters 3.1 in seine Position auf dem Band 12 erfolgt in umgekehrter Weise. Damit lassen sich je nach Wahl die verschiedenen auf dem Band 12 angeordneten Haltevorrichtungen 9 einschließlich der ihnen zugeordneten Farbfilter 3 exakt im Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 positionieren.
9 zeigt die Variante einer Zuführeinrichtung analog zu 8, jedoch ausgestattet mit einem Radmagazin anstelle des Bandmagazins. Auf dem in Drehrichtung D umlaufenden Rad 24 sind mehrere mit optischen Elementen, bevorzugt Farbfiltern 3, bestückte Haltevorrichtungen 9 angeordnet. Erreicht eine mit einem ausgewählten Farbfilter 3.1 bestückte Haltevorrichtung 9 beim Umlauf des Rades 24 (analog zu 8) die Position zwischen den beiden Wangen 22.1 und 22.2 eines Schiebers 23, wird der Umlauf gestoppt. Die Entnahme des ausgewählten Farbfilters 3.1 aus dem Radmagazin, dessen Positionierung zentrisch zum Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 sowie seine Ausrichtung mittels dreier Anlagepunkte 26 in der funktionsgerechten Arbeitsposition erfolgt wie in dem anhand 8 beschriebenen Ausführungsbeispiel, ebenso die Rückführung der beispiel, ebenso die Rückführung der Haltevorrichtung 9 mit dem Farbfilter 3.1 in seine Position auf dem Rad 24.
In 10 ist eine weitere Variante der Zuführeinrichtung dargestellt, in diesem Fall mit einem Scheibenmagazin. Auch hier wird mit der Drehung der Scheibe 25 die Haltevorrichtung 9 mit dem ausgewählten Farbfilter 3.1 zwischen die beiden Wangen 22.1 und 22.2 des Schiebers 23 gebracht und dann der Schieber 23 in Bewegung versetzt, wodurch die optische Achse des Farbfilters 3.1 parallel versetzt wird, bis sie zentrisch zum Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang 4 ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des Farbfilters 3.1 in seine exakte Arbeitsposition und die spätere Rückführung in das Scheibenmagazin erfolgt analog zu den Ausführungsbeispielen nach 8 und 9.
11 zeigt eine zu den vorgenannten Beispielen alternative Ausgestaltungsvariante, bei der die Zuführeinrichtung ausgebildet ist zum Entnehmen eines ausgewählten optischen Elementes, beispielsweise eines Farbfilters 3.1, aus der zugewiesenen Haltevorrichtung 9 (die hier ebenfalls nicht dargestellt ist) und zu dessen Ablegen in der Aufnahmevorrichtung 7. Das Entnehmen und Ablegen des Farbfilters 3.1 erfolgt mittels eines um eine Schwenkachse 20 schwenkbaren, dabei einen Kreisbogen C beschreibenden (nicht dargestellten) Greifers, der das Farbfilter 3.1 während der Schwenkung hält.
Um jeweils einen der ausgewählten Farbfilter 3 in eine Position stellen zu können, in der er von dem Greifer aufgenommen und aus der ihm zugewiesenen Haltevorrichtung 9 entnommen werden kann, ist es denkbar, die Haltevorrichtungen 9 wiederum in eine drehbare Scheibe 5 zu integrieren, deren Drehachse, wie hier beispielhaft dargestellt, in der optischen Achse des Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengangs 4 liegen kann.
In allen beschriebenen Ausgestaltungsvarianten können Sensoren 21 zur Ermittlung oder Kontrolle der charakteristischen optischen Eigenschaften der Farbfilter oder Teilerspiegel vorgesehen sein, wobei die Sensoren 21 mit einer Ansteuerschaltung zur Auswahl oder Kontrolle dieser Eigenschaften im Zusammenhang mit bestimmten Anwendungen des optischen Gerätes gekoppelt sind.

1: Wechselrad
2: Achse
3, 3.1: Farbfilter
4: Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang
5: drehbare Scheibe
6: Drehachse
7: Aufnahmevorrichtung
8: Auflagepunkte
9: Haltevorrichtung
10: optische Achse
11: Ringschneide
12: Band
13, 14: Umlenkrollen
15: Einrichtung zur Gurtführung
16.1, 16.2: Führungsrollen
17.1, 17.2: Führungsrollen
18: Stapelmagazin
19: Geradführung
20: Schwenkachse
21: Sensoren
22.1, 22.2: Wangen
23: Schieber
24: Rad
25: Scheibe
26: Anlagepunkte
α: Winkel
a: Abstand
B: Drehrichtung
C: Kreisbogen
D: Drehrichtung
R: Verschieberichtung
V: Vorschubrichtung

Claims

Einrichtung zum Auswechseln optischer Elemente in Strahlengängen optischer Geräte, insbesondere zum Auswechseln von Farbfiltern (3) oder Teilerspiegeln mit jeweils unterschiedlichen optischen Eigenschaften in Mikroskopstrahlengängen, umfassend: – eine Aufnahmevorrichtung (7) für ein ausgewähltes, in den Strahlengang gestelltes optisches Element, ausgestattet mit Mitteln zu dessen Positionierung in einer definierten, seine korrekte Funktion gewährleistenden Arbeitsposition, – mindestens eine Haltevorrichtung (9) zum Halten eines weiteren optischen Elementes in einer Bereitschaftsposition außerhalb des Strahlengangs, und – eine Zuführeinrichtung, die – zum Zuführen der optischen Elemente von der Bereitschaftsposition in die Arbeitsposition und umgekehrt sowie – zum Ausrichten und Halten des ausgewählten optischen Elementes in der Arbeitsposition ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Positionierung des optischen Elementes in der Aufnahmevorrichtung ausgeführt sind als – eine die optische Achse des Strahlengangs umgreifende Ringschneide (11), wobei das optische Element bei Auflage auf der Ringschneide (11) ausgerichtet ist, oder als – Dreipunkauflage, wobei das optische Element bei Auflage auf drei radialsymmetrisch zur optischen Achse des Strahlengangs angeordnete Auflagepunkte (8) ausgerichtet ist, oder als – Dreipunkanlage, wobei das optische Element bei Anlage an drei radialsymmetrisch zur optischen Achse des Strahlengangs angeordnete Anlagepunkten (26) ausgerichtet ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die optischen Elemente mit einer Auflagekraft im Bereich von 0,05 Newton bis 0,15 Newton auf der Ringschneide (11) oder der Dreipunktauflage (8) aufliegen.
Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die optischen Elemente mit einer Anlagekraft im Bereich von 0,05 Newton bis 0,15 Newton zwischen den radialsymmetrisch zur optischen Achse des Strahlengangs angeordneten Anlagepunkten (26) anliegen.
Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (7) gestellfest angeordnet und dadurch die Arbeitsposition des optischen Elementes definiert ist.
Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die Aufnahmevorrichtung (7) und die Haltevorrichtungen (9) relativ zueinander beweglich sind und die Zuführeinrichtung so ausgebildet ist, daß jedes der optischen Elemente während der Zuführung von der Bereitschaftsposition in die Arbeitsposition bzw. umgekehrt sowie während des Ausrichtens in der Arbeitsposition in seiner ihm zugewiesenen Haltevorrichtung (9) verbleibt.
Einrichtung nach Anspruch 6, bei der die Zuführeinrichtung ausgestattet ist mit – einem Band (12), auf dem mehrere Haltevorrichtungen (9) aufgereiht sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten, – einem Antrieb einschließlich Getriebegliedern – zum Verschieben des Bandes (12) einschließlich der Haltevorrichtungen (9) mit den optischen Elementen relativ zur Aufnahmevorrichtung (7) hin, bis ein anhand seiner optischen Eigenschaften ausgewähltes optisches Element zentrisch zur optischen Achse des Strahlengangs positioniert ist, sowie – zum nachfolgenden Absenken der Haltevorrichtung (9) mit dem zentrisch zur optischen Achse des Strahlengangs positionierten optischen Element, bis dieses in seiner Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung (7) ausgerichtet ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, wobei das Band (12) als Endlosband ausgebildet und mittels Umlenkrollen (13, 14) geführt ist, von denen mindestens eine Umlenkrolle (13) mit dem Antrieb gekoppelt ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, bei der die Zuführeinrichtung ausgestattet ist mit – einer drehbaren Scheibe (5), auf welcher mehrere Haltevorrichtungen (9) angeordnet sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten, und – einem Antrieb einschließlich Getriebegliedern – zur Drehung der Scheibe (5) um eine zur optischen Achse des Strahlengangs im wesentlichen parallel ausgerichtete Drehachse (6), bis ein ausgewähltes optisches Element zentrisch zur optischen Achse des Strahlengangs positioniert ist, sowie – zum Absenken der drehbaren Scheibe (5) einschließlich der Haltevorrichtungen (9) mit den optischen Elementen parallel zur optischen Achse des Strahlengangs in Richtung zur Aufnahmevorrichtung (7), bis das optische Element in seiner Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung (7) ausgerichtet ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, bei der die Zuführeinrichtung ausgestattet ist mit – einem Magazin, in dem mehrere Haltevorrichtungen (9) bevorratet sind, die jeweils eines der optischen Elemente halten, und – einem mit den Haltevorrichtungen (9) gekoppelten Antrieb einschließlich Getriebegliedern – zur Entnahme einer Haltevorrichtung (9) mit einem ausgewählten optischen Element aus dem Magazin, – zu dessen Positionierung zentrisch zur optischen Achse des Strahlengangs, sowie – zum nachfolgenden Absenken der Haltevorrichtung (9) mit dem ausgewählten optischen Element parallel zur optischen Achse des Strahlengangs in Richtung zur Aufnahmevorrichtung (7), bis das optische Element in seiner Arbeitsposition innerhalb der Aufnahmevorrichtung (7) ausgerichtet ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, bei der die Haltevorrichtungen (9) in dem Magazin gestapelt sind, die Getriebeglieder zum Ausschwenken der Haltevorrichtungen (9) mit dem ausgewählten optischen Element aus dem Magazin aus gebildet sind, und zum Absenken der Haltevorrichtung (9) eine Kurvensteuerung mit einem in einer Nut zwangsgeführten Gleitstift vorhanden ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Zuführeinrichtung ausgebildet ist – zum Entnehmen des optischen Elementes aus der Aufnahmevorrichtung (7) und zu dessen Ablegen in einer Haltevorrichtung (9), sowie – zum nachfolgenden Entnehmen eines weiteren optischen Elementes aus seiner Haltevorrichtung (9) und zu dessen Ablegen und Ausrichten innerhalb der Aufnahmevorrichtung (7).
Einrichtung nach Anspruch 12, bei der die Zuführeinrichtung mit einem Greifer zum Entnehmen bzw. zum Ablegen und damit zum Umsetzen eines ausgewählten optischen Elementes von der ihm zugewiesenen Haltevorrichtung (9) zur Aufnahmevorrichtung (7) bzw. umgekehrt ausgestattet ist.
Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtungen (9) elastische, die optischen Elemente an deren Umfang zumindest teilweise umgreifende Materialerhebungen aufweisen, durch welche die Haltevorrichtungen (9) und die optischen Elemente bei geringem manuellem Kraftaufwand kraft- und formschlüssig verbindbar sind.
Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Elemente Farbfilter (3) oder Teilerspiegel vorgesehen sind und die Einrichtung mit Sensoren (21) zur Ermittlung oder Kon trolle charakteristischer optischer Eigenschaften der Farbfilter (3) oder Teilerspiegel ausgestattet ist, wobei die Sensoren (21) mit einer Ansteuerschaltung zur Vorgabe dieser Eigenschaften im Zusammenhang mit bestimmten Anwendungen des optischen Gerätes gekoppelt sind.