DE102006022936A1

DE102006022936A1 - Vorrichtung zum Wechseln optischer Elemente in Strahlengängen optischer Geräte

Info

Publication number: DE102006022936A1
Application number: DE200610022936
Authority: DE
Inventors: Ulrich Preisser; Dirk Dobermann
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-11-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Wechseln optischer Elemente in Strahlengängen optischer Geräte, insbesondere zum Wechseln verschiedener Farbfilter oder Strahlteiler jeweils untereinander im Beobachtungs- und/oder Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops. Erfindungsgemäß umfaßt eine solche Vorrichtung: - ein Magazin, auf dem mehrere optische Elemente zur Auswahl vorrätig sind, - einen Antrieb (6), der eine Antriebsbewegung erzeugt, und Getriebeglieder zur Umwandlung dieser einen Antriebsbewegung in a) erste Bewegungskomponenten zum Entfernen eines im Strahlengang (4) befindlichen optischen Elementes aus dem Strahlengang (4) oder zum Befördern eines aus dem Vorrat ausgewählten anderen optischen Elementes in den Strahlengang (4) und in b) zu den ersten Bewegungskomponenten zeitversetzte zweite Bewegungskomponenten zum Ausrichten des jeweils in den Strahlengang (4) beförderten optischen Elementes in eine definierte, seine korrekte Funktion im Strahlengang (4) gewährleistende Arbeitsposition oder zum Zurückführen eines optischen Elementes aus seiner Arbeitsposition sowie - Justierhilfsmittel (3) zum Ausrichten des in den Strahlengang beförderten optischen Elementes in seine Arbeitsposition.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Wechseln optischer Elemente in Strahlengängen optischer Geräte, insbesondere zum Wechseln verschiedener Farbfilter oder verschiedener Strahlteiler jeweils untereinander im Beobachtungs- und/oder Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops.
Moderne optische Geräte zur Probenanalyse, wie beispielsweise Laserscanmikroskope, sind in nahezu jedem ihrer optischen Strahlengänge mit optischen Elementen in Form von Farbfiltern oder Strahlteilern (auch als Farbteiler bezeichnet) ausgestattet. Dabei sollen die optischen Elemente untereinander auswechselbar sein, um in Abhängigkeit von der jeweils aktuell vorzunehmenden Probenanalyse eine Vorgabe der spektralen Eigenschaften des Beleuchtungslichtes und eine spektrale Auswertung des Detektionslichtes zu ermöglichen.
Es ist bekannt, zum Auswechseln über Antriebe gesteuerte, mit den optischen Elementen bestückte Wechselräder zu nutzen. Dabei sind die optischen Elemente meist auf dem Umfang eines zentrisch zur Drehachse ausgerichteten Teilkreises des Wechselrades aufgeklebt.
Nachteiligerweise lassen sich aufgrund von Fertigungstoleranzen Welligkeiten dieser Seitenflächen nicht vermeiden. Daraus ergeben sich Fehlpositionierungen der in den Strahlengang eingewechselten Strahlteiler, die zur Folge haben, daß der Winkel, mit dem der Strahlengang von diesem Strahl teiler 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 Versatz der optischen Achse des Strahlengangs, wodurch sich der Beobachtungsort an einer Probe in unerwünschter Weise verschiebt.
Bei Laserscanmikroskopen beispielsweise werden diese Abweichungen bisher ausgeglichen, indem die Pinholeöffnung dem Laserfokus nachgeführt wird. Allerdings erfordert dies mikrometergenau gesteuerte Nachführeinrichtungen, die technisch sehr aufwendig und daher kostenintensiv sind.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Wechseln optischer Elemente der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß Fehlpositionierungen beim Einwechseln optischer Elemente in den Strahlengang weitestgehend selbsttätig korrigiert werden.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Vorrichtung zum Wechseln optischer Elemente in Strahlengängen von optischen Geräten:

– ein Magazin, auf dem mehrere optische Elemente zur Auswahl vorrätig sind,
– einen Antrieb, der eine Antriebsbewegung erzeugt, und Getriebeglieder zur Umwandlung dieser einen Antriebsbewegung in
a) erste Bewegungskomponenten zum Entfernen eines im Strahlengang befindlichen optischen Elementes aus dem Strahlengang oder zum Befördern eines aus dem Vorrat ausgewählten anderen optischen Elementes in den Strahlengang, und in
c) zu den ersten Bewegungskomponenten zeitversetzte zweite Bewegungskomponenten zum Ausrichten des jeweils in den Strahlengang beförderten optischen Elementes in eine definierte, seine korrekte Funktion im Strahlengang gewährleistende Arbeitsposition oder zum Zurückführen eines optischen Elementes aus seiner Arbeitsposition, sowie
– Justierhilfsmittel zum Ausrichten des in den Strahlengang beförderten optischen Elementes in seine Arbeitsposition.

Mit dieser Vorrichtung wird vorteilhaft erreicht, daß mit nur einem Antrieb, der bevorzugt ein motorischer Antrieb sein sollte, und der nur eine Bewegung, beispielsweise eine Drehbewegung erzeugt, die optischen Elemente nicht nur im Strahlengang ausgewechselt, sondern zugleich auch in eine ihre korrekte Funktion gewährleistende Arbeitsposition gebracht werden. Fehlpositionen werden korrigiert, indem das in den Strahlengang eingewechselte optische Element infolge der zweiten Bewegungskomponente mittels der Justierhilfsmittel in seine exakte Arbeitsposition gestellt wird.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung

– ist das Magazin als ein in einer Geradführung gelagerter Schieber ausgeführt, auf dem die optischen Elemente in Reihe nebeneinander angeordnet sind,
– der Antrieb erzeugt eine rotatorische Antriebsbewegung, und
– die Getriebeglieder sind ausgebildet zur Umwandlung der rotatorische Antriebsbewegung in
a) auf den Schieber gerichtete erste Bewegungskomponenten zum Verschieben des Schiebers um eine vorgegebene Distanz, wodurch das im Strahlengang befindliche optische Elemente aus dem Strahlengang entfernt oder das einzuwechselnde optische Element in den Strahlengang befördert wird, und in
b) dazu zeitversetzte, auf den Schieber gerichtete zweite Bewegungskomponenten zum Drehen des Schiebers um eine parallel zur Verschieberichtung ausgerichtete Achse, wodurch das in Arbeitsposition befindliche optische Element von den Justierhilfsmittel abgehoben oder das in den Strahlengang beförderte andere optische Element zur Anlage an die Justierhilfsmittel gebracht wird und damit funktionsgerecht im Strahlengang positioniert ist.

In einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung

– ist das Magazin in Form einer Trommel ausgeführt, die sowohl um eine Achse drehbar als auch senkrecht zu dieser Achse verschiebbar gelagert ist,
– die optischen Elemente sind auf einem Teilkreis der Trommel angeordnet,
– der Antrieb erzeugt eine rotatorische Antriebsbewegung, und die Getriebeglieder sind ausgebildet zur Umwandlung der rotatorischen Antriebsbewegung in
a) auf die Trommel gerichtete erste Bewegungskomponenten zur Drehung der Trommel um einen vorgegebenen Drehwinkel, wodurch das im Strahlengang befindliche optische Elemente aus dem Strahlengang entfernt oder das einzu wechselnde optische Element in den Strahlengang befördert wird, und in
b) dazu zeitversetzte, auf die Trommel gerichtete zweite Bewegungskomponenten zum Schwenken der Trommel senkrecht zur Achse um eine vorgegebene Distanz, wodurch das in Arbeitsposition befindliche optische Element von den Justierhilfsmittel abgehoben oder das in den Strahlengang beförderte andere optische Element zur Anlage an die Justierhilfsmittel gebracht wird und damit funktionsgerecht im Strahlengang positioniert ist.

Vorteilhaft ist die Trommel bei ihrer Verschiebung auf einer Kurve zwangsgeführt. An der Trommel können Nocken vorgesehen sein, die an einer gestellfesten Gleitbahn gleiten und während der Verschiebung an dieser Gleitbahn anliegen, wobei die Gleitbahn gekrümmt ist und mit dieser Krümmung die Verschieberichtung vorgegeben ist.
In einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung

– ist das Magazin in Form eines Wechselrades ausgeführt, das sowohl um einen Punkt drehbar und kippbar gelagert ist,
– die optischen Elemente sind auf einem Teilkreis des Wechselrades angeordnet,
– der Antrieb erzeugt eine rotatorische Antriebsbewegung, und die Getriebeglieder sind ausgebildet zur Umwandlung der rotatorische Antriebsbewegung in
a) auf das Wechselrad gerichtete erste Bewegungskomponenten zur Drehung des Wechselrades um einen vorgegebenen Drehwinkel, wodurch das im Strahlengang befindliche optische Elemente aus dem Strahlengang entfernt oder das einzuwechselnde optische Element in den Strahlengang befördert wird, und in
b) dazu zeitversetzte, auf das Wechselrad gerichtete zweite Bewegungskomponenten zum Kippen des Wechselrades um einen vorgegebenen Kippwinkel, wodurch das in Arbeitsposition befindliche optische Element von den Justierhilfsmittel abgehoben oder das in den Strahlengang beförderte andere optische Element zur Anlage an die Justierhilfsmittel gebracht wird und damit funktionsgerecht im Strahlengang positioniert ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Justierhilfsmittel als stegförmige Anlageelemente, als Ringschneide oder als Drei-Punkt-Anlage ausgebildet sind und jedes der optischen Elemente mit Bewegungsfreiheit im Magazin gehalten ist.
Dabei sollte die Bewegungsfreiheit der optischen Elemente relativ zum jeweiligen Magazin 0,5 mm bis 2 mm betragen und die optischen Elemente sollten jeweils unter Einwirkung einer Anlagekraft im Bereich von 0,05 Newton bis 0,15 Newton an den Justierhilfsmitteln anliegen.
Weiterhin ist vorgesehen, daß die einzelnen optischen Elemente im Magazin manuell einlegbar und austauschbar sind, um das optische Gerät nach den Anforderungen konfigurieren zu können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausgestaltungsvarianten näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine erste Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Magazin als ein in einer Geradführung gelagerter Schieber ausgeführt ist und eines der auf dem Schieber bevorrateten optischen Elemente sich in der Arbeitsposition im Strahlengang befindet,
2 die Darstellung nach 1 in perspektivischer Ansicht,
3 die Ausgestaltungsvariante nach 1, bei der sich ein einzuwechselndes optisches Elemente bereits im Strahlengang, jedoch noch nicht in der Arbeitsposition befindet,
4 die Darstellung nach 3 in perspektivischer Ansicht,
5 eine zweite Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Magazin in Form einer Trommel ausgeführt ist und eines der auf der Trommel bevorrateten optischen Elemente sich in der Arbeitsposition im Strahlengang befindet,
6 die Trommel nach 5 in einer Seitenansicht mit Schnitt durch die optische Achse,
7 die Ausgestaltungsvariante nach 5, bei der sich ein einzuwechselndes optisches Elemente noch nicht in der Arbeitsposition befindet,
8 eine dritte Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Magazin in Form eines Wechselrades ausgeführt ist und eines der auf dem Wechselrad bevorrateten optischen Elemente sich in der Arbeitsposition im Strahlengang befindet,
9 die Ausgestaltungsvariante nach 8, bei der sich ein einzuwechselndes optisches Elemente bereits im Strahlengang, jedoch noch nicht in der Arbeitsposition befindet.
In 1 ist eine erste Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der das Magazin als Schieber 1 ausgeführt ist. Im Schieber 1 sind mehrere optische Elemente, hier beispielsweise Farbfilter 2, in der Tiefe der Zeichenebene hintereinander liegend, bevorratet. Der Schieber 1 ist im Querschnitt dargestellt, wodurch der Querschnitt von lediglich nur einem Farbfilter 2 sichtbar ist. Das im Querschnitt sichtbare Farbfilter 2 befindet sich in Anlage an einer gestellfest angeordneten Justierhilfe 3, hier beispielhaft ausgeführt als Drei-Punkt-Anlage, die dafür sorgen, daß das Farbfilter 2 im optischen Strahlengang 4, beispielsweise dem Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops, in seiner funktionsfähigen Arbeitsposition ausgerichtet ist.
Der Schieber 1 ist sowohl um eine Achse 5 schwenkbar gelagert als auch entlang der Achse 5 in senkrecht zur Zeichenebene verlaufender Richtung verschiebbar.
Des weiteren sind ein Antrieb 6 vorhanden, der eine rotatorische Antriebsbewegung erzeugt, sowie Antriebsglieder zur Umwandlung der rotatorischen Antriebsbewegung erstens in eine auf den Schieber 1 gerichtete Verschiebebewegung entlang der Achse 5 und zweitens in eine auf den Schieber gerichtete Dreh- bzw. Schwenkbewegung des Schiebers um die Achse 5, wobei die Dreh- bzw. Schwenkbewegung des Schiebers 1 zeitlich vor und nach dessen Verschiebung erfolgt.
Die Getriebeglieder umfassen im wesentlichen ein mit dem Antrieb 6 verbundenes Antriebsrad 7, ein Steuerrad 8, ein Spindelrad 9 und eine Gewindespindel 10. Die Gewindespindel 10 ist um die Achse 5 drehbar gelagert und korrespondiert mit einer am Schieber 1 angeordnete Spindelmutter 11. Wei terhin sind als Getriebeglieder ein Gleitkeil 12 und ein Gleitbolzen 13 vorhanden, die jeweils einen translatorischen Freiheitsgrad in der Zeichenebene besitzen. Mit dem Steuerrad 8 ist eine Wippe 14 verbunden, die mit zwei Laufrädern 15.1 und 15.2 bestückt ist. Die Wippe 14 ist um die dieselbe Achse 16 schwenkbar, um die auch das Steuerrad 8 drehbar gelagert ist.
Im Folgenden wird der Bewegungsablauf erläutert, wobei die zum besseren Verständnis dargestellten Indexmarken a, b, c als gestellfest gelten, während die den Indexmarken a, b, c zugeordneten Skalenpfeile A, B, C mit zugeordneten Getriebegliedern gekoppelt sind und sich auch mit diesen Getriebegliedern relativ zum Mikroskopgestell bewegen. So sind der Skalenpfeil A mit der Wippe 14, der Skalenpfeil B mit dem Gleitkeil 12 und der Skalenpfeil C mit dem Gleitbolzen 13 verbunden. Die Achsen 5 und 16 gelten ebenso wie die Indexmarken a, b, c als gestellfest, das heißt sie befinden sich stets in relativer Ruhe zu beispielsweise dem Mikroskopgestell.
In dem in 1 gezeigten Zustand, bei dem eines der auf dem Schieber 1 bevorrateten Farbfilter 2 in seiner Arbeitsposition im Strahlengang 4 positioniert ist, befinden sich die Wippe 14, der Gleitkeil 12 und der Gleitbolzen 13 in den dargestellten Ausrichtungen. Dem entsprechend befinden sich die Indexmarken a, b, c in ihrer Ausrichtung relativ zu den Skalenpfeilen A, B, C in ihren Null-Lagen (angezeigt ist daher jeweils ±0).
Wird nun das Antriebsrad 7 entgegen dem Uhrzeigersinn in Rotation versetzt, treibt dieses das beispielsweise über Form- oder Reibschluß verbundene Steuerrad 8 (mit Drehrich tung im Uhrzeigersinn) an. Die mit dem Steuerrad 8 ebenfalls form- oder reibschlüssig in Kontakt stehende Wippe 14 wird dadurch in negativer Richtung verkippt, das heißt die Indexmarke a verändert ihre Relativposition zum Skalenpfeil A in Richtung „–„. Diese Kippbewegung wird über ein Koppelglied 17 in eine Bewegung des Gleitkeiles 12 in ebenfalls negativer Richtung umgewandelt, das heißt die Indexmarke b verändert ihre Relativposition zum Skalenpfeil B ebenfalls in Richtung „–„.
Mit zunehmender Kippung der Wippe 14 und damit zunehmender Verschiebung des Gleitkeiles 12 wird der Gleitbolzen 13, der in einer im Gleitkeil 12 ausgebildeten V-Nut aufliegt, angehoben und lenkt dabei mittels der Gabel 18, welche den Gleitbolzen 13 umgreift, den Schieber 1 so aus, daß dieser im Uhrzeigersinn um die Achse 5 geschwenkt wird und dabei das Farbfilter 2 von der Justierhilfe 3 abhebt. Die Indexmarke c verändert ihre Relativposition zum Skalenpfeil C ebenfalls in Richtung „–„.
Der in 1 dargestellte Zustand, in welchem sich eines der auf dem Schieber 1 bevorrateten Farbfilter 2 in seiner Arbeitsposition im Strahlengang 4 befindet, ist nochmals in 2 dargestellt, hier jedoch in perspektivischer Ansicht, so daß die auf dem Schieber 1 mehrfach nebeneinander angeordneten Farbfilter 2 wie auch die Getriebeglieder und ihr Ineinandergreifen deutlicher zu erkennen sind.
3 zeigt ebenfalls die erste Ausgestaltungsvariante nach 1, jedoch in einem Zustand, der nach Ende des vorstehend beschriebenen Bewegungsablaufs erreicht ist, d.h. das aus dem Strahlengang 4 zu entfernende Farbfilter 2 befindet sich nicht mehr in seiner Arbeitsposition, sondern wurde aufgrund der Schwenkbewegung des Schiebers 1 um die Achse 5 von der Justierhilfe 3 abgehoben. In der Darstellung nach 3 hat die Wippe 14 ihren maximal möglichen Verkippungswinkel erreicht, und der Schieber 1 ist so weit verkippt, daß das noch im Bereich des Strahlengangs 4 befindliche Farbfilter 2 maximalen Abstand zu der Justierhilfe 3 hat. Zu erkennen ist dies in 3 daran, daß die Indexmarken a, b, c ihr negatives Maximum relativ zu den Skalenpfeilen A, B bzw. C erreicht haben.
Aufgrund dieser Verkippung der Wippe 14 greift nun eine am Umfang des Laufrades 15.1 angebrachte Verzahnung in eine korrespondierende Verzahnung am Umfang des Spindelrades 9 ein und treibt damit die Gewindespindel 10 so an, daß diese im Uhrzeigersinn rotiert. Mit der Rotation der Gewindespindel 10 wird die Gewindemutter 11 und mit dieser der Schieber 1 in Richtung der Achse 5 aus der Zeichenebene heraus verschoben. Während dieser Verschiebung verharrt die Wippe 14 in der vorbeschriebenen Verkippung, wobei die auf dem Schieber 1 nebeneinander angeordneten und mit dem Schieber 1 bewegten Farbfilter 2 einen ausreichenden Abstand zu der Justierhilfe 3 haben, so daß einer Beschädigung der optisch wirksamen Flächen der Farbfilter 2 während der Verschiebung vorgebeugt ist.
Im Verlaufe der Verschiebung des Schiebers 1 (aus der Zeichenebene heraus) wird das bisher im Strahlengang 4 befindliche Farbfilter 2 aus dem Strahlengang 4 herausbefördert und an dessen Stelle – in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl der Gewindespindel 10 und der Steigung des Gewindes auf der Gewindespindel 10 – ein anderes, nach optischen Eigenschaften ausgewähltes, auf dem Schieber 1 befindliches Farbfilter 2 in den Strahlengang 4 gebracht.
Ist nach der entsprechenden Anzahl Umdrehungen der Gewindespindel 10 das einzuwechselnde Farbfilter 2 in den Strahlengang 4 gestellt, wird – beispielsweise über Referenzschalter an eine Ansteuerschaltung signalisiert und von dieser veranlaßt – die Drehrichtung des Antriebes 6 umgekehrt, das Antriebsrad 7 dreht sich nun im Uhrzeigersinn und bewirkt damit, daß die Wippe 14 in ihre Ausgangsposition zurückgekippt wird. Die Indexmarken a, b, c befinden sich relativ zu den Skalenpfeilen A, B, C nun wieder in den Null-Stellungen.
Für eine Verschiebung des Schiebers 1 in der entgegengesetzten Richtung, also nicht aus der Zeichenebene heraus, sondern in die Zeichenebene hinein, wird die Drehrichtung des Antriebes 6 wiederum umgekehrt, die Verkippung der Wippe 14 erfolgt dadurch in positiver Richtung (vgl. Relation der Indexmarken a, b, c zu den Skalenpfeilen A, B, C), das Laufrad 15.2 kommt mit dem Spindelrad 9 in Eingriff, die V-Nut im Gleitkeil 12 wirkt auf den Gleitbolzen 13 und die bereits oben beschriebene Bewegung läuft sinngemäß ab.
Die anhand von 3 beschriebene Situation, in welcher das aus dem Strahlengang 4 zu entfernende Farbfilter 2 sich zwar noch im Strahlengang 4, jedoch nicht mehr in seiner Arbeitsposition befindet, ist in 4 wiederum perspektivisch dargestellt.
Die Darstellungen nach 3 und 4 gelten sowohl für die Situation, bei welcher ein Farbfilter 2 zwar bereits in den Strahlengang 4 befördert wurde, sich jedoch noch nicht in seiner Arbeitsposition befindet, die erst bei Anlage an die Justierhilfe 3 erreicht ist, als auch für die Situati on, in der ein aus dem Strahlengang 4 zu entfernendes Farbfilter 2 bereits von der Justierhilfe 3 abgehoben ist.
Die Übertragung der Antriebsbewegungen in der beschriebenen Weise vom Antrieb 6 über die Getriebeglieder auf den Schieber 1 kann, wie dargelegt, mittels Form- oder Reibschluß erfolgen. Denkbar in diesem Zusammenhang sind Mittel zur Bewegungsübertragung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind und daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden müssen, wie beispielsweise Verzahnungen oder Riementriebe.
5 zeigt eine zweite Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher das Magazin in Form einer Trommel 20 ausgeführt ist. Die Trommel 20 besteht aus zwei kreisrunden, mit Abstand a parallel zueinander angeordneten Scheiben 25.1 und 25.2 (vgl. 6), zwischen denen die optischen Elemente, in diesem Fall beispielhaft Strahlteiler 26, in radialer Ausrichtung mit Spiel pendelnd angeordnet sind.
Ergänzend zu 5 und zum besseren Verständnis dieser zweiten Ausgestaltungsvariante ist die Trommel 20 in 6 in einer Seitenansicht mit Schnitt durch die optische Achse des Strahlengangs 4 dargestellt.
In ihrer funktionsgerechten Arbeitsposition sind die Strahlteiler 26 um einen Winkel von 45° gegen den Strahlengang 4 geneigt, so daß ein erster Teilstrahlengang 4.1 durch den Strahlteiler 2 hindurch und ein zweiter Teilstrahlengang 4.2 vom Strahlteiler 26 reflektiert und dabei rechtwinklig zur Einstrahlrichtung abgelenkt wird. Damit der Strahlengang 4 durch die Scheibe 25.1 und die Teil strahlengänge 4.1 und 4.2 durch die Scheibe 25.2 der Trommel 20 hindurchtreten können, sind in den Scheiben 25.1 bzw. 25.2 Bohrungen 21 vorgesehen.
Die Strahlteiler 26 sind um zwei Achsen pendelnd aufgehängt, damit sie sich, wie in der vorhergehenden Ausgestaltungsvariante auch, an einer gestellfest angeordneten Justierhilfe 3 (beispielsweise wiederum eine Drei-Punkt-Anlage) ausrichten und dabei ihre exakte Arbeitsposition im Strahlengang 4 einnehmen können.
Die Trommel 20 ist drehbar gelagert und wird zwecks Drehbewegung um eine Achse 27 von einem Antriebsrad 7 angetrieben, das form- oder reibschlüssig am Umfang einer oder auch beider Scheiben 25.1 bzw. 25.2 angreift (vgl. 5). Bei ihrer Drehbewegung wird die Trommel 20 von einer viertelkreisförmigen Gleitbahn 22 und dem Antriebsrad 7 zwangsgeführt, indem die Scheiben 25.1 bzw. 25.2 einerseits mit ihren Umfangsflächen an dem als Gegenlager wirkenden Antriebsrad 7 und andererseits mit Nocken 23, die an beiden Scheiben 25.1 und 25.2 ausgebildet sind, an der Gleitbahn 22 anliegt. Radial in die Gleitbahn 22 eingebracht ist eine nutförmige Vertiefung 24, deren Funktion nachfolgend im Zusammenhang mit der Darstellung des Bewegungsablaufs erläutert wird.
Zur Erläuterung wird von 7 ausgegangen, die eine Situation zeigt, in der sich kein Strahlteiler 26 im Strahlengang 4 befindet. Wird nun das mit dem Antrieb 6 verbundene Antriebsrad 7 in Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt, dreht sich die Trommel 20 im Uhrzeigersinn, und die Nocken 23 werden über die Gleitbahn 22 geschoben. Erreichen Nocken 23 dabei die Vertiefung 24, tauchen diese in die Vertiefung 24 ein und die Trommel 20 führt eine Schwenkbewegung um die in der Vertiefung 24 befindlichen und nun als Drehlager wirkenden Nocken 23 aus, was dazu führt, daß ein Strahlteiler 26, der den augenblicklich in der Vertiefung 24 befindlichen Nocken 23 zugeordnet ist, in den Strahlengang 4 abgesenkt wird und dabei zur Anlage an die Justierhilfe 3 kommt. Vorteilhaft schließt jeweils ein an den Scheiben 25.1 und 25.2 ausgebildetes Nockenpaar mit einem zugeordneten Strahlteiler 26 einen Winkel von 90° auf dem Teilkreis ein, auf dem die Strahlteiler 26 verteilt sind, wobei der Scheitel dieses Winkels in der Achse 27 liegt.
Nach diesem Bewegungsablauf ist die Situation erreicht, die in 5 dargestellt ist und bei der einer der auf der Trommel 20 bevorrateten Strahlteiler 26 in seiner Arbeitsposition im Strahlengang 4 ausgerichtet ist.
Umgekehrt erfolgt das Ausbringen des Nockenpaares aus der Vertiefung 24, indem der Antrieb 6 das Antriebsrad 7 im Uhrzeigersinn rotierend antreibt und die Drehbewegung vom Antriebsrad 7 auf die Trommel 20 übertragen wird, so daß sich diese entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Diese Drehbewegung wird solange beibehalten, bis ein ausgewählter Strahlteiler 26 sich an der Einschwenkposition befindet. Dann werden die Drehrichtungen umgekehrt, wodurch sich der bereits oben beschriebene Bewegungsablauf wiederholt: die dem ausgewählten Strahlteiler 26 zugeordneten Nocken 23 tauchen in die Vertiefung 24 ein und die Trommel 20 mit dem ausgewählten Strahlteiler 26 wird abgesenkt, bis der ausgewählte und nun in den Strahlengang 4 eingewechselte Strahlteiler 26 zur Anlage an die Justierhilfe 3 gekommen und die in 5 dargestellte Situation erreicht ist.
Ein wesentlicher Vorteil der zweiten Ausgestaltungsvariante besteht darin, daß sich während des Auswechselns der auf der Trommel 20 bevorrateten Strahlteiler 26 keines dieser optischen Elemente im Strahlengang befindet und demzufolge störende, durch nicht exakt in der Arbeitsposition ausgerichtete optische Elemente verursachte Reflexe vermieden sind.
Eine dritte Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt 8. Hier ist das Magazin in Form eines Wechselrades 28 ausgeführt, das um einen Punkt 29 dreh- und kippbar gelagert ist. Zur Lagerung kann, wie hier dargestellt, eine Kugel 30 dienen, denkbar sind aber auch andere Lagerungen, die entsprechende Freiheitsgrade bieten, wie beispielsweise Kardangelenke oder ähnlich.
Die Kugel 30, auf der das Wechselrad 28 läuft, wird durch eine gestellfest angeordnete Kugelpfanne 31 und durch ein Widerlager 32 an ihrer vorgegebenen Position gehalten. Auch hier ist ein rotatorischer Antrieb 6 vorgesehen, der in diesem Fall eine mit Gewinde 33 versehenen Abtriebswelle 34 aufweist.
Auf der Abtriebswelle 34 befindet sich eine Gewindemutter 35, die sowohl zur Übertragung der Rotation der Abtriebswelle 34 auf das Wechselrad 28 als auch als Mitnehmer zur Auslösung einer Schwenkbewegung des Wechselrades 28 ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist der Umfang der Gewindemutter 35 form- oder reibschlüssig mit dem Umfang des Wechselrades 28 verbunden und auch mit Bordscheiben 36.1 und 36.2 versehen, die den Umfang des Wechselrades 28 umgreifen. Eine nicht dargestellte Sperre sorgt dafür, daß sich das Wechselrad 28 beispielsweise nur im Uhrzeigersinn, nicht jedoch entgegengesetzt drehen kann.
Diese dritte Ausgestaltungsvariante ermöglicht folgenden Bewegungsablauf: Bei Rotation der Abtriebswelle 34 im Uhrzeigersinn wirkt auf den Umfang des Wechselrades 28 ein Drehmoment entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn. Aufgrund der (nicht dargestellten) Sperre wird jedoch verhindert, daß sich das Wechselrad 28 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn dreht.
Statt dessen sorgt die zwischen der Abtriebswelle 34 und dem Umfang des Wechselrades 28 wirkende Reibkraft dafür, daß die Gewindemutter 35 in relativer Ruhe zum Wechselrad 28 verharrt und sich, verursacht durch das Gewinde 33, auf der Abtriebwelle 34 in der mit Pfeil gekennzeichneten Richtung R verschiebt, wobei die Bordscheibe 36.1 das Wechselrad 28 mitnimmt und dieses dabei um den Punkt 29 kippt, so daß das auf dem Wechselrad 28 bevorratete und sich im Strahlengang 4 befindenden Farbfilter 2 zur Anlage an die auch hier vorhandene gestellfeste Justierhilfe 3 gebracht und dadurch funktionsgerecht in seine Arbeitsposition ausgerichtet wird.
Ist die Ausrichtung erfolgt, wird – beispielsweise über Referenzschalter an eine Ansteuerschaltung signalisiert und von dieser veranlaßt – der Antrieb 6 abgeschaltet.
Anschließend wird der Antrieb 6 mit umgekehrter Drehrichtung eingeschaltet, und es verschiebt sich die Gewindemutter 35 auf der Abtriebswelle 34 entgegengesetzt zur Richtung R bis zu einem Anschlag 37. Der Zustand, der dann erreicht ist, ist in 9 dargestellt.
Während der Verschiebung der Gewindemutter 35 auf der Abtriebswelle 34 wird das Wechselrad 28 mittels der Bordscheibe 36.2 mitgenommen und dabei so um den Punkt 29 gekippt, daß das im Strahlengang 4 befindliche Farbfilter 2 von der Justierhilfe 3 abgehoben wird.
Erreicht die Gewindemutter 35 bei ihrer Verschiebung auf der Abtriebswelle 34 den Anschlag 37, wird die Drehbewegung der Abtriebswelle 34 sofort auf die Gewindemutter 35 und von dieser per Form- oder Reibschluß auf das Wechselrad 28 übertragen, was dazu führt, daß das bisher im Strahlengang 4 befindliche Farbfilter 2 aus dem Strahlengang 4 entfernt und, in Abhängigkeit vom Drehwinkel, um den das Wechselrad 28 um seine Achse 38 gedreht wird, ein anderes ausgewähltes Farbfilter 2 in den Strahlengang 4 transportiert wird.
Hat das andere, einzuwechselnde Farbfilter 2 den Strahlengang 4 erreicht, wird, beispielsweise wiederum durch Referenzschalter und eine Ansteuerschaltung die Umkehr der Drehrichtung der Abtriebswelle 34 veranlaßt, die sich nun wieder im Uhrzeigersinn dreht, ohne daß diese Drehbewegung auf das Wechselrad 28 übertragen wird. Statt dessen erfolgt, wie bereits beschrieben, die Verschiebung der Gewindemutter 35 auf der Abtriebswelle 34 in Richtung R unter Mitnahme bzw. Verkippung des Wechselrades 28 um den Punkt 29, bis das eingewechselte Farbfilter 2 an der Justierhilfe 3 anliegt und damit in seiner Arbeitsposition exakt ausgerichtet ist.
Für die hier beschriebenen Getriebeglieder gilt ebenfalls, daß auch andere Mittel zur Bewegungsübertragung als die beschriebenen vorgesehen sein können, wie beispielsweise Verzahnungen oder Riementriebe.

1: Schieber
2: Farbfilter
3: Justierhilfe
4: Strahlengang
4.1, 4.2: Teilstrahlengänge
5: Achse
6: Antrieb
7: Antriebsrad
8: Steuerrad
9: Spindelrad
10: Gewindespindel
11: Spindelmutter
12: Gleitkeil
13: Gleitbolzen
14: Wippe
15.1, 15.2: Laufräder
16: Achse
17: Koppelglied
18: Gabel
20: Trommel
21: Bohrungen
22: Gleitbahn
23: Nocken
24: Vertiefung/Nut
25.1, 25.2: Scheiben
26: Strahlteiler
27: Achse
28: Wechselrad
29: Punkt
30: Kugel
31: Kugelpfanne
32: Widerlager
33: Gewinde
34: Abtriebswelle
35: Gewindemutter
36.1, 36.2: Bordscheiben
37: Anschlag
38: Achse
R: Richtung

Claims

Vorrichtung zum Wechseln optischer Elemente im Strahlengang (4) eines optischen Gerätes, insbesondere zum Wechseln verschiedener Farbfilter (2) oder verschiedener Strahlteiler (26) jeweils untereinander im Beobachtungs- und/oder Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops, umfassend – ein Magazin, auf dem mehrere optische Elemente zur Auswahl vorrätig sind, – einen Antrieb (6), der eine Antriebsbewegung erzeugt, und Getriebeglieder zur Umwandlung dieser einen Antriebsbewegung in a) erste Bewegungskomponenten zum Entfernen eines im Strahlengang (4) befindlichen optischen Elementes aus dem Strahlengang (4) oder zum Befördern eines aus dem Vorrat ausgewählten anderen optischen Elementes in den Strahlengang (4), und in b) zu den ersten Bewegungskomponenten zeitversetzte zweite Bewegungskomponenten zum Ausrichten des jeweils in den Strahlengang (4) beförderten optischen Elementes in eine definierte, seine korrekte Funktion im Strahlengang (4) gewährleistende Arbeitsposition oder zum Zurückführen eines optischen Elementes aus seiner Arbeitsposition, sowie – Justierhilfsmittel (3) zum Ausrichten des in den Strahlengang beförderten optischen Elementes in seine Arbeitsposition.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – das Magazin als ein in einer Geradführung gelagerter Schieber (1) ausgeführt ist, auf dem die optischen Elemente in Reihe nebeneinander angeordnet sind, – der Antrieb (6) eine rotatorische Antriebsbewegung erzeugt, und – die Getriebeglieder ausgebildet sind zur Umwandlung der rotatorische Antriebsbewegung in a) auf den Schieber (1) gerichtete erste Bewegungskomponenten zum Verschieben des Schiebers (1) um eine vorgegebene Distanz, wodurch das im Strahlengang (4) befindliche optische Elemente aus dem Strahlengang (4) entfernt oder das einzuwechselnde optische Element in den Strahlengang (4) befördert wird, und in b) dazu zeitversetzte, auf den Schieber (1) gerichtete zweite Bewegungskomponenten zum Drehen des Schiebers (1) um eine parallel zur Verschieberichtung ausgerichtete Achse (5), wodurch das in Arbeitsposition befindliche optische Element von den Justierhilfsmittel (3) abgehoben oder das in den Strahlengang (4) beförderte andere optische Element zur Anlage an die Justierhilfsmittel (3) gebracht wird und damit funktionsgerecht im Strahlengang (4) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – das Magazin in Form einer Trommel (20) ausgeführt ist, die sowohl um eine Achse (27) drehbar als auch schwenkbar gelagert ist, – die optischen Elemente auf dem Umfang eines Teilkreises der Trommel (20) angeordnet sind, – der Antrieb (6) eine rotatorische Antriebsbewegung erzeugt und die Getriebeglieder ausgebildet sind zur Umwandlung der rotatorischen Antriebsbewegung in a) auf die Trommel (20) gerichtete erste Bewegungskomponenten zur Drehung der Trommel (20) um einen vorgegebenen Drehwinkel, wodurch das im Strahlengang (4) befindliche optische Elemente aus dem Strahlengang (4) entfernt oder das einzuwechselnde optische Element in den Strahlengang (4) befördert wird, und in b) dazu zeitversetzte, auf die Trommel (20) gerichtete zweite Bewegungskomponenten zum Schwenken der Trommel (20) senkrecht zur Achse (27) um eine vorgegebene Distanz, wodurch das in Arbeitsposition befindliche optische Element von den Justierhilfsmittel (3) abgehoben oder das in den Strahlengang (4) beförderte andere optische Element zur Anlage an die Justierhilfsmittel (3) gebracht wird und damit funktionsgerecht im Strahlengang (4) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (20) bei ihrer Schwenkung an einer gestellfest angeordneten, gekrümmten Gleitbahn (22) zwangsgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei an der Trommel (20) Nocken (23) vorgesehen sind, die relativ zur Gleitbahn (22) verschiebbar sind und während der Schwenkung unter Krafteinwirkung an der Gleitbahn (22) anliegen, wobei mit der Krümmung der Gleitbahn (22) die Schwenkrichtung der Trommel (20) vorgegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – das Magazin in Form eines Wechselrades (28) ausgeführt ist, das um einen Punkt (29) drehbar und kippbar gelagert ist, – die optischen Elemente auf dem Umfang eines Teilkreises des Wechselrades (28) angeordnet sind, – der Antrieb (6) eine rotatorische Antriebsbewegung erzeugt und die Getriebeglieder ausgebildet sind zur Umwandlung der rotatorische Antriebsbewegung in a) auf das Wechselrad (28) gerichtete erste Bewegungskomponenten zur Drehung des Wechselrades (28) um einen vorgegebenen Drehwinkel, wodurch das im Strahlengang (4) befindliche optische Elemente aus dem Strahlengang (4) entfernt oder das einzuwechselnde optische Element in den Strahlengang (4) befördert wird, und in b) dazu zeitversetzte, auf das Wechselrad (28) gerichtete zweite Bewegungskomponenten zum Kippen des Wechselrades (28) um einen vorgegebenen Kippwinkel, wodurch das in Arbeitsposition befindliche optische Element von den Justierhilfsmittel (3) abgehoben oder das in den Strahlengang (4) beförderte andere optische Element zur Anlage an die Justierhilfsmittel (3) gebracht wird und damit funktionsgerecht im Strahlengang (4) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die Justierhilfsmittel (3) – als stegförmige Anlageelemente, als Ringschneide oder als Drei-Punkt-Anlage ausgebildet sind, die gestellfest parallel zueinander beidseitig der optischen Achse des Strahlengangs (4) angeordnet sind, und – jedes der optischen Elemente mit Bewegungsfreiheit im Magazin gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der – die Bewegungsfreiheit der optischen Elemente relativ zum jeweiligen Magazin 0,5 mm bis 2 mm beträgt und – die optischen Elemente unter Einwirkung jeweils einer Anlagekraft im Bereich von 0,05 Newton bis 0,15 Newton an den beiden stegförmigen Anlageelemente (3) anliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – die optischen Elemente in das Magazin manuell einlegbar und austauschbar sind.