DE102008026774A1

DE102008026774A1 - Steuerungseinrichtung für Stellglieder in Mikroskopobjektiven

Info

Publication number: DE102008026774A1
Application number: DE102008026774A
Authority: DE
Inventors: Ingo Fahlbusch; Georg Herbst
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH; Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-06-05
Also published as: WO2009146868A3; US20110082590A1; US9389388B2; DE102008026774B4; WO2009146868A2

Abstract

Um eine Steuerungseinrichtung für Mikroskopobjektive zur Korrektur der sphärischen Abberation und zur Einstellung insbesondere schwer zugänglicher Mikroskopobjektive auf eine optimale Abbildungsgüte zu schaffen, die eine automatische Verstellung der unterschiedlichen Stellglieder eines Mikroskopobjektives und damit einen einfachen, kostengünstigen, benutzerfreundlichen und präzisen Ausgleich insbesondere von Deckglasschwankungen und unterschiedlichen Bodenstärken von Petrischalen zur Erhöhung der Abbildungsgüte ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei als gefasste Linsen oder Linsengruppen ausgebildete Stellglieder (2) eines Mikroskopobjektivs (1) über jeweils zugeordnete Stellringe (3) motorisch ansteuerbar in axialer Richtung entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs (1) gegen das Gehäuse des Mikroskopobjektivs (1) bewegbar vorgesehen sind, wobei eine von außen gesteuerte im Mikroskopobjektiv (1) angeordnete Steuereinheit (15) zur Speicherung von unterschiedlichen Kennlinien für Fahrwege (16) der Stellglieder (2) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung für Stellglieder in Mikroskopobjektiven zur Einstellung insbesondere schwer zugänglicher Mikroskopobjektive auf eine optimale Abbildungsgüte und Mittel zur Speicherung der Stellbewegungen der Stellglieder.
Es ist bekannt, wie in der DE 198 04 470 C1 beschrieben, dass Mikroskopobjektive zur Anpassung an unterschiedliche Deckglasdicken mehrere Linsengruppenfassungen aufweisen, von denen eine als Korrekturfassung zur Anpassung an unterschiedliche Deckglasdicken ausgebildet und zwischen den zum Objektiv feststehenden Linsengruppenfassungen axial bewegbar ist, wobei sich die Korrekturfassung auf einer Kurve eines innerhalb des Fassungsträgers angeordneten Kurvenringes abstützt, der radial drehbar angeordnet ist. Damit die Korrekturfassung diese Verschiebung ausführen kann, ist ein an seinem Ende mittels eines Rändelrings in dem Fassungsträger um die optische Achse bewegbarer Zapfen senkrecht zur optischen Achse angeordnet. Es ist weiterhin bekannt, dass die radiale Bewegung der Stellringe durch eine Kurve in eine lineare Bewegung der Stellglieder umgesetzt wird. Der Nachteil bei der Verwendung von Kurven ist in der Herstellung der Oberfläche dieser Kurven zu sehen. Das heißt, dass bei Mikroskopobjektiven die Ebenheit der Fläche der erzeugten Kurve bezüglich der Abbildungsgüte des Mikroskopobjektives sehr wichtig ist. Die Flächen der Kurven müssen zur Erzielung einer ausreichenden Güte der Oberfläche geschliffen werden, damit bei der Bewegung der Stellglieder keine sichtbaren Störungen auftreten. Das Schleifen einer Nut, die als Kurve ausgeformt ist, ist zwar technisch machbar, jedoch nicht für eine Serienfertigung reproduzierbar anzuwenden. Eine Kurvensteuerung über Kurvenscheiben findet im Bereich der Stereomikroskopie Anwendung. Das Schleifen von Kurvenscheiben zur Erhöhung der Güte der Oberflächenrauheit ist dort technisch möglich, da nicht mit kleinen Schleifkörpern, wie in einer Nut bei Mikroskopobjektiven, gearbeitet werden muss. Außerdem ist aufgrund der größeren zulässigen Toleranzen im Bereich der Stereomikroskopie die Verwendung einer Kurvensteuerung von Vorteil. Bei der Bewegung der Stellglieder wird zum Teil die Bewegung der Stellglieder auch über einen Hebel vorgenommen. Über die Hebelverstellung lässt sich zwar eine schnelle Bewegung erzielen, eine kontinuierliche Bewegung von mehreren Stellgliedern zueinander ist, wie in Mikroskopobjektiven gefordert, nicht zu realisieren. Die Verstellung über Hebel ist daher hauptsächlich für eine schnelle Positionierung in den Endlagen geeignet.
In der DE 101 59 239 A1 wird ein Mikroskopobjektiv mit motorisch verschiebbaren Linsen zum Abbilden einer Probe beschrieben. Dieses Mikroskopobjektiv ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Linsen gemeinsam innerhalb des Objektivgehäuses motorisch verschiebbar angeordnet sind, so dass dieser Aufbau dem Einstellen der Abtastebene mit einem Mikroskopobjektiv dient. Aus der DE 198 22 256 A1 ist eine Anordnung zur direkten Steuerung der Bewegung eines Zoomsystems in einem Stereomikroskop bekannt, bestehend aus direkten motorischen Antrieben für mindestens eine bewegte Linsengruppe, wobei dieser Aufbau eine Kombination von Motorzoom und Motorfokus darstellt. In der DE 103 61 912 A1 wird weiterhin ein Mikroskopobjektiv mit axial verstellbaren Korrekturfassungen beschrieben, bei dem die axiale Bewegungen von Linsengruppen in einem Mikroskopobjektiv zwecks Korrektur von Deckglasschwankungen und oder unterschiedlicher Immersionsmedien über Gewinderinge vorgesehen ist. Die Korrektur des Mikroskopobjektives wird dazu manuell durch Drehen an einem Rändelring ausgeführt. Ist das Mikroskopobjektiv schwer zugänglich, kann eine Einstellung für die Korrektur der Abbildungsgüte am Mikroskopobjektiv nur umständlich vorgenommen werden, das heißt, wenn sich in einer Petrischale die Beobachtungsposition ändert, so ändert sich auch die Bodenstärke der Petrischale. Sollen diese Schwankungen ausgeglichen werden, um wieder eine scharfe, kontrastreiche Abbildung zu erhalten, muss am Rändelring des Mikroskopobjektives gedreht werden. Ein Mikroskopbenutzer muss deshalb bei Probenuntersuchungen mit unterschiedlichen Deckglasdicken und Bodenstärken während der Probenuntersuchung eine Vielzahl aufwendiger Einstellungen zur Positionierung und Erzielung einer sehr guten Abbildungsgüte vornehmen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungseinrichtung für Mikroskopobjektive zur Korrektur der sphärischen Abberation und zur Einstellung insbesondere schwer zugänglicher Mikroskopobjektive auf eine optimale Abbildungsgüte zu schaffen, die eine automatische Verstellung der unterschiedlichen Stellglieder eines Mikroskopobjektives und damit einen einfachen, kostengünstigen, benutzerfreundlichen und präzisen Ausgleich insbesondere von Deckglasschwankungen und unterschiedlichen Bodenstärken von Petrischalen zur Erhöhung der Abbildungsgüte ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Steuerungseinrichtung für Stellglieder in Mikroskopobjektiven vor, mit der mindestens zwei als gefasste Linsen oder Linsengruppen ausgebildete Stellglieder eines Mikroskopobjektivs über jeweils zugeordnete Stellringe motorisch ansteuerbar in axialer Richtung entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs gegen das Gehäuse des Mikroskopobjektivs bewegbar vorgesehen sind. Eine Übertragung der Drehbewegung von Motoren auf die Stellringe erfolgt dabei in vorteilhafter Weise mittels Getrieben, wobei eine von außen gesteuerte im Mikroskopobjektiv angeordnete Steuereinheit zur Speicherung von unterschiedlichen Kennlinien für Fahrwege der Stellglieder vorgesehen ist.
Eine bevorzugte Ausführung besteht darin, dass die einzelnen Stellringe mittels jeweils den einzelnen Stellringen zugeordneten Motoren voneinander getrennt radial bewegbar vorgesehen sind, oder dass die Stellbewegung zweier oder mehrerer Stellglieder entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs so miteinander gekoppelt ist, dass vorzugsweise zwei Stellringe über einen Motor teilweise oder komplett gekoppelt radial bewegbar vorgesehen sind oder dass alle Stellringe miteinander gekoppelt und mittels eines Motors entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs bewegbar vorgesehen sind und damit gleichzeitig eine Fokussierung durchführbar ist. Ein weiterer Vorteil der motorischen Ansteuerung liegt in der freien Gestaltung der Kennlinien für Fahrwege für jeden Motor, der beispielsweise als Positionierantrieb auslegbar ist.
So kann beispielsweise jedes Stellglied über einen Stellring radial über einen Motor positioniert werden. Die einzelnen Motoren können so angesteuert werden, dass das jeweils angesteuerte Stellglied auf einer axialen, linearen Bahn und oder auf einer axialen Kurvenbahn verfährt. Bei der axialen Bewegung eines Stellgliedes auf einer Kurvenbahn werden für den Positionierantrieb die einzelnen Bahnpunkte definiert und in der internen Steuereinheit abgelegt. Somit ist es möglich mit einer Gewindeverstellung, die eine lineare Bewegung der Stellglieder bewirkt, über die entsprechend gespeicherte Kennlinie für den Positioniermotor die Ansteuerung des Motors so zu gestalten, dass die Drehzahl des Motors mit der gespeicherten Kennlinie angesteuert eine axiale Bewegung des Stellgliedes auf einer Kurvenbahn zur Folge hat.
Bevorzugt ist vorgesehen, die Kennlinien für Fahrwege der Stellglieder des Mikroskopobjektivs in der internen Steuereinheit zu speichern, wobei zur Korrektur der Abbildungsgüte und der Fokussierung nach verschiedenen Kennlinien für Fahrwege zu verfahren ist. Dadurch kann jedes Mikroskopobjektiv am Stativ gewechselt werden, so dass auch ein Mehrfachrevolver oder ein Austausch von Objektiven während des Messvorganges ermöglicht wird. Durch die Speicherung der Kennlinien für Fahrwege der Stellglieder jedes Mikroskopobjektivs in der internen Steuereinheit wird weiterhin verhindert, dass auch die durch mechanisch bedingte Toleranzen variierenden Start- und Endpunkte der Fahrwege der einzelnen Stellglieder zu Kollisionen führen.
Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass die interne Steuereinheit ihre Steuerbefehle aus einer externen Steuereinheit erhält, die entweder im Mikroskop oder in einer stationären Steuereinheit angeordnet ist, so dass eine automatisierte Beobachtung von Proben unter Berücksichtigung einer ständig korrigierten Abbildungsgüte ermöglicht wird.
Durch die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung können die mechanischen Vorteile der Gewindeverstellung dazu genutzt werden, neben den bisher durchgeführten linearen Bewegungen der Stellglieder zusätzlich die Stellglieder auf programmierbaren Kurvenbahnen zu verfahren, so dass es für den Entwurf des optischen Designs eines Objektivs mehr Freiheitsgrade gibt, die unter anderem eine preiswertere Auslegung des Designs erlauben.
Ein weiterer Vorteil beim Einsatz der Steuerungseinrichtung besteht darin, dass in die Probe hinein fokussiert werden kann (Innenfokussierung) und dabei die Bildgüte durch entsprechende Verstellung der Stellglieder erhalten bleibt. Dies ist insbesondere beim Hineinfokussieren mit einem Mikroskopobjektiv durch ein Deckglas oder den Boden einer Petrischale in eine wässrige Lösung bedeutsam, da durch die Dispersion des Lichtes in Wasser die Korrektur- und Fokussierstellung des Mikroskopobjektivs angepasst werden muss.
Ein Mikroskopobjektiv erhält hierdurch ein erweitertes Einsatzfeld. So war es bisher nur möglich, den sphärisch korrigierten Fokuspunkt eines Mikroskopobjektivs für unterschiedliche Deckglasdicken und/oder Immersionsmedien direkt am Deckglas oder am Boden einer Petrischale einzustellen.
Mittels der neuen Steuerungseinrichtung für die Stellglieder wird es außerdem möglich, dass in die Rechnung für das optische Design nun zusätzliche Werte für die neuen Positionen der Stellglieder zum Fokussieren in die Probe, also weg vom Deckglas oder dem Boden der Petrischale, aufgenommen werden können. Diese Werte werden ebenfalls zusätzlich in der internen Steuerung des Mikroskopobjektivs hinterlegt. Somit kann mit einem Mikroskopobjektiv der Fokus unter Beibehaltung der Abbildungsgüte soweit verändert werden, dass ein neuer Fokuspunkt innerhalb der Probe (Innenfokussierung) abgebildet werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung;
2 ein Stellglied in isometrischer Darstellung;
3 Kennlinien für Fahrwege von Stellgliedern;
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung für ein Mikroskopobjektiv 1 im Schnitt dargestellt. Um schwer zugängliche Mikroskopobjektive 1 leicht auf die optimale Abbildungsgüte einzustellen, ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise mindestens zwei der als gefasste Linsen oder Linsengruppen ausgebildeten Stellglieder 2 des Mikroskopobjektivs 1 über jeweils entsprechend zugeordnete Stellringe 3 durch entsprechende Motoren 4 ansteuerbar in axialer Richtung entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs 1 bewegt werden. Als Antriebe können auch Positionierantriebe, Piezomotoren oder Ultraschallmotoren eingesetzt werden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird jedes Stellglied 2 über einen Stellring 3 radial über je einen Motor 4 positioniert. Die einzelnen Motoren 4 können dabei so angesteuert werden, dass das jeweils angesteuerte Stellglied 2 auf einer axialen linearen Bahn und oder auf einer axialen Kurvenbahn verfährt. Bei der axialen Bewegung eines Stellgliedes 2 auf einer Kurvenbahn werden für den Positionierantrieb die einzelnen Bahnpunkte definiert und in einer internen Steuereinheit 15 abgelegt, so dass mit einer Gewindeverstellung, die eine lineare Bewegung der Stellglieder 2 bewirkt, über die entsprechend gespeicherte Kennlinie für den Motor 4 die Ansteuerung des Motors 4 so gestaltet wird, dass die Drehzahl des Motors 4 mit der gespeicherten Kennlinie angesteuert eine axiale Bewegung des Stellgliedes 2 auf einer Kurvenbahn zur Folge hat.
Die Stellringe 3 werden gemäß 4 in einem zweiten Ausführungsbeispiel über die Motoren 4 teilweise gekoppelt oder in einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel komplett gekoppelt durch einen Motor 4 radial bewegt.
Die Übertragung der Drehbewegung der Motoren 4 auf die Stellglieder 2 erfolgt bevorzugt über ein Getriebe, entweder über ein Zahnradgetriebe (siehe 2) oder ein Zahnriemengetriebe. Der Motor 4 treibt über ein Ritzel 5 und einen Zahnkranz 6 den Stellring 3 an. Über ein nicht dargestelltes Federpaket wird der Stellring 3 gegen eine feststehende Anlage gedrückt und lässt sich dadurch nur radial bewegen. Der Stellring 3 weist im Inneren ein Innengewinde 7 auf, das Innengewinde 7 greift in ein Außengewinde 8 einer inneren Hülse 9 ein, in der ein Zapfen 10 angeordnet ist. Dieser Zapfen 10 wird durch ein Langloch 11 in einer feststehenden Hülse 12 geführt und ist mit der Hülse zur Linsenaufnahme 13 verbunden. Die Hülse zur Linsenaufnahme 13 mit der in ihr angeordneten Linse ergibt das Stellglied 2. Der Zapfen 10 im Langloch 11 der feststehenden Hülse 12 verhindert die radiale Drehung der inneren Hülse 9 und damit des Stellgliedes 2, da sich der Zapfen 10 nur axial im Langloch 11 der feststehenden Hülse 12 bewegen kann. Hierdurch wird die Drehbewegung des Stellringes 3 über den Zapfen 10 in eine axiale Bewegung des Stellgliedes 2 umgewandelt.
Durch die Drehbewegung der Motoren 4 werden die als Linsen oder Linsengruppen ausgebildeten Stellglieder 2 entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs 1 bewegt und damit ist gleichzeitig eine Fokussierung durchführbar. In der internen Steuerung 15 sind gemäß 3 Kennlinien für Fahrwege 16 der Stellglieder 2 abgespeichert. Dabei entspricht die Kennlinie in Spalte 1 Zeile A einer axialen linearen Bahn des Stellgliedes 2, während z. B. die Kennlinie in Spalte 1 Zeile C eine axialen Kurvenbahn des Stellgliedes 2 wiedergibt. In Diagrammen ist die durch das Stellglied 2 bewirkte Höhenverstellung des als Linse oder Linsengruppe ausgebildeten Stellgliedes 2 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Motors 4 dargestellt.
Je nach Korrekturmodus werden die Stellglieder 2 nach verschiedenen Kennlinien verfahren, z. B. Spalte 1 = Korrekturmodus, Spalte 2 = Fokussiermodus. Somit kann jedes Mikroskopobjektiv 1 am Stativ gewechselt werden und damit ist der Einsatz eines Mehrfachrevolvers oder ein Austausch von Mikroskopobjektiven 1 möglich. Da die Kennlinien und ihre Referenzen für die Fahrwege 16 der Stellglieder 2 des Mikroskopobjektivs 1 in der internen Steuerung 15 gespeichert sind, können auch die durch mechanisch bedingte Toleranzen variierenden Start- und Endpunkte der Fahrwege der einzelnen Stellglieder 2 abgespeichert werden und es kommt zu keiner Kollision. Die interne Steuerung 15 erhält ihre Steuerbefehle aus einer externen Steuerung 14, diese kann sich entweder im Mikroskop oder in einer stationären Steuereinheit befinden.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

1: Mikroskopobjektiv
2: Stellglied
3: Stellring
4: Motor
5: Ritzel
6: Zahnkranz
7: Innengewinde
8: Außengewinde
9: innere Hülse
10: Zapfen
11: Langloch
12: feststehende Hülse
13: Hülse zur Linsenaufnahme
14: externe Steuereinheit
15: interne Steuereinheit
16: Kennlinie für Fahrwege

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19804470 C1 [0002]
- DE 10159239 A1 [0003]
- DE 19822256 A1 [0003]
- DE 10361912 A1 [0003]

Claims

Steuerungseinrichtung für Stellglieder in Mikroskopobjektiven zur Einstellung insbesondere schwer zugänglicher Mikroskopobjektive auf eine optimale Abbildungsgüte und Mittel zur Speicherung der Stellbewegungen der Stellglieder, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei als gefasste Linsen oder Linsengruppen ausgebildete Stellglieder (2) eines Mikroskopobjektivs (1) über jeweils zugeordnete Stellringe (3) motorisch ansteuerbar in axialer Richtung entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs (1) gegen das Gehäuse des Mikroskopobjektivs (1) bewegbar vorgesehen sind.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragung der Drehbewegung von Motoren (4) auf die Stellringe (3) mittels Getrieben erfolgt, wobei eine von außen gesteuerte im Mikroskopobjektiv (1) angeordnete Steuereinheit (15) zur Speicherung von unterschiedlichen Kennlinien für Fahrwege (16) der Stellglieder (2) vorgesehen ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Stellringe (3) mittels jeweils den einzelnen Stellringen (3) zugeordneten Motoren (4) voneinander getrennt radial bewegbar vorgesehen sind.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellbewegung zweier oder mehrerer Stellglieder (2) entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs (1) so miteinander gekoppelt ist, dass insbesondere zwei Stellringe (3) über einen Motor (4) teilweise oder komplett gekoppelt radial bewegbar vorgesehen sind.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Stellringe (3) miteinander gekoppelt und mittels eines Motors (4) entlang der optischen Achse des Mikroskopobjektivs (1) bewegbar vorgesehen sind.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der motorischen Ansteuerung die Kennlinien für Fahrwege (16) der Stellglieder (2) des Mikroskopobjektivs (1) für jeden Motor (4) frei gestaltbar sind.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien für Fahrwege (16) der Stellglieder (2) des Mikroskopobjektivs (1) in der internen Steuereinheit (15) gespeichert sind, wobei zur Korrektur der Abbildungsgüte und der Fokussierung nach verschiedenen Kennlinien zu verfahren ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch mechanisch bedingte Toleranzen variierenden Start- und Endpunkte der Fahrwege der einzelnen Stellglieder (2) in der internen Steuereinheit (15) gespeichert sind.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Steuereinheit (15) von einer externen Steuereinheit (14) steuerbar ist, wobei die externe Steuereinheit (14) entweder in dem Mikroskop oder in einer stationären Steuereinheit angeordnet ist.