DE102009012707A1

DE102009012707A1 - Mikroskop mit mehreren optischen Systemen im Abbildungsstrahlengang

Info

Publication number: DE102009012707A1
Application number: DE200910012707
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Knoblich; Johannes Winterot; Tobias Kaufhold
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH; Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-16
Also published as: WO2010102766A1; US20120002274A1; WO2010102766A4; US9063342B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikroskop mit mehreren optischen Systemen im Abbildungsstrahlengang und mindestens einer Baugruppe, deren optischer Effekt in bezug auf den Abbildungsstrahlengang durch Ansteuerung veränderbar ist, beispielsweise eine in Richtung der optischen Achse verschiebbare Linsengruppe (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) oder Blende, eine Blende mit variabler Blendenöffnung, eine Digitalzoomeinrichtung, ein Shutter oder eine Fokussiereinrichtung. Das erfindungsgemäße Mikroskop zeichnet sich aus durch eine Ansteuereinheit, die ausgebildet ist zum Generieren von Ansteuersignalen für die Baugruppe - in einem ersten Betriebsmodus zur Regelung oder Steuerung der Funktionsparameter lediglich des abbildenden optischen Systems, dem die Baugruppe zugeordnet ist, und - in einem zweiten Betriebsmodus darüber hinaus zur Regelung oder Steuerung der Funktionsparameter des optischen Gesamtsystems des Mikroskops.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikroskop mit mehreren optischen Systemen im Abbildungsstrahlengang und mindestens einer Baugruppe, deren optischer Effekt in bezug auf den Abbildungsstrahlengang durch Ansteuerung veränderbar ist, nämlich eine in Richtung der optischen Achse verschiebbare Linsengruppe oder Blende, eine Blende mit variabler Blendenöffnung, eine Digitalzoomeinrichtung, ein Shutter oder eine Fokussiereinrichtung.
Die Erfindung ermöglicht die mehrstufige Abbildung einer in der Objektebene des Mikroskops positionierten Probe in die Bildebene bei Abstimmung aller beteiligten Systeme aufeinander. Diese Abstimmung erfolgt im Hinblick auf bestmögliche Funktionalität des mikroskopischen Gesamtsystems, insbesondere unter Berücksichtigung der Möglichkeiten zur Minimierung oder Kompensation von optischen Restfehlern.
Mikroskope mit optischen Zoomsystemen im Abbildungsstrahlengang sind an sich bekannt. Dazu zählen insbesondere mit Zoomsystemen ausgestattete zweikanalige Stereomikroskope oder die in der Regel höherauflösenden, einkanaligen Mikroskope. Letztere werden auch als Makroskope bezeichnet, da sie große Arbeitsabstände und große Objektfelder bieten.
Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von Objektiven mit variabler Vergrößerungswirkung und variabler Auflösung in mehrgliedrigen Mikroskopsystemen mit und ohne Tubuslinse. Die Objektabbildung wird hier beispielsweise realisiert, indem die Verschiebungen optischer Glieder entlang der op tischen Achse und die Änderung des Durchmessers einer Blende, der Iris, miteinander kombiniert werden.
Diesbezüglich ist in JP 2007213103 A1 ein Objektiv mit einer ersten festen und zwei beweglichen Gruppen und einer nachgeordneten Tubuslinse beschrieben. Die Bewegung der beiden entlang der optischen Achse verschiebbaren Gruppen ist mit der Änderung des Durchmessers einer Blende, die der festen Gruppe nachgeordnet ist, synchronisiert.
Die Verschiebung von Linsengliedern in den Zoomsystemen kann sowohl mit Hilfe mechanischer Kurven, zum Beispiel in Form von Trommelkurven, oder mittels motorischer, jeweils mit einer Linsengruppe gekoppelter Direktantriebe zwangsgesteuert werden.
Mikroskope, bei denen Zoomsysteme mit mechanischen Kurven gesteuert werden, sind beispielsweise beschrieben in

– US 6,891,669 B2 unter dem Titel „Microscope System”,
– DE 102 49 177 B4 unter dem Titel „Bedieneinheit für ein Mikroskop”, und
– EP 1 510 846 B1 unter dem Titel „Führungssystem für optische Systeme, insbesondere Zoomsysteme”.

Mit motorischen Direktantrieben gesteuerte Zoomsysteme sind beispielsweise beschrieben in

– DE 198 22 256 C2 bzw. EP 0 996 863 B1 unter dem Titel „Anordnung zur direkten Steuerung der Bewegung eines Zoomsystems in einem Stereomikroskop”,
– US 6,590,359 B2 unter dem Titel „Method for effecting the synchronous control of several stepping motors”,
– US 6,628,098 B2 unter dem Titel „Method for accelerating a control movement in a positioner system with step motors”.

Die Verschiebung der Linsenglieder mittels motorischer Direktantriebe erfolgt anhand von Stellbefehlen, die in einem elektronischen Datensatz in Zuordnung zu dem jeweiligen Linsenglied gespeichert sind. Der elektronische Datensatz hat hierbei die Funktion einer virtuellen Steuerkurve. Die Bewegungsansteuerung eines Linsengliedes erfolgt wie bei der mechanischen Steuerkurve in Abhängigkeit von der Bewegungsansteuerung der übrigen verschiebbaren Linsenglieder ein- und desselben Zoomsystems.
Des weiteren sind Mikroskope bekannt, bei denen nicht nur die Verschiebung der Linsenglieder über motorische Antriebe veranlaßt wird, sondern darüber hinaus auch die Steuerung von Blenden, zum Beispiel der Aperturblende, und von Shuttern, etwa im Zusammenhang mit der Fluoreszenzbeleuchtung.
So ist in EP 1 710 610 A3 unter dem Titel ”Mikroskope comprising a control unit for controlling the movement speed of the sample stage according to the Observation Power of the selected lens unit” ein motorisiertes Mikroskopsystem beschrieben, bei dem die Steuerung der Geschwindigkeit der Tischverstellung zwecks Fokussierung in Abhängigkeit von der aktuellen Vergrößerung des optischen Systems vorgenommen wird. Die aktuelle Vergrößerung wird dabei abgeleitet aus den Positionen der Linsenglieder innerhalb eines Zoomsystems.
In der bereits erwähnten Veröffentlichung US 6,891,669 B2 „Microscope System” wird eine Anordnung zur aktiven Steue rung optischer Baugruppen unter Berücksichtigung der Lichtintensität vorgeschlagen, die bildseitig über einen Sensor erfaßt wird.
In US 7,006,675 B2 ”Method and arragement for controlling analytical and adjustment operations of a microscope and software program” wird eine Anordnung zur rechnergestützten Steuerung von Systemparametern, vorzugsweise bei einem konfokalen Scanningmikroskop, beschrieben, womit eine reproduzierbare Einstellung und Steuerung der Parameter für die Bilddokumentation und Bildverarbeitung erreicht werden soll.
In US 2003/0103662 A1 ”Robotic Microscopy System” ist ein Mikroskopsystem mit automatisierten Parametereinstellungen beschrieben, mit dem ein hoher Durchsatz von biologischen Proben durch schnelle bildanalytische Auswertung erzielt werden soll.
In WO 01/088592 A3 ”Microscope Inspection System” ist ein automatisiertes optisches Inspektionssystem beschrieben, welches mit einem Zoom-Autofokussystem und Kamera ausgestattet ist. Auch hier sind verschiedene mikroskopische Funktionseinheiten oder externe Komponenten über Steuereinheiten miteinander verknüpft.
Ein Beispiel für den Stand der Technik ist in 1 anhand eines motorisierten, modular aufgebauten Stereomikroskopsystems dargestellt, das aus mechanisch miteinander gekoppelten und über Schnittstellen elektronisch verknüpften Komponenten

– zur Beobachtung, Bildaufnahme und Bildverarbeitung,
– zur Halterung und Fokussierung,
– zur Beleuchtung und Kontrastierung, sowie
– zur Bedienung und Steuerung besteht.

Zur Beobachtung, Bildaufnahme und Bildverarbeitung dienen der Binokulartubus 1, das Motorzoomsystem 2 mit Blendschutz 3, ein steuerbarer Objektivwechsler 7 und die Kamera 18. Zur Halterung und Fokussierung ist ein Motorfokussystem mit Stativsäule 16 vorhanden. Zur Beleuchtung und Kontrastierung sind eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 4 mit Objektaufnahmen 5 und 6 und einer ansteuerbaren Lichtquelle 14 sowie eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung mit Fokussieroptik 8 und ansteuerbarer Lichtquelle 13 vorgesehen. Die Bedienung und Steuerung erfolgt mit einer Fokus-Steuereinheit 15, einer Zoom-Steuereinheit 17, einer Durchlichtbeleuchtungs-Bedieneinheit 9, einer zentralen Steuereinheit 12 zur Kopplung der anzusteuernden Komponenten, einem zentralen Bedienelement 10 zur Beeinflussung der Systemsteuerung, optionale Fußschalter 11 zur Steuerung unterschiedlicher Systemfunktionen sowie ebenfalls optional einem PC 19 mit Monitor und Software zur Systemsteuerung und Bildverarbeitung.
Aufgrund der funktionellen Verknüpfung einzelner Systemkomponenten, wie beispielsweise Vergrößerungs- bzw. Zoomsystem, Fokussystem und Lichtquellenansteuerung, wird eine höhere Funktionalität des Gesamtsystems erreicht, die Effektivität des Mikroskopierens wird gesteigert und weniger routinierten Anwendern wird die Einstellung des Systems erleichtert.
Auch das Abspeichern von definierten Systemeinstellungen als Benutzer-Profile in der zentralen Steuereinheit oder im PC gehört zu bekannten Ausgestaltungen an derartigen Mikroskopen.
Nachteilig bei den bekannten Mikroskopen mit funktioneller Verknüpfung einzelner Systemkomponenten, darunter auch der funktionellen Verknüpfung integrierter Zoomsysteme, ist, daß jeder motorisierten bzw. ansteuerbaren Systemkomponente ein eigenes, unveränderliches Steuerprofil in Form der mechanischen Steuerkurve oder in Form des elektronischen Datensatzes als virtuelle Steuerkurve zugeordnet ist.
So ist auch die Ansteuerfunktion für das jeweilige Zoomsystem mit Direktantrieben fest vorgegeben und kann durch eine zentrale Systemsteuerung nicht verändert werden. Diese Ansteuerfunktion wird werkseitig festgelegt. Eine nachträgliche Veränderung ist nicht vorgesehen und auch nicht möglich.
Bekannt ist weiterhin das Zusammenschalten von mehreren vergrößernden Komponenten, so zum Beispiel

– ein pankratisches Zoomsystem (in der Fachliteratur auch als mikroskopisches Zoomsystem bezeichnet) mit einem Objektiv fester Brennweite,
– ein pankratisches Zoomsystem mit einem Objektiv variabler Brennweite (auch als Zoomobjektiv bezeichnet),
– ein pankratisches Zoomsystem mit einem Wechsler für Objektive verschiedener fester Brennweiten,
– ein pankratisches Zoomsystem mit einem Zoomtubussystem, oder
– ein über diskrete Vergrößerungsstufen verfügender Vergrößerungswechsler mit einem Zoomobjektiv und einem Zoomtubussystem.

Mit diesen beispielhaft genannten Kombinationen von vergrößernden Komponenten wird zwar der variable bzw. in diskreten Stufen variable Vergrößerungsbereich erweitert, nachteilig ist jedoch, daß die aktuellen optischen Funktionsparameter der einzelnen beteiligten Komponenten und deren Anteil am Gesamt-Abbildungsmaßstab, insbesondere die einzelnen Vergrößerungsfaktoren und deren funktionelle Abhängigkeit voneinander, nicht berücksichtigt sind im Hinblick auf die Erzielung bestmöglicher Beobachtungsergebnisse.
Mit anderen Worten: die potentiell vorhandenen Möglichkeiten, die mit den physikalischen Parametern der einzelnen Komponenten an sich gegeben sind, werden hinsichtlich des Leistungsvermögens des Gesamtsystems nicht ausgeschöpft, wie beispielsweise in Bezug auf Apertur, Auflösung, Abbildungsmaßstab, Abbildungsfehler, zum Beispiel sphärische Aberration, oder erzielbare Schärfentiefe des mikroskopischen Gesamtsystems.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Mikroskop mit einem Abbildungssystem zu schaffen, das mehrere optische Systeme bzw. Systemkomponenten aufweist und bei dem nicht nur die Funktionalität der einzelnen Systemkomponenten, sondern auch deren Zusammenwirken hinsichtlicht der erzielbaren Funktionsparameter des mikroskopischen Gesamtsystems im Vergleich zum Stand der Technik verbessert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Mikroskop der eingangs genannten Art, ausgestattet mit einer Ansteuereinheit zum Generieren von Ansteuersignalen für die mindestens eine Baugruppe, deren optischer Effekt in bezug auf den Abbildungsstrahlengang durch Ansteuerung veränderbar ist

– in einem ersten Betriebsmodus zur Regelung oder Steuerung der Funktionsparameter lediglich des abbildenden optischen Systems, dem die Baugruppe zugeordnet ist, und
– in einem zweiten Betriebsmodus darüber hinaus zur Regelung oder Steuerung der Funktionsparameter des optischen Gesamtsystems des Mikroskops.

Es sollte mindestens eine Speichereinheit vorhanden sein, in der Ansteuersignale bzw. zu Ansteuersignalen äquivalente Stellbefehle für jede dieser Baugruppen in Zuordnung zu optischen Funktionsparametern gespeichert sind. Des weiteren sollten mit diesen Baugruppen elektronisch ansteuerbare Antriebe gekoppelt sein, wobei die Eingänge der Ansteuereinheit mit den Speichereinheiten und mit einer Befehlseingabeeinrichtung und ihre Ausgänge mit den Antrieben verbunden sind. Die Befehlseingabeeinrichtung ist dabei ausgebildet zur Vorgabe von optischen Funktionsparametern, die auf die Beobachtung oder Abbildung eines Objektes bezogen sind. Anhand der gespeicherten Ansteuersignale ist eine Steuerung des Gesamtsystems möglich.
In einer weiterführenden, besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Mikroskop ausgestattet mit Einrichtungen zur Messung von aktuellen optischen Funktionsparameter, zum Vergleichen der aktuellen mit vorgegebenen optischen Funktionsparametern, und zur Korrektur Ansteuersignale in Abhängigkeit von ermittelten Abweichungen und zur Korrektur der im Speicher angelegten Ansteuersignale. Auf dieser Basis ist die Regelung der Funktionsparameter des Gesamtsystems möglich.
Die Befehlseingabeeinrichtung kann ausgebildet sein zur Vorgabe von mehreren optischen Funktionsparametern, wie insbesondere Abbildungsmaßstab, Schärfentiefe, Auflösung oder Apertur.
Der Abbildungsmaßstab eines zusammengesetzten Systems im Sinne der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus den Parametern der Komponenten. Dabei gilt: βGes = def|β| = |f'Tubus/f'Objektiv*ΓVergrößerungswechsler
Werden für derartige Systeme gebräuchliche Definitionen gewählt, ergibt sich eine formal gleichartige Schreibweise, wobei die Induzierung der Übersichtlichkeit halber zum Teil weggelassen wird,

– für Objektiv: β = _DEFβ_Objektiv = _DEFf'_{Objektiv(β=1)}/f'_Objektiv
– für afokalen Zoom: β = _DEFβ_Zoom = _DEF|Γ'_Zoom|* f'_Tubus(β=1)/f'_{objektiv(β=1)}
– für Tubus: β = _DEFβ_Tubus = _DEFf'_Tubus/f'_Tubus(β=1)

Diese Schreibweise wird in den folgenden Ausführungen für den Abbildungsmaßstab, im übertragenen Sinn aber auch für weitere systembeschreibende Parameter wie objektseitige numerische Apertur, Auflösung, Objektfeldgröße usw. verwendet.
Das erfindungsgemäße Mikroskop ist mit einer Einrichtung zum Umschalten vom ersten auf den zweiten Betriebsmodus und umgekehrt ausgestattet.
Beispielsweise umfaßt das erfindungsgemäße Mikroskop ein Zoomobjektiv ZS1, ein Zoomtubussystem ZS3 und einen dazwischen angeordnetes pankratisches Zoomsystem ZS2. Diese Kom ponenten sind dabei vorteilhaft so ausgebildet, daß das pankratische Zoomsystem ZS2 einen Bereich mit Abbildungsmaßstäben von β = 0,2 bis 4,0 überdeckt, das Zoomobjektiv ZS1 einen Zoombereich mit einem Abbildungsmaßstab β = 1,0 bis 2,0 überdeckt, und das Zoomtubussystem ZS3 einen Zoombereich mit einem Abbildungsmaßstab β = 1,0 bis 2,5 überdeckt. Durch das Zusammenwirken der Komponenten ist die Überdeckung eines Zoombereiches mit einem Abbildungsmaßstab β im Bereich von 0,2 bis 20 erzielbar.
In diesem Zusammenhang ist die Ansteuereinheit ausgebildet zum Generieren von Ansteuersignalen zur Verschiebung der Linsenglieder der Zoomsysteme ZS1, ZS2 und ZS3 auf Sollpositionen, die

– in dem ersten Betriebsmodus im Zusammenhang mit optischen Funktionsparametern des jeweiligen einzelnen Zoomsystems stehen, und
– in dem zweiten Betriebsmodus im Zusammenhang mit optischen Funktionsparametern des gesamten Abbildungssystems stehen,

Die Erfindung bezieht sich ausdrücklich auch auf Mikroskope, umfassend

– ein oder mehrere optische Zoomsysteme die in Richtung der optischen Achse verschiebbare Linsenglieder aufweisen, wobei die Verschiebung der Linsenglieder eine Veränderung von optischen Funktionsparametern des mikroskopischen Abbildungssystems bewirkt, und
– ein oder mehrere codierte optische Systeme fixer Brennweite, d. h. optische Systeme mit ausschließlich feststehenden Linsengliedern.

Der Begriff Codierung bezieht sich in diesem Zusammenhang auf in binärer Form verfügbare Kennwerte, die beispielsweise einem Wechselobjektiv zu dessen Charakterisierung zugeordnet sind und Auskunft geben über dessen individuelle Grunddaten, wie Brennweite und Öffnungsverhältnis, oder auch Informationen über Schnittweitenfehler oder Korrekturwerte zur Vignettierung enthalten.
Es ist bekannt, daß motorisierte optische Zoomsysteme, die mit uncodierten oder codierten optischen Systemen fester Brennweite, d. h. optischen Systemen mit feststehenden Linsengliedern kombiniert, ein gesamtes mikroskopisches Abbildungssystem beschreiben, wie z. B. die Kombination von einem pankratischen Zoomsystem mit einem Objektiv fester Brennweite, also ausschließlich feststehenden Linsengliedern, und einem Tubuslinsensystem fester Brennweite mit ebenfalls ausschließlich feststehenden Linsengliedern.
Während motorisierte Zoomsysteme mit Direktantrieben aufgrund ihrer virtuellen Steuerkurven optische Fehler minimieren können, sind die optischen Daten bei den optischen Systemen fester Brennweite wegen der feststehenden Linsenglieder unveränderlich festgelegt.
Dabei werden bei der Korrektur des motorisierten Zoomsystems lediglich die theoretischen Daten dieser sogenannten optisch fixen Systeme, die beispielsweise einem Datenblatt entnehmbar sind, herangezogen. So beispielsweise bei codierten Systemen der theoretische Abbildungsmaßstab, die theoretische Schnittweite und idealisierte optische Restfehler. Nach bisherigem Stand der Technik wird ein codiertes Objektiv vom mikroskopischen System lediglich hinsichtlich seines Abbildungsmaßstabes identifiziert.
Während der werksseitigen Justierung und Prüfung eines optischen Systems mittels objektiv messender Justiereinrichtungen werden die realen optischen Eigenschaften, wie z. B. Abbildungsmaßstab, Schnittweite, chromatische Fehler, Verzeichnung, Wölbung des fixen optischen Systems erfaßt und in einem entsprechenden Speichermedium, etwa in Form eines Speicherchips, der sich direkt am optischen System befindet, abgespeichert. Damit hat jedes fixe optische System seine individuelle Charakteristik, die beispielsweise von einer optoelektronischen Ausleseeinheit ausgelesen und zur weiteren Verwendung bereitgehalten werden kann.
Allerdings ist dabei bekannt, daß die optischen Parameter der fixen optischen Systeme entsprechend dem ihnen in der Fertigung zugestandenen Fehlerbudget Abweichungen gegenüber den theoretischen Daten aufweisen.
Mit der Auswertung der so verfügbaren Realdaten der fixen optischen Systeme und deren erfindungsgemäßen Verknüpfung mit den virtuellen Steuerkurven der Zoomsysteme – entsprechend dem zweiten Betriebsmodus – wird eine deutliche Optimierung des optischen Gesamtsystems erreicht, indem alle optischen Realdaten des Gesamtsystems in die Systemoptimierung einbezogen werden, und beispielsweise bei der Korrektur der virtuellen Steuerkurve eines pankratischen Zoomsystems Berücksichtigung finden, so daß sich diese Korrektur nicht nur auf die Funktionsparameter dieses Zoomsystems, sondern auf die Funktionsparameter des mikroskopischen Gesamtsystems auswirkt.
Als Voraussetzung für ein genaues laterales Vermessen von Objekten ist beispielsweise eine exakte Erfassung des Abbildungsmaßstabes erforderlich. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist dies ohne das umständliche und häufig fehlerbehaftete Kalibrieren des optischen Systems möglich. Die genaue Fokussierung des Gesamtsystems läßt sich so in einfacher Weise erreichen.
Weiterhin ist bei entsprechender, im Optikdesign vorgesehener Fokus-Sensitivität der Linsenglieder die Funktion eines sehr vorteilhaften Innenfokussierungssystems erzielbar, bei dem unter Verzicht der objektseitigen Fokussierung, die beispielsweise eine unvorteilhafte Bewegung des Präparates erfordert, etwa um Bildstapel, sogenannten z-Stacks, aufzunehmen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Systemoptimierung wird eine deutliche Minimierung der verschiedenartigsten optischen Restfehler des Gesamtsystems erreicht. Das Maß und der Umfang der Systemoptimierung wird durch die Applikation vorgegeben, d. h. es werden Sinnvollerweise nur diejenigen Korrekturen durchgeführt, die auch wirklich zu besseren Kontrast- und Bildverarbeitungsergebnissen und damit zu eindeutigeren Bilddiagnosen führen.
Die stets aktuelle Berechnung der optimierten Steuerkurven zur Systemverbesserung wird beispielsweise durch vorgegebene Grundroutinen mittels geräteinterner schneller Prozessoren vorgenommen. Aufwendigeren Korrekturen, etwa zur Erzielung spezieller applikationsbezogener Eigenschaften, wie Minimierung des chromatischen Längsfehlers je nach Emissionswellenlänge bei Mehrfachfluoreszenzanregungen, werden mit entsprechenden Tools in der Bildverarbeitungs-Software effektiv erzielt. Neuartig ist hier die Übertragung von Teilen der sonst theoretischen Optikmodellierung in das Mikroskopsystem selbst, um eine gezielte Verbesserung der optischen Eigenschaften zu erreichen, d. h. die letzten auf das Gesamtsystem bezogenen Reserven zur Verbesserung der Abbildung werden ausgeschöpft.
Für die applikationsbezogene Optimierung des optischen Gesamtsystems werden zwei prinzipiell verschiedene Verfahrensweisen genutzt:

– Systemoptimierung in quasi-Echtzeit, d. h. nach der Montage der einzelnen codierten Optikkomponenten mit einem motorisierten Zoomsystem zum mikroskopischen Gesamtsystem werden mit jedem Zoomen die aktuellen optimalen Linsenpositionen immer wieder neu errechnet, wenn der entsprechende applikationsbezogene Optimierungsalgorithmus aktiviert wurde. Ansonsten werden die eingespeicherten theoretischen Daten verwendet.
– Systemoptimierung als einmaliges Setup, d. h. nach der erstmaligen Montage der einzelnen codierten Optikkomponenten mit dem motorisierten Zoomsystem zum mikroskopischen Gesamtsystem werden die einzelnen Optikkomponenten per Setup aufeinander optimal abgestimmt und die optimierten Linsenpositionen des Zoomsystems dann als neue virtuelle Kurven eingespeichert. Bei jedem Objektivwechsel werden dann die zugehörigen, per Setup einmalig aufgenommenen und eingespeicherten Kurven aufgerufen und der Zoomsteuerung zugrunde gelegt. Gleiches gilt beim Wechsel von codierten Optikkomponenten, zum Beispiel wenn der Anwender das Zoom-Mikroskop mit neuen codierten Objektiven bestückt.

Nachteilig bei der letztgenannten Verfahrensweise zur Systemoptimierung gegenüber der Echtzeit-Systemoptimierung ist, daß nur eine mittlere Systemoptimierung möglich ist, d. h. Minimierung aller optischen Restfehler über den gesamten Zoombereich. Bei der Echtzeit-Systemoptimierung dagegen können gezielt einzelne optische Parameter optimiert werden. Dabei wird gegebenenfalls akzeptiert, daß andere, für die konkrete Applikation aber unbedeutendere Parameter schlechter werden. Über eine entsprechende Reset-Einstellung kann der Anwender immer wieder die ursprüngliche Werkseinstellung aktivieren, der die theoretischen Werte der miteinander verknüpften optischen Einzelsysteme zugrunde liegen.
Generelle Voraussetzung hierbei ist das Vorhandensein von variablen Linsengliedern eines Zoomsystems oder von andersartigen dynamischen optischen Stellelementen, die Teil eines sonst statischen optischen Systems und, mit diesem, Teil eines optischen Gesamtsystems sind. Beispielsweise sind folgende Kombinationen von fixen codierten optischen Systemen und optischen Zoomsystemen denkbar:

– Codiertes fixes Objektiv + pankratisches motorisiertes Zoomsystem + motorisiertes Zoomtubussystem,
– Codiertes fixes Objektiv + pankratisches motorisiertes Zoomsystem + codiertes fixes Tubuslinsensystem,
– Codiertes fixes Objektiv + motorisiertes Zoomtubussystem,
– Motorisiertes Zoomobjektiv + pankratisches motorisiertes Zoomsystem + codiertes fixes Tubuslinsensystem,
– Motorisiertes Zoomobjektiv + codiertes fixes Tubuslinsensystem.

Das erfindungsgemäße Mikroskop kann ausgebildet sein mit einem einkanaligen Abbildungssystem im Sinne von Compound-Zoommikroskopen und Makroskopen, oder mit einem zweikanaligen Abbildungssystem, insbesondere als Stereomikroskop.
Von der Erfindung eingeschlossen sind auch Mikroskope mit den Merkmalen nach Anspruch 1, bei denen im Abbildungsstrahlengang mit virtuellen Kurven gesteuerte Zoomsysteme in Kombination mit Zoomsystemen verwendet werden, die anstelle der virtuellen über eine mechanische Kurvensteuerung verfügen sowie Mikroskope, die mit den erfindungsgemäßen Merkmalen nachgerüstet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 das Prinzip eines motorisierten, modular aufgebauten Stereomikroskopsystems mit Steuerung nach Stand der Technik,
2 die schematische Darstellung einer Verknüpfung von einzelnen motorisierten Zoomsystemen zu einem mehrstufigen mikroskopischen Gesamtsystem,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße mikroskopische Gesamtsystem ausschließlich mit Zoomsystemen,
4 die Ableitung steuerbarer optischer Funktionsparameter für das Ausführungsbeispiel nach 3,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße mikroskopische Gesamtsystem, in dem neben Zoomsystemen auch abbildende optische Systeme mit fester Brennweite vorgesehen sind,
6 beispielhaft Einzel- und Gesamt-Auflösungsbereiche als Funktion von Einzelabbildungsmaßstäben und eines Gesamtabbildungsmaßstabes für verschiedene Steuerfunktionen,
7 die Prinzipdarstellung eines afokalen pankratischen Systems,
8 die Bewegungscharakteristik der Linsenglieder des pankratischen Systems aus 7,
9 die Prinzipdarstellung der Linsenglieder eines konkreten Zoomtubussystems,
10 die Dynamik des Zoomtubussystems aus 9,
11 eine Grafik zur Erläuterung der Möglichkeiten für die Beeinflussung der objektseitigen numerischen Apertur.
Wie bereits dargelegt, zeigt 1 ein Beispiel eines motorisierten, modular aufgebauten Stereomikroskopsystems mit optischen Komponenten, die nach Stand der Technik mechanisch miteinander gekoppelt und über Schnittstellen elektronisch miteinander verknüpft sind.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung entspricht dies einem ersten Betriebsmodus, bei dem Stellbefehle zur Verschiebung von Linsengliedern auf Sollpositionen generiert werden, die im Zusammenhang mit optischen Funktionsparametern der jeweiligen einzelnen Zoomsysteme stehen. Veranlaßt wird dies über die zentralen Steuereinheit 12 in 1.
Diesem Mikroskopsystem haftet der bereits erwähnte Mangel an, daß die potentiell vorhandenen Möglichkeiten, die mit den physikalischen Parametern der einzelnen Komponenten an sich gegeben sind, hinsichtlich des Leistungsvermögens des Gesamtsystems nicht ausgeschöpft werden.
Um diesem Mangel abzuhelfen, ist erfindungsgemäß eine gezielte Steuerung des mikroskopischen Gesamtsystems nach optischen Funktionsparametern sowie die als Voraussetzung dafür notwendige Bereitstellung von Systemdaten zur verbesserten Komponentenverknüpfungen vorgesehen. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine Ansteuereinheit, ausgebildet zum Umschaltung der Systemsteuerung von einem ersten, oben beschriebenen Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus, bei dem Ansteuersignale bzw. Ansteuersignalen äquivalente Stellbefehle zur Verschiebung der Linsenglieder auf Sollpositionen generiert werden, die im Zusammenhang mit den optischen Funktionsparametern des mikroskopischen Gesamtsystems stehen.
Im Rahmen der Erfindung liegt es, wenn die Ansteuereinheit lediglich zur Berechnung und Generierung von Stellbefehlen für den zweiten Betriebsmodus ausgelegt ist und das Mikroskop demzufolge nur in einem Modus betrieben werden kann, der dem hier beschriebenen zweiten Modus entspricht. Vorteilhaft jedoch ist die Auslegung der Ansteuereinheit zur Generierung von Stellbefehlen sowohl für den ersten als auch für den zweiten Betriebsmodus. Die Umschaltung der jeweils erforderlichen Arbeitsweise der Ansteuereinheit wird beispielsweise veranlaßt mit einem entsprechend ausgebildeten zentralen manuell zu bedienenden Eingabeelement, optional mit einem Fußschalter sowie ebenfalls optional über einen PC mit entsprechender Software.
Eine derartige Verknüpfung von einzelnen motorisierten Zoomsystemen zu einem mehrstufigen mikroskopischen Gesamtsystem ist schematisch in 2 dargestellt.
Das erfindungsgemäße mikroskopische Gesamtsystem, dessen sich vom Stand der Technik unterscheidende Funktionalität unter anderem durch die neuartige Verknüpfung einzelner Motor-Zoomsysteme ZS1, ZS2, ZS3, ZS4, ..., ZSn entsteht, ermöglicht die mehrstufige Abbildung eines in der Objektebene positionierten Objektes in die Bildebene in Kommunikation mit weiteren motorisierten bzw. codierten Systemkomponenten des Mikroskops.
Für die Erschließung der gewünschten Funktionalität ist vorgesehen, daß die einzelnen Systemkomponenten untereinander so verknüpft sind, daß jede mit jeder kommunizieren kann. Diese Kommunikation kann zum Beispiel über USB- oder CAN-Schnittstellen erfolgen.
Die Kommunikation kann hierarchisch aufgebaut sein, indem ausgewählten Zoomsystemen eine Master-, anderen eine Slave-Funktion zugeordnet wird.
Alternativ liegt auch ein nichthierarchischer, dezentraler Aufbau im Rahmen der Erfindung, wobei jede beteiligte Komponente bereits eine Intelligenz in Form einer integrierten Software zur Verknüpfung mit anderen Komponenten besitzt.
Die erfindungsgemäße Verknüpfung der einzelnen Zoomsysteme ist an Voraussetzungen gebunden, die wie folgt erfüllt sind:

1. Jedes verschiebbare Linsenglied der Zoomsysteme ist mit einem elektronisch ansteuerbaren Antrieb gekoppelt; die Sollpositionen für jedes verschiebbare Linsenglied sind in Zuordnung zu bestimmten optischen Funktionsparametern als virtuelle Bahnkurven in einem Speicher abgelegt und aus diesem Speicher auslesbar; Basis der virtuellen Bahnkurven sind Wertetabellen β_i = β_i(l_i), die den einzelnen Zoomsystemen für die Abbildungsmaßstäbe β_i als Funktion der Linsengliedpositionen l_i zugeordnet sind.
2. Aus der gespeicherten Wertetabelle β_i = β_i(l_i) werden mit Hilfe eines internen Rechenprogramms beim Durchzoomen ständig die aktuellen Parameter Apertur A_i = A_i[β_i(l_i)], Auflösung b_i = b_i [β_i(l_i)], Schärfentiefe T_i = T_i[β_i(l_i)], Objektfelddurchmesser OFD_i = OFD_i[β_i(l_i)] und bei Zoomobjektiven die Objektivbrennweite f_{Obj i} = f_Obji[β_iObj(l_iObj)] berechnet. Die Rechenergebnisse charakterisieren die Funktionsparameter des mikroskopischen Gesamtsystems.
3. Bei hierarchisch aufgebauter Kommunikation wird von einer zentraler Stelle aus, zum Beispiel der Ansteuereinheit, oder bei nichthierarchisch aufgebauter Kommunikation von jeder einzelnen Komponente aus auf die Speicherinhalte zugegriffen, und diese werden miteinander verknüpft.

3 stellt die Übertragung der prinzipiellen Struktur aus 2 in ein erstes Ausführungsbeispiel eines solchen erfindungsgemäßen mikroskopischen Gesamtsystems dar.
Hier sind die zu dem Gesamtsystem verknüpften einzelnen motorisierten Zoomkomponenten schematisch dargestellt, die eine typische mikroskopische Abbildungskette zwischen Objekt und Bildebene repräsentieren, wie Zoomobjektiv ZS1, pankratisches System ZS2, Zoomtubussystem ZS3 und Digitalzoomsystem ZS4.
Zusätzlich ist beispielhaft für jedes der Zoomsysteme in zugeordneten Diagrammen die Dynamik der variablen Linsenglieder durch unterbrochene Linien kenntlich gemacht. Auf der Ordinatenachse des Diagramms ist der jeweilige Abstand der Linsenglieder (Angaben in mm) aufgetragen und auf der Abszissenachse der Abbildungsmaßstab β.
So besteht das Zoomobjektiv ZS1 beispielhaft aus zwei feststehenden und zwei verschiebbaren Linsengliedern. Optional kann das Zoomobjektiv ZS1, wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt, zwecks sogenannter optischer Fokussierung einschließlich der feststehenden Linsenglieder um einen definierten Weg ΔZ in Richtung der optischen Achse bewegt werden. Dieser Objektiv-Fokussierweg wird durch Vignettierungen im Unendlichraum zwischen Objektiv und pankratischem System ZS2 begrenzt und liegt für eine vignettierungsfreie Objektivverschiebung durchschnittlich im Bereich 2 mm ≤ ΔZ ≤ 10 mm.
Innerhalb der Abbildungskette des Gesamtsystems hat das Zoomobjektiv ZS1 die Funktion der Bildaufnahme und Primärvergrößerung mit einem Zoomfaktor im Bereich von typischerweise 2× bis 3× bei gleichzeitigem Auflösungsgewinn.
Es sind auch Zoomobjektive ZS1 bekannt, die bei variabler Brennweite eine konstante Übertragungslänge aufweisen. Die se Bauart eignet sich besonders für solche Applikationen, bei denen bei variablem Abbildungsmaßstab β_iobj der Abstand zum Objekt konstant bleiben muß.
Ein anderes Objektivdesign, bei dem bei variabler Übertragungslänge der Abbildungsmaßstab konstant bleibt oder sich nur geringfügig ändert, ist insbesondere zur Lösung von Applikationsaufgaben zur Prozeßüberwachung geeignet, bei denen bei ortsfestem Zoomsystem Objekte in unterschiedlichen Objektweiten abgebildet werden sollen. Der Vorteil besteht darin, daß eine größere Objektweitenvariation als mit der o. g. optischen Fokussierung durch Objektivverschiebung erzielt wird.
Das in 3 weiterhin dargestellte pankratische Zoomsystem ZS2 besteht ebenfalls beispielhaft aus zwei feststehenden und zwei verschiebbaren Linsengliedern Innerhalb der Abbildungskette des mehrstufigen Gesamtsystems ist das pankratische System ZS2 die Komponente mit dem größten Zoomfaktor, beispielsweise mit dem Bereich 10× bis 20×, bei gleichzeitigem Auflösungsgewinn.
Das motorisierte Zoomtubussystem ZS3 besteht beispielhaft aus einem feststehenden und zwei variablen Linsenglied. Innerhalb der Abbildungskette des mehrstufigen Gesamtsystems ist das Zoomtubussystem ZS3 die Komponente der Bildnachvergrößerung mit einem Zoomfaktor im Bereich 2× bis 3× ohne Auflösungsgewinn.
Für bestimmte Applikationsaufgaben jedoch, wie etwa Messen und Zählen, ist eine Nachvergrößerung durch das Zoomtubussystem selbst dann nützlich, wenn es sich dabei um soge nannte „leere Vergrößerung” handelt, d. h. ohne zusätzlichen Auflösungsgewinn.
Das hier ebenfalls beispielhaft vorgesehene Digitalzoomsystem ZS4 ist zur digitalen Dokumentation der übertragenen Bilder vorgesehen. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Zoomkomponenten wird hier kein Zoomen mit optischen Mitteln, sondern ein digitales Zoomen in Form einer digitalen Bildverarbeitung der vom Fotochip aufgenommenen pixelaufgelösten Bilder durchgeführt, bei dem keine Auflösungssteigerung erzielt werden kann.
Der typische digitale Nachvergrößerungsbereich liegt bei 3× β_iZS4 ≤ 10×. Für bestimmte Anwendungen ist diese sogenannte leere Vergrößerung trotzdem interessant, besonders dann, wenn es um Form- und Lageerkennung von Objekten geht oder Meß- und Zählaufgaben zu erledigen sind. Im einfachsten Fall ist das Digitalzoomsystem ZS4 eine auf den Fotoausgang des Mikroskopsystems aufgesetzte Digitalkamera.
Im Rahmen der Erfindung liegt ausdrücklich auch die Verwendung eines Vario-Okulars anstelle des hier beispielhaft vorgesehenen Digitalzoomsystems ZS4, oder auch die zusätzliche Verwendung eines Vario-Okulars neben dem Digitalzoomsystem ZS4. Das Vario-Okular ist dem Digitalzoomsystems ZS4 grundsätzlich optisch äquivalent. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß ein Digitalzoomsystem wie erwähnt im Dokumentationspfad eines Mikroskopsystems positioniert ist, während das Vario-Okular dagegen im visuellen Pfad angeordnet ist und so der visuell wahrnehmbaren Abbildung des Objektes dient. Die Beschreibung der Erfindung wird lediglich der Übersichtlichkeit halber auf das Vorhandensein des Digitalzoomsystems ZS4 beschränkt.
Aus der Verknüpfung der einzelnen Zoomsysteme zu einem mehrstufigen Gesamtsystem ergibt sich der aktuelle Gesamtabbildungsmaßstab im visuellen Mikroskopausgang ohne Okularvergrößerung, optional im Fotoausgang mit Digitalzoomsystem ZS4 oder Vario-Okular zu: βiGes = βiObj*βiMZS*βiZTS*βiZS4
In 4 ist dargestellt, wie aus den oben beschriebenen funktionalen Zusammenhängen die steuerbaren optischen Funktionsparameter des mehrstufigen Gesamtsystems abgeleitet werden. Zusätzlich zu dem in den einzelnen Zoomsystemen ZS1, ZS2, ZS3 und ZS4 nach optischen Funktionsparametern wie Apertur, Auflösung, Schärfentiefe usw. steuerbaren Abbildungsmaßstab β_i wird durch die Freigabe der Steuerkurven der variablen Linsenglieder in den einzelnen Zoomsystemen ZS1, ZS2, ZS3 und ZS4 zu einem optischen Gesamtsystem mit nach bestimmten Funktionalitäten verknüpften und geänderten Steuerkurven eine wesentliche Erweiterung der steuerbaren Systemparameter erreicht.
Das Steuern der nunmehr zu einem optischen Gesamtsystem zusammengeschalteten Linsenglieder und zusätzlich einer motorisierten Apertur-Blendensteuerung und optional (daher in 4 nicht eingezeichnet) des Digitalzoomsystems ZS4 oder Vario-Okulars wird durch die schematisch als Kreissymbol dargestellte Ansteuereinheit ausgeführt.
Diese Ansteuereinheit übernimmt im ersten Betriebsmodus lediglich das getrennte Steuern der einzelnen Linsenglieder mit ihren zugeordneten Steuerkurven, im zweiten Betriebsmodus jedoch die Ansteuerung der einzelnen Linsenglieder mit variierten Steuerkurven, beispielsweise zur Innenfokussie rung oder zur Kompensation oder Minimierung von optischen Restfehlern.
Mit anderen Worten: Während die Verwendung der virtuellen Steuerkurven im ersten Betriebsmodus auf die Beeinflussung der Funktionsparameter des optischen Systems beschränkt ist, dem sie zugeordnet sind oder angehören, ist die Verwendung im zweiten Betriebsmodus mit Blick auf die Beeinflussung der Funktionsparameter des mikroskopischen Gesamtsystems offen bzw. freigegeben.
Die logische Verknüpfung von zu steuernden Stellgliedern, wie Linsenglieder, Blendensteuerung, Digitalzoomsystem, Vario-Okular, Objektiv-Fokussierung und die nach einzustellenden Profilen steuerbaren optischen Funktionsparameter sind in 4 durch Verbindungspfeile symbolisiert.
Damit ist durch verknüpfte, motorisch angetriebene Linsenglieder durch Verrechnung ihrer virtuellen Steuerkurven und der Blenden-Steuerdaten im mehrstufigen Gesamtsystem eine gezielte Steuerung optischer Parameter innerhalb definierter Grenzen möglich.
Technisch wird diese Funktionalität durch das Abspeichern verschiedenartiger Profile, wie z. B. Abbildungsmaßstab β_i = β_i(l_i), oder Apertur A_i = A_i[β_i(l_i)], Auflösung b_i = b_i [β_i(l_i)], Schärfentiefe T_i = T_i[β_i(l_i)] oder mit veränderten Linsenglieder-Steuerkurven mit β*_i = β*_i(l*_i) in einem geeigneten Speicherschaltkreis, z. B. EPROM mit entsprechend großem Speichervolumen, der jeweiligen Steuerschaltungen entweder in den einzelnen Zoomkomponenten ZS1 bis ZS4 oder in der zentralen Ansteuereinheit erreicht.
Über die entsprechenden Schnittstellen der Zoomkomponenten ZS1 bis ZS4 bzw. der zentralen Ansteuereinheit werden sehr vorteilhaft per Download diese verschiedenen Profile aktualisiert oder applikationsspezifisch durch weitere Profile ergänzt. Darin besteht ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten fix vorgegebenen mechanischen Steuerkurven.
Rechts in 4 sind beispielhaft verschiedene steuerbare optische Funktionsparameter dargestellt. Die erfindungsgemäße Funktionsweise wird nachfolgend anhand von drei Anwendungsfällen erläutert:
In einem ersten Anwendungsfall können bei einem konstanten Abbildungsmaßstab β_Ges = const. z. B. Auflösung und Tiefenschärfe in definierten Grenzen variiert werden, die durch den Zoom- oder Aperturbereich der einzelnen verknüpften Zoomsysteme bestimmt sind. Konkret wird durch Zoomen des pankratischen Zoomsystems ZS2 die bei der Variation von Auflösung und Tiefenschärfe resultierende Änderung des Abbildungsmaßstabes durch das Gegensteuern des nachgeschalteten motorisierten Zoomtubussystems ZS3 und/oder des Digitalzoomsystems ZS4 bzw. eines Vario-Okulars der Gesamt-Abbildungsmaßstab β_Ges konstant gehalten. Damit kann eine zu beobachtende Probe bei gleicher Endvergrößerung und variierender Auflösung und Tiefenschärfe beobachtet werden.
Wenn die Beobachtung des Objektes beim Durchzoomen bei konstanter Tiefenschärfe (T_Ges = const.) oder Auflösung (b_Ges = const.) gewünscht wird, wird dies in einem zweiten Anwendungsfall durch die Kompensationswirkungen über die Abbildungsmaßstäbe vom Zoomobjektiv ZS1 mit dem pankratischen Zoomsystem ZS2 realisiert.
Soll in einem dritten Anwendungsfall der Objektabstand bei gleicher Endvergrößerung β_Ges = const. variiert werden, kann der durch die Schnittweitenvariation des Zoomobjektivs ZS1 variierte Abbildungsmaßstab β_Obj durch das gegensteuernde pankratische System ZS2 mit β_MZS und/oder das motorisierte Zoomtubussystem ZS3 mit β_ZTS wieder kompensiert werden.
5 zeigt die prinzipielle Struktur eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen mikroskopischen Gesamtsystems. Hier sind innerhalb des Gesamtsystems das pankratische Zoomsystem ZS2 und das Digitalzoomsystem ZS4 mit einem codierten Objektiv CS1 fester Brennweite und einem codierten Tubussystem CS3 fester Brennweite kombiniert.
Mikroskopische Gesamtsysteme dieser Art verfügen häufig über eine Objektivwechseleinrichtung. Die Bestückung ist mit Objektiven unterschiedlicher Vergrößerungswirkung und spektraler Charakteristik möglich. So kann beispielsweise die Übertragungslänge zwischen den Objektiven und Wellenlängen variieren.
Einrichtungen zur Fokuslängenmessung sind bekannt und kommen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls zum Einsatz.
Des weiteren sind Objektiven vom jeweiligen Hersteller Zertifikate zugeordnet, die unter anderem auch Angaben zu Farbvariationen enthalten. Eine Erfassung und algorithmische Auswertung dieser Parameter liegt im Rahmen der Erfindung.
In 6 sind die Einzel- und Gesamt-Auflösungsbereiche als Funktion von Einzelabbildungsmaßstäben und eines Gesamtabbildungsmaßstabes beispielhaft für verschiedene Steuerfunktionen für β = β(b) bzw. wegen b~A für β = β(A) dargestellt.

Dabei ist die Auflösung b mit der Maßeinheit LP/mm (Linienpaare pro mm) aus dem Auflösungswert 2y mit der Maßeinheit μm berechnet worden. Das beispielhaft dargestellte dreistufige Gesamtsystem setzt sich hier aus dem Zoomobjektiv ZS1, dem pankratischen Zoomsystem ZS2 und dem Zoomtubussystem ZS3 zusammen, wobei diese drei Zoomsysteme und ihre verknüpften Kombinationen folgende Parameter aufweisen:

Komponente	Zoombereich	Zoomfaktor	Auflösungsbereich b in LP/mm
Zoomobjektiv ZS1	β = 1,0...2,0	2×	-
Pankratisches Zoomsystem ZS2	β = 0,2...4,0	20×	-
Zoomtubussystem ZS3	β = 1,0...2,5	2,5×	-
Zoomobjektiv ZS1 + Pankratisches System ZS2	β = 0,2...8,0	40×	β_Obj = 1,0: 20...1000 β_Obj = 2,0: 40...2000
Zoomobjektiv ZS1 + Pankratisches System ZS2 + Zoomtubussystem ZS3	β = 0,2...20,0	100×	β_Obj = 1,0: 20...1000 β_Obj= 2,0: 40...2000

In 6 sind, ausgehend vom pankratischen Zoomsystem ZS2, der Verknüpfung des Zoomobjektivs ZS1 mit dem pankratischen Zoomsystem ZS2 und der Verknüpfung des Zoomobjektivs ZS1 mit dem pankratischen Zoomsystem ZS2 und dem Zoomtubussystem ZS3 sowohl die möglichen Grenz-Auflösungen, d. h. die maximal möglichen Auflösungen b_imax = b_imax(β_iGes), als auch, sofern die Abbildungsmaßstäbe der drei Zoomsysteme ZS1, ZS2, ZS3 anders aufgeteilt sind, die Bereiche möglicher Auflösungen als Funktion des Gesamt-Abbildungsmaßstabes b_i = b_i(β_iGes) dargestellt.
Durch die beispielhaft angegebene Verknüpfung der drei Zoomsysteme ZS1, ZS2 und ZS3 ist die sehr große Variationsbreite der Parameter deutlich erkennbar. Im Bereich kleiner Abbildungsmaßstäbe 0,2 ≤ β < 1,0 und damit niedriger Auflösungen sind die beobachtbaren Objektfelder groß. In diesem sogenannten Übersichtsbereich orientiert sich der Anwender und wählt die interessierenden Objektbereiche aus, um dann bei veränderten höheren Abbildungsmaßstäben und höheren Auflösungen die interessierenden Objektdetails genau zu inspizieren oder zu dokumentieren.
Damit entspricht diese Funktionalität der typischen Arbeitsweise eines Mikroskopanwenders. Hier ist auch der besondere Vorteil gegenüber der konventionellen Mikroskopie mit diskreten Vergrößerungsstufen ersichtlich, da bei Zoomsystemen mit großen Zoomfaktor, also mehrstufigen Zoomsystemen, die Objektdetails bei Variation des Abbildungsmaßstabes sehr gut verfolgt werden können – im Unterschied zu einem mehrmals erforderlichen Objektivwechsel und dem nach jedem Objektivwechsel notwendigen Nachfokussieren in der konventionellen Mikroskopie.
Ein konkret ausgeführtes mehrstufiges Zoomsystem entsteht beispielsweise durch Kombination eines in 7 im Prinzip dargestellten afokalen pankratischen Systems ZS2 mit einem in 9 gezeigten Zoomtubussystem ZS3.
Das pankratische Zoomsystem ZS2 nach 7 umfaßt vier Linsenglieder, die, objektseitig beginnend, mit LG1 bis LG4 bezeichnet sind. Dabei sind die Linsenglieder LG2 und LG4 in Relation zu den übrigen Linsengliedern in Richtung der optischen Achse des pankratischen Zoomsystems ZS2 beweglich und zu diesem Zweck mit elektronisch ansteuerbaren Antrieben, bevorzugt in Form von Schrittmotoren, gekoppelt.

Das Linsenglied LG1 ist mit positiver Brechkraft, das Linsenglied LG2 mit negativer Brechkraft, das Linsenglied LG3 mit positiver Brechkraft und das Linsenglied LG4 mit negativer Brechkraft ausgeführt. Dieses pankratische Zoomsystem ZS2 hat eine Baulänge von 130 mm und weist beispielhaft die folgenden weiteren Systemdaten auf:

Ebene oder Linsenglied	Radius r	Dicke d	variabler Abstand	Brechzahl n_e	Abbezahl ν_e
Unendlichraum zum Objektiv
LG1	55.8300
		4.50		1.530190	76.58
	–55.8300
		2.30		1.584820	40.57
	unendlich
			v1
LG2	–35.2275
		1.40		1.747910	44.57
	9.1730
		2.50		1.812659	25.16
	25.1205
			v2
LG3	30.0675
		1.50		1.812659	25.16
	15.0700
		1.80		1.489140	70.23
	18.9690
		2.90		1.716160	53.61
	–44.9896
Blende		1.00
	unendlich
			v3	,
LG4	–47.6566
		1.30		1.620680	49.54
	7.9440
		2.90		1.624080	36.11
	41.8692
			v4
Unendlichraum zum Tubussystem (Fig. 9)

Die Bewegungscharakteristik der Linsenglieder LG1 bis LG4 des pankratischen Zoomsystems ZS2 aus 7 ist in 8 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangswert der Vergrößerung bei 0.32 und der Endwert bei 4.0 liegen und somit der Vergrößerungsbereich 12.5× beträgt. Ausgewählte Vergrößerungen 4.0×, 1.0× und 0.32× ergeben sich bei Abstandseinstellungen v1 bis v4 wie folgt:

Vergrößerung 4.0× 1.0× 0.32×

v1 68.657 39.472 2.098

v2 11.189 40.373 77.747

v3 28.039 12.818 3.104

v4 0.016 15.237 24.951
Das in 9 dargestellte, zur Kombination mit dem vorstehend beschriebenen pankratischen Zoomsystem ZS2 geeignete Zoomtubussystem ZS3 ermöglicht eine Variation der Brennwei te von 200 mm bis 500 mm und damit eine Variation der Tubusvergrößerung um den Faktor 2,5×. Die Tubusvergrößerung β_Tubus ist dabei definiert durch β_Tubus = f'_Tubus/f'_Tubus(β=1).
Dieses Zoomtubussystem ZS3 umfaßt drei optische Linsenglieder, die, objektseitig beginnend, mit LG5 bis LG7 bezeichnet sind. Dabei sind die Linsenglieder LG6 und LG7 in Relation zu dem Linsenglied LG5 in Richtung der optischen Achse beweglich und zu diesem Zweck mit elektronisch ansteuerbaren Antrieben gekoppelt, die wiederum bevorzugt in Form von Schrittmotoren ausgeführt sind.

Die weiteren Systemdaten des Zoomtubussystems ZS3 ergeben sich aus nachfolgender Tabelle (Längenangaben in mm):

Pupille, Ebene oder Linsen	Radius r	Dicke d	Abstand	Brechzahl n_e	Abbezahl ν_e
Eintrittspupille
			fest
LG5	54.93
		2.400		1.6099	56.00
	–97.30
		3.000		1.8127	25.00
	–2075.25
			V5
LG6	–79.1
		2.50		1.7584	52.00
	23.54
		2.50		1.7918	26.00
	61.89
			V6
LG7	93.77
		2.60		1.7545	35.00
	48.59
		4.90		1.4985	81.00
	–71.76
			V7
Bildebene

Die Dynamik des Zoomtubussystems ZS3 nach 9 ist in 10 dargestellt. Ausgewählte Brennweiten ergeben sich bei Abstandseinstellungen v5 bis v7 wie folgt:

f'	200	240	280	320	360	400	435	470	500
V5	2,50	11,14	16,81	20,87	23,93	26,35	28,09	29,57	30,67
V6	60,18	51,60	43,12	34,96	27,16	19,72	13,48	7,47	2,50
V7	316,35	316,30	319,10	323,21	327,94	332,97	337,47	341,99	345,86

Es ist erkennbar, daß die in der vorstehenden Bewegungstabelle aufgelisteten Abstände den gesamten Bereich dicht ausfüllen und zwei gekoppelte Bewegungen beschreiben, die durch den Parameter Brennweite f' und damit auch über Tubusvergrößerung β_Tubus definiert sind. So ist beispielsweise die Vergrößerung als ein Steuerparameter nutzbar.
Die Größe der Eintrittspupille ist eine Funktion der Vergrößerung des pankratischen Zoomsystems ZS2 nach 7.
Dem pankratischen Zoomsystem ZS2 nach 7 ist ein Objektiv (zeichnerisch nicht dargestellt) vorgeordnet, dessen objektseitige Apertur sich aus nA = Φ_Ep-Pankrat/2*f'_Objektiv ergibt. Die objektseitige Apertur ist ein multiplikativer Parameter. Die Objektivvergrößerung geht mit β_Objektiv = f'_{Objektiv (β} ₌₁₎/f'_Objektiv ein. Die Änderung der Tubusbrennweite hat dabei keine Auswirkung auf die objektseitige Apertur, das heißt die Tubusbrennweite geht mit der Konstante 1 ein.
Die Möglichkeiten für die Beeinflussung der objektseitigen numerischen Apertur, die sich aus der Kombination des pankratischen Zoomsystems ZS2 mit dem Zoomtubussystem ZS3 mit mit jeweils den oben beschriebenen Daten ergeben, sind aus der Grafik nach 11 ersichtlich.
Innerhalb des sich in dieser Grafik abzeichnenden Polygons ist jede Vergrößerung und jede objektseitige Apertur einstellbar. Um ausgehend von einer Anfangskonfiguration eine Endkonfiguration zu erreichen, werden die erforderlichen Bewegungen der Linsenglieder LG1 bis LG4 des pankratischen Systems ZS2 und der Linsenglieder LG5 bis LG7 des Zoomtubussystems ZS3 ermittelt.
Dazu werden in einem ersten Schritt die zur Änderung der Vergrößerung des pankratischen Zoomsystems ZS2 notwendigen Bewegungen anhand der Änderung der objektseitigen Apertur und die zur Änderung der Tubusvergrößerung notwendigen Bewegungen aus der Änderung der Gesamtvergrößerung und der bereits ermittelten Änderung der Vergrößerung des pankratischen Zoomsystems ZS2 bestimmt.
Sind die auf diese Weise die erforderlichen Bewegungen ermittelt geworden, werden in einem zweiten Schritt die Linsenglieder LG1 bis LG4 und gegebenenfalls auch die Linsenglieder LG5 bis LG7 entsprechend verschoben, um das mikroskopische Gesamt-Zoomsystem in die gewünschte Endkonfiguration bezüglich der Vergrößerung und der objektseitigen Apertur zu versetzen.
Damit ist ein Anwendungsbeispiel für eine Verknüpfung der beteiligten Komponenten in dem erfindungsgemäßen zweiten Betriebsmodus bezüglich der Vergrößerung und der objektseitigen Apertur des mikroskopischen Gesamt-Zoomsystems beschrieben.
Ein Anwendungsbeispiel für eine Verknüpfung der beteiligten Komponenten in dem erfindungsgemäßen zweiten Betriebsmodus bezüglich der Fokuseinstellung ergibt sich im Zusammenhang mit Mikroskopeinstellungen zur Abbildung tiefenstrukturierter Objekte, insbesondere zur Erzeugung stereoskopischer Abbildungen aus verschiedenen, in der Tiefe eines Objektes gestaffelten Beobachtungsebenen.
Unter Einbeziehung des oben beschriebenen Zoomtubussystems ZS3 erhält man ein Mikroskopsystem sowohl mit variabler Vergrößerung und variabler objektseitiger Apertur als auch mit variabler Fokussierung. Das Zoomtubussystem ZS3 realisiert dabei die Variation der Brennweite bei geänderter Gesamtübertragungslänge.
Hierbei werden in einem ersten Schritt die zur Änderung der Fokuslage notwendigen Bewegungen, wie beispielsweise in DE 10 2005 040 830 A1 beschrieben, bestimmt und in einem zweiten Schritt die Linsenglieder der beteiligten Komponenten in die gewünschte Endkonfiguration bezüglich der Fokuslage versetzt.

1: Binokulartubus
2: Motorzoomsystem
3: Blendschutz
4: Durchlichtbeleuchtungseinrichtung
5, 6: Objektaufnahmen
7: Objektivwechsler
8: Fokussieroptik
9: Bedieneinheit
10: Bedienelement
11: Fußschalter
12: zentrale Steuereinheit
13, 14: Lichtquelle
15: Fokus-Steuereinheit
16: Stativsäule
17: Zoom-Steuereinheit
18: Kamera
19: PC
CS1: codiertes Objektiv
CS3: codiertes Tubussystem
ZS1: Zoomobjektiv
ZS2: pankratisches Zoomsystem
ZS3: Zoomtubussystem
ZS4: Digitalzoomsystem
LG1 bis LG7: Linsenglieder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2007213103 A1 [0005]
- US 6891669 B2 [0007, 0012]
- DE 10249177 B4 [0007]
- EP 1510846 B1 [0007]
- DE 19822256 C2 [0008]
- EP 0996863 B1 [0008]
- US 6590359 B2 [0008]
- US 6628098 B2 [0008]
- EP 1710610 A3 [0011]
- US 7006675 B2 [0013]
- US 2003/0103662 A1 [0014]
- WO 01/088592 A3 [0015]
- DE 102005040830 A1 [0128]

Claims

Mikroskop, bei dem – im Abbildungsstrahlengang aufeinander folgend mehrere abbildende optische Systeme vorgesehen sind, die Teil des optischen Gesamtsystems des Mikroskops sind und von denen mindestens ein System mindestens eine Baugruppe aufweist, deren optischer Effekt in bezug auf den Abbildungsstrahlengang durch Ansteuerung veränderbar ist, nämlich eine in Richtung der optischen Achse verschiebbare Linsengruppe oder Blende, eine Blende mit variabler Blendenöffnung, eine Digitalzoomeinrichtung, ein Shutter oder eine Fokussiereinrichtung, gekennzeichnet durch – eine Ansteuereinheit, die ausgebildet ist zum Generieren von Ansteuersignalen für die Baugruppe – in einem ersten Betriebsmodus zur Regelung oder Steuerung lediglich der Funktionsparameter des abbildenden optischen Systems, dem die Baugruppe zugeordnet ist, und – in einem zweiten Betriebsmodus darüber hinaus zur Regelung oder Steuerung der Funktionsparameter des optischen Gesamtsystems des Mikroskops.
Mikroskop nach Anspruch 1, mit – mindestens einer Speichereinheit, in der Ansteuersignale für jede solcher Baugruppen in Zuordnung zu optischen Funktionsparametern gespeichert sind, und – elektronisch ansteuerbare Antriebe, die mit solchen Baugruppen gekoppelt sind, wobei – die Eingänge der Ansteuereinheit mit den Speichern und mit einer Befehlseingabeeinrichtung und ihre Ausgänge mit den Antrieben verbunden sind, und wobei – die Befehlseingabeeinrichtung ausgebildet ist zur Vorgabe von optischen Funktionsparametern, die auf die Beobachtung oder Abbildung eines Objektes bezogen sind.
Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, ausgestattet mit Einrichtungen – zur Messung von aktuellen optischen Funktionsparameter einzelner optischer Systeme oder des mikroskopischen Gesamtsystems, – zum Vergleichen der aktuelle gemessenen mit vorgegebenen optischen Funktionsparametern, – zur Korrektur der Ansteuersignale in Abhängigkeit von aus dem Vergleich ermittelten Abweichungen und – zur Korrektur der im Speicher angelegten Ansteuersignale.
Mikroskop nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Befehlseingabeeinrichtung ausgebildet ist zur Vorgabe von mehreren optischen Funktionsparametern, insbesondere Abbildungsmaßstab, Schärfentiefe, Auflösung oder Apertur.
Mikroskop nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit einer Einrichtung zum Umschalten vom ersten auf den zweiten Betriebsmodus und umgekehrt.
Mikroskop nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend: – mindestens ein Zoomsystem mit mindestens einem verschiebbaren Linsenglied und mindestens ein, vorzugsweise codiertes, optisches System mit nicht verschiebbaren Linsengliedern, oder – ausschließlich Zoomsysteme, die jeweils mindestens ein verschiebbares Linsenglied aufweisen, und/oder – mindestens eine Blende mit verstellbarer Blendenöffnung, – ein Digitalzoomsystem, – ein Vario-Okular.
Mikroskop nach einem Anspruch 6, umfassend ein Zoomobjektiv (ZS1), ein Zoomtubussystem (ZS3), ein dazwischen angeordnetes pankratisches Zoomsystem (ZS2) und ein Digitalzoomsystem (ZS4).
Mikroskop nach Anspruch 7, bei dem – das pankratische Zoomsystem (ZS2) einen Bereich mit Abbildungsmaßstäben von β = 0,2 bis 4,0 überdeckt, – das Zoomobjektiv (ZS1) einen Zoombereich mit Abbildungsmaßstäben von β = 1,0 bis 2,0 überdeckt, und – das Zoomtubussystem (ZS3) einen Zoombereich mit Abbildungsmaßstäben von β = 1,0 bis 2,5 überdeckt.
Mikroskop nach Anspruch 8, bei dem durch das Zusammenwirken der Zoomsysteme (ZS1, ZS2, ZS3) die Überdeckung eines Zoombereiches mit Abbildungsmaßstäben β im Bereich von 0,2 bis 20 vorgesehen ist.
Mikroskop nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgebildet – mit einem einkanaligen Abbildungssystem, vorzugsweise als Compound-Zoommikroskopen oder Makroskop, oder – mit einem zweikanaligen Abbildungssystem, insbesondere als Stereomikroskop.