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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Positionieren von optischen Komponenten in einem optischen Gerät, umfassend eine Haltevorrichtung mit mehreren Aufnahmen, an denen die optischen Komponenten gehalten sind, wobei die Haltevorrichtung in mehrere vorbestimmte Drehstellungen drehbar ist, in denen jeweils eine der optischen Komponenten in einer Zielposition angeordnet ist, einen Motor mit einer Motorwelle zum Drehen der Haltevorrichtung, eine Steuerung zum Ansteuern des Motors und einen Übertragungsmechanismus zum Übertragen der Drehbewegung der Motorwelle in eine Drehbewegung der Haltevorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Mikroskop mit einer solchen Einrichtung.
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Einrichtungen eingangs genannter Art werden beispielsweise in Mikroskopen eingesetzt, um optische Komponenten wie Objektive oder Filterblöcke, die an einer drehbaren Scheibe gehalten sind, einzeln in eine in einem Strahlengang liegende Zielposition einzuschwenken. Dabei ist es wichtig, die optischen Komponenten motorisch möglichst schnell, geräuschlos und exakt in die Zielposition zu bringen.
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Herkömmliche Positioniereinrichtungen arbeiten üblicherweise mit Getriebemotoren, welche die drehbare Scheibe antreiben. Dabei ist jeder optischen Komponente eine mechanische Rastung zugeordnet, beispielsweise in Form einer an der Scheibe ausgebildeten Rastkerbe, in die eine federbelastete Kugel einrastet. Ist der Getriebemotor mit einem Freilauf ausgestattet, so kann sich die Scheibe im Bereich der Zielposition geringfügig frei bewegen, wodurch die Kugel in die Rastkerbe einrastet. Eine solche Positioniereinrichtung ist beispielsweise in der
EP 1 403 672 B1 beschrieben. In Bezug auf den Stand der Technik wird ferner auf
DE 1 262 121 A ,
DE 296 04 667 U1 und
DE 199 24 686 A1 verwiesen.
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Bei Positioniereinrichtungen vorstehend beschriebener Art ist es von Nachteil, dass vergleichsweise stark dimensionierte Motoren eingesetzt werden müssen. Dies liegt daran, dass bei einem Positionswechsel der Motor die Scheibe zunächst aus der Rastposition, in der die Scheibe festliegt, herausdrehen muss. Hierzu ist eine wesentlich höhere Kraft erforderlich als allein für das Drehen der Scheibe zwischen den Rastpositionen nötig wäre. Außerdem kommt es bei herkömmlichen Positioniereinrichtungen in unerwünschter Weise zu Geräuschen und mechanischen Erschütterungen, wenn die federbelastete Kugel während einer einzelne Rastpositionen überfahrenden Drehbewegung der Scheibe mit hoher Geschwindigkeit über eine Rastkerbe hinweg läuft. Hierbei kommt es zu stoßartigen Beanspruchungen der Kerbenflanken, wenn die in die jeweilige Rastkerbe eintretende Kugel auf die der Bewegungsrichtung entgegengerichtete Kerbenflanke trifft.
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Schließlich ist es bei herkömmlichen Positioniereinrichtungen von Nachteil, dass die Rastkerben in präziser Positionierung relativ zu den Aufnahmen, in denen die optischen Komponenten gehalten sind, an der drehbaren Scheibe ausgebildet, z. B. in diese gefräst werden müssen. Eine nachträgliche Korrektur von Positionierungsfehlern, wie sie beispielsweise bei schief stehenden optischen Komponenten auftreten, ist nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung eingangs genannter Art zum Positionieren von optischen Komponenten in einem optischen Gerät so auszubilden, dass eine möglichst geräuscharme und erschütterungsfreie Verstellung der optischen Komponenten möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Mikroskop anzugeben, in dem optische Komponenten geräuscharm und erschütterungsfrei positioniert werden können.
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Die Erfindung löst diese Aufgaben durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10. Erfindungsgemäß umfasst der Übertragungsmechanismus einen Zahnriemen, der mit einer an der Haltevorrichtung angeordneten ersten Zahnung und einer an der Motorwelle angeordneten zweiten Zahnung in Eingriff steht.
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Die Verwendung eines Zahnriemens ermöglicht eine geräuscharme und erschütterungsfreie Übertragung der Drehbewegung der Motorwelle auf die Haltevorrichtung. Auf ein Einrasten der Haltevorrichtung zur Positionierung einer optischen Komponente in der Zielposition kann vollständig verzichtet werden. Dadurch werden die beim Drehen der Haltevorrichtung innerhalb der erfindungsgemäßen Einrichtung verursachten mechanischen Beanspruchungen minimiert, wodurch letztlich die Lebensdauer der Einrichtung verlängert wird.
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Der Verzicht auf eine Rastung ermöglicht es zudem, schneller als bisher auf die verschiedenen optischen Komponenten umzuschalten. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen arbeiten üblicherweise mit einer prellenden Rastfeder oder entsprechenden Elementen, die beim Einrasten nachschwingen. Dieses Nachschwingen muss abgeklungen sein, bevor beispielsweise mit einer Bildaufnahme in dem optischen Gerät begonnen werden kann. Ein solches Nachschwingen tritt bei der mit dem Zahnriemen arbeitenden erfindungsgemäßen Einrichtung nicht auf. Die Bildaufnahme kann unmittelbar nach Erreichen der Zielposition begonnen werden.
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Die erste Zahnung weist Z1 Zähne und die zweite Zahnung weist Z2 Zähne auf und das Verhältnis Z1/Z2 beträgt das n-fache der Anzahl der an der Haltevorrichtung in gleichen Winkelabständen voneinander vorgesehenen Aufnahmen für die optischen Komponenten, wobei n eine natürliche ganze Zahl ungleich 0 ist. Bei dieser Ausgestaltung macht die Motorwelle n volle Umdrehungen beim Wechsel von einer vorbestimmten Drehstellung in die nächste vorbestimmte Drehstellung der Haltevorrichtung, d. h. beim Umschalten von einer optischen Komponente auf die nächste optische Komponente. Dies vereinfacht die Ansteuerung des Motors, insbesondere dann, wenn n gleich 1 ist, d. h. wenn das Verhältnis Z1/Z2 gleich der Anzahl der an der Haltevorrichtung vorgesehenen Aufnahmen für die optischen Komponenten ist.
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Der Motor ist ein Schrittmotor. Ein solcher Schrittmotor gewährleistet eine exakte, schrittweise Positionierung der optischen Komponenten. Da die erfindungsgemäße Einrichtung kein Einrasten der Haltevorrichtung in der Zielposition vorsieht, ist ein vergleichsweise schwach dimensionierter und damit kostengünstiger Schrittmotor ausreichend, die Haltevorrichtung in die gewünschte Drehstellung zu bringen und dort zu halten.
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Der Schrittmotor ist so montiert, dass seine Motorwelle in einer Vollschrittstellung steht, wenn eine der optischen Komponenten in der Zielposition angeordnet ist. Dies ist bei Verwendung eines handelsüblichen Schrittmotors von Vorteil, der nicht nur in Vollschritten, sondern z. B. in Halbschritten, Viertelschritten, etc. arbeitet. Bei einem Schrittmotor diesen Typs ergeben sich die größten Haltekräfte sowie die höchste Positioniergenauigkeit in einer Vollschrittstellung der Motorwelle, in der zwei einander benachbarte Spulen des Schrittmotors maximal bestromt werden. Dadurch ist die optische Komponente exakt und mit der größtmöglichen Haltekraft in der Zielposition arretiert.
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Vorzugsweise umfasst die Steuerung eine Initialisierungsvorrichtung, die den Schrittmotor zu Beginn des Betriebs der Einrichtung so ansteuert, dass die Motorwelle in eine vorbestimmte Initialisierungsstellung gedreht wird. Dadurch ist sichergestellt, dass sich die Haltevorrichtung zu Beginn des Betriebs der Einrichtung in einer definierten Drehstellung befindet. Vorteilhaft ist die vorstehend genannte Initialisierungsstellung eine der vorbestimmten Drehstellungen, in denen eine der optischen Komponenten in der Zielposition angeordnet ist.
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Zum Erfassen der vorbestimmten Initialisierungsstellung weist die Initialisierungsvorrichtung vorzugsweise eine Lichtschranke auf, beispielsweise in Form einer Gabellichtschranke, die ein geeignetes Codiermittel, z. B. einen Lichtdurchtrittsschlitz, erfasst, wenn sich die Haltevorrichtung in der Initialisierungsstellung befindet.
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Bei Montage der optischen Komponenten verbleibt evtl. ein minimaler Restfehler innerhalb der werkseitig festgelegten Prüftoleranzen. Dieser Restfehler kann je nach Anwendung unerwünscht sein, weil er z. B. einen sehr geringen seitlichen Versatz in einem Beleuchtungsstrahlengang, z. B. einen Versatz des Bildes einer Leuchtfeldblende, verursacht. Wenn dieser Versatz in Drehrichtung der Positioniereinrichtung liegt, besteht die Möglichkeit, eine Feinkorrektur durch gezieltes Positionieren der optischen Komponente etwas neben der ursprünglich geplanten Zielposition vorzunehmen. Dieser korrigierbare Versatz kann im Winkelbereich weniger Sekunden liegen. Hierzu steuert in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Steuerung den Motor unter Berücksichtigung von Korrekturgrößen an, die jeweils einen Korrekturversatz gegenüber der jeweiligen vorbestimmten Drehstellung der Haltevorrichtung angeben.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ist vorzugsweise dazu bestimmt, in einem Mikroskop Objektive und/oder Filterblöcke zu positionieren, die üblicherweise an drehbaren Scheiben gehalten sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Verwendung beschränkt. Vielmehr ist sie geeignet, beliebige optische Komponenten, die in einem optischen Gerät an einer Haltevorrichtung gehalten sind und gedreht werden, präzise, geräuscharm, erschütterungsfrei und schnell zu positionieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Darin zeigen:
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1 eine Querschnittsanücht eines Mikroskops, das eine Positioniereinrichtung gemäß Ausführungsbeispiel enthält;
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2 eine Draufsicht auf die Positioniereinrichtung;
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3 Darstellungen verschiedener Ausführungsformen des Zahnriemens.
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1 zeigt ein Fluoreszenzmikroskop 10 im Querschnitt. Das Fluoreszenzmikroskop 10 hat einen Mikroskopkörper 12, an dem ein Tubus 14 mit einer Tubuslinse 16 montiert ist. An dem Tubus 14 ist eine CCD-Kamera 18 angeschlossen.
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An dem Mikroskopkörper 12 ist ein Tisch 20 angebracht, auf dem sich ein Präparat 22 befindet. Das Präparat 22 wird durch ein Objektiv 24 abgebildet und auf der CCD-Kamera 18 zur Ansicht gebracht. Das Objektiv 24 wird von einer optischen Achse O durchsetzt.
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Im oberen Bereich des Mikroskopkörpers 12 befindet sich eine Lichtquelle 26 zur Abgabe von Licht, das durch Linsen 28 und 30 tritt. Zwischen den beiden Linsen 28 und 30 befindet sich eine erste Blende 32 sowie eine zweite Blende 34, die eine Leuchtfeldblende bildet.
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Das Fluoreszenzmikroskop 10 enthält eine allgemein mit 40 bezeichnete Positioniereinrichtung. Die Positioniereinrichtung 40 umfasst eine Scheibe 42, die um eine Drehachse 44 drehbar ist. An der Scheibe 42 sind in hierfür vorgesehenen, in den Figuren nicht näher dargestellten Aufnahmen 43 vier Filterblöcke 46, 48, 50 und 52 gehalten. In der Querschnittsdarstellung nach 1 sind nur die Filterblöcke 46 und 48 gezeigt, während in der Draufsicht nach 2 alle vier Filterblöcke 46 bis 52 dargestellt sind.
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Die Filterblöcke 46 bis 52 enthalten jeweils ein Anregungsfilter 54 bzw. 56, einen dichromatischen Teilerspiegel 58 bzw. 60 sowie ein Sperrfilter 62 bzw. 64 (vgl. 1). Die Anregungsfilter 54, 56 lassen von dem von der Lichtquelle 26 abgegebenen Licht nur Lichtkomponenten durch, deren Wellenlängen geeignet sind, das Präparat 22 zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung anzuregen. Die dichromatischen Teilerspiegel 58, 60 reflektieren das von den Anregungsfiltern 54, 56 durchgelassene Anregungslicht in Richtung der optischen Achse O, so dass das Anregungslicht durch das Objektiv 24 auf das Präparat 22 fällt. Die Sperrfilter 62, 64 verhindern, dass von dem Präparat 22 in das Objektiv 24 reflektiertes Anregungslicht in den Tubus 14 gelangt.
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Die Filterblöcke 46 bis 52 unterscheiden sich voneinander dadurch, dass die in ihnen enthaltenen optischen Elemente 54 bis 64 unterschiedliche Charakteristiken, insbesondere Filtereigenschaften aufweisen. Indem die Filterblöcke 46 bis 52, wie nachfolgend beschrieben, selektiv in die optische Achse O eingeschwenkt werden, können unterschiedliche Fluoreszenz-Auflichtanregungen realisiert werden.
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Die Positioniereinrichtung 40 enthält ferner einen Schrittmotor 70 mit einer drehbaren Motorwelle 72. Auf der Motorwelle 72 ist eine Zahnscheibe 74 montiert, die sich mit der Motorwelle 72 dreht. Die Zahnscheibe 74 hat längs ihres Umfangs eine umlaufende Zahnung 76, die von einer Vielzahl von Zähnen 78 gebildet ist.
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Die Scheibe 42, an der die Filterblöcke 46 bis 52 gehalten sind, ist ebenfalls als Zahnscheibe ausgebildet. Auch sie weist längs ihres Umfangs eine Zahnung 80 auf, die von einer Vielzahl von Zähnen 82 gebildet ist. Die Zahnung 80 der Scheibe 42, im Folgenden als erste Zahnung bezeichnet, und die Zahnung 76 der Zahnscheibe 74, im Folgenden als zweite Zahnung bezeichnet, haben übereinstimmende Teilung, d. h. ihre Zähne 82 bzw. 78 haben gleiche Abstände voneinander.
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Die erste Zahnung 80 und die zweite Zahnung 76 befinden sich in Eingriff mit einem Zahnriemen 90, der eine Zahnung mit einer Teilung aufweist, die den Teilungen der ersten Zahnung 80 und der zweiten Zahnung 76 entspricht.
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Der Zahnriemen 90 dient dazu, die Drehbewegung der Motorwelle 72 und damit der Zahnscheibe 74 auf die Scheibe 42 zu übertragen. Das Untersetzungsverhältnis, mit dem die Drehbewegung der Motorwelle 72 auf die Scheibe 42 übertragen wird, ist durch das Verhältnis der Anzahl Z1 der in der ersten Zahnung 80 vorgesehenen Zähne 82 zur Anzahl der in der zweiten Zahnung 76 vorgesehenen Zähne 78 gegeben. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis Z1/Z2 gleich 4 und damit gleich der Anzahl der an der Scheibe 42 vorgesehenen Aufnahmen 43, in denen die Filterblöcke 46 bis 52 gehalten sind. Dadurch wird erreicht, dass ausgehend von einer Drehstellung der Scheibe 42, in der sich einer der Filterblöcke 46 bis 52 in der Zielposition, d. h. auf der optischen Achse O befindet, durch eine volle Umdrehung der Motorwelle 72 und damit der Zahnscheibe 74 die Scheibe 42 um eine viertel Umdrehung bewegt wird, wodurch der benachbarte Filterblock in die optische Achse O geschwenkt wird.
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Die Positioniereinrichtung 40 umfasst ferner eine Steuerung 100, die mit dem Schrittmotor 70 verbunden ist und diesen so ansteuert, dass die Scheibe 42 in die vorbestimmten Drehstellungen gedreht wird, in denen jeweils einer der Filterblöcke 46 bis 52 in die optische Achse O geschwenkt ist. Die Steuerung 100 ist ferner mit einer Gabellichtschranke 102 verbunden, die dazu dient, den Schrittmotor 70 zu Beginn des Betriebs des Fluoreszenzmikroskops 10 zu initialisieren, d. h. die Motorwelle 72 in eine Initialisierungsstellung zu bringen. Diese Initialisierungsstellung ist so vorbestimmt, dass sich einer der Filterblöcke 46 bis 52 in seiner Zielposition auf der optischen Achse O befindet. Die Gabellichtschranke 102 wirkt hierzu mit einem in den Figuren nicht dargestellten Codierelement zusammen, das auf der Scheibe 42 ausgebildet und der Initialisierungsstellung zugeordnet ist. Dieses Codierelement kann beispielsweise ein die Scheibe 42 durchsetzender Schlitz sein, der, sobald er im Bereich der Gabellichtschranke 102 angeordnet ist, einen Lichtdurchtritt von einem Lichtsender zu einem Lichtempfänger ermöglicht, die Teile der Gabellichtschranke 102 sind und oberhalb bzw. unterhalb der Scheibe 42 angeordnet sind (in 1 nicht im Einzelnen dargestellt). Bei Lichtdurchtritt gibt die Gabellichtschranke 102 ein Erfassungssignal an die Steuerung 100 aus, wodurch die Steuerung 100 erkennt, dass sich die Scheibe 42 in der vorbestimmten Initialisierungsstellung befindet.
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An dem Mikroskopkörper 12 befindet sich ferner ein Bedienelement 104, das mit der Steuerung 100 verbunden ist. Über das Bedienelement 4 kann eine Bedienperson die Positioniereinrichtung 70 betätigen und nach Bedarf einen der Filterblöcke 46 bis 52 durch Drehen der Scheibe 42 in die Zielposition bringen. Ferner ist es auch möglich, über das Bedienelement 104 Korrekturgrößen einzugeben, die den einzelnen Drehstellungen der Scheibe 42 zugeordnet sind. Über diese Korrekturgrößen, die beispielsweise in einem in der Steuerung 100 enthaltenen, nicht gezeigten Speicher gespeichert werden, können geringfügige Fehlausrichtungen der Filterblöcke 46 bis 52 nachträglich korrigiert werden. Die Steuerung 100 berücksichtigt dann diese Korrekturgrößen bei der Ansteuerung des Schrittmotors 70.
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Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird im Folgenden auf die Genauigkeit eingegangen, mit der die Positioniereinrichtung 70 die Filterblöcke 46 bis 52 selektiv in die Zielposition bewegt. Diese Genauigkeit beeinflusst die Position des Leuchtfeldblendenbildes am Ort des Präparats 22. So wird die Leuchtfeldblende 34 über den dichromatischen Teilerspiegel 58 bzw. 60 auf das Präparat 22 abgebildet. Unterschiedliche Ausrichtungen der Filterblöcke 46 bis 52 an der Scheibe 42 führen zu Verschiebungen des Leuchtfeldblendenbildes am Ort des Präparats 22.
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Ein Drehen der Scheibe 42 bewirkt eine horizontale Bewegung des Leuchtfeldblendenbildes über das Präparat 22. Wird die Scheibe 42 um einen Winkel aus der Zielposition herausgedreht, so tritt das Lichtbündel um den gleichen Winkel δ schräg in das Objektiv 24 ein. Das vorher mittig auf dem Präparat 22 angeordnete Leuchtfeldblendenbild wird dadurch um eine Strecke d [mm] aus der Bildmitte versetzt. Dabei gilt: d = f·tanδ, worin f [mm] eine Bezugsbrennweite, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Brennweite der Tubuslinse 16, bezeichnet.
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Nimmt man nun an, dass die Anforderung an die Positionsgenauigkeit des Leuchtfeldblendenbildes am Ort des Präparats 22 darin besteht, dass beim Umschalten zwischen den verschiedenen Filterblöcken 46 bis 52 das Leuchtfeldblendenbild maximal um +/–Δy [mm] am Ort des Präparats 22 aus seiner mittigen Sollposition verschoben werden darf, so ergibt sich daraus für die maximale Winkelabweichung δ der Scheibe 42: δ = arctan (Δy/f).
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Die vorbestimmten Drehstellungen der Scheibe 42 müssen mit dieser Winkelgenauigkeit angefahren werden.
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Nimmt man weiter an, dass die Scheibe 42 einen Radius r [mm] hat, so entspricht der Winkel δ einer Strecke x [mm] auf dem Umfang der Scheibe 42, d. h. an der ersten Zahnung 80, in die der Zahnriemen 90 greift, wobei für x gilt: x = r·tanδ.
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Der Schlupf des Zahnriemens 90 auf der Scheibe 42 und der Zahnscheibe 74, d. h. das Spiel, das die Zahnung des Zahnriemens 90 gegenüber der ersten und der zweiten Zahnung 80, 76 aufweist, sollte kleiner als x sein.
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Nimmt man rein beispielhaft folgende Werte an: f = 200 mm, δy = 0,5 mm, r = 60 mm, so ergibt sich für x ein Wert von 0,15 mm.
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In 3 sind Ausführungsformen des Zahnriemens 90 mit unterschiedlichem Spiel x gezeigt. Die Zahnlückenformen nach 3 werden von oben nach unten auch als „Normal-Lücke”, „SE-Lücke” und „0-Lücke” bezeichnet. Dabei weist die SE-Lücke gegenüber der Normal-Lücke ein eingeengtes Flankenspiel auf. Bei der 0-Lücke ist das Spiel x gleich Null, d. h. der Zahnriemen 90 liegt formschlüssig an der Zahnung 80 bzw. 76 an.
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Je kleiner das Spiel x ist, desto höher ist die Positionierungsgenauigkeit, desto größer ist jedoch auch der mechanische Abrieb des Zahnriemens 90, der z. B. aus Gummi besteht. Die vorstehend erläuterte Ermittlung des Spiels x ermöglicht es, einen guten Kompromiss zwischen einer hinreichenden Positionierungsgenauigkeit und einem möglichst geringen Abrieb zu erzielen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fluoreszenzmikroskop
- 12
- Mikroskopkörper
- 14
- Tubus
- 16
- Tubuslinse
- 18
- CCD-Kamera
- 20
- Tisch
- 22
- Präparat
- 24
- Objektiv
- 26
- Lichtquelle
- 28
- Linse
- 30
- Linse
- 32
- Blende
- 34
- Blende
- 40
- Positioniereinrichtung
- 42
- Scheibe
- 44
- Drehachse
- 43
- Aufnahme
- 46
- Filterblock
- 48
- Filterblock
- 50
- Filterblock
- 52
- Filterblock
- 54
- Anregungsfilter
- 56
- Anregungsfilter
- 58
- dichromatischer Teilerspiegel
- 60
- dichromatischer Teilerspiegel
- 62
- Sperrfilter
- 64
- Sperrfilter
- 70
- Schrittmotor
- 72
- Motorwelle
- 74
- Zahnscheibe
- 76
- Zahnung
- 78
- Zähne
- 80
- Zahnung
- 82
- Zähne
- 90
- Zahnriemen
- 100
- Steuerung
- 102
- Gabellichtschranke
- 104
- Bedienelement
