DE102017115963A1 - Eindruckhärteprüfgerät - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Eindruckhärteprüfgerät (1) mit einem Eindringkörper (92), welches zusätzlich zu Mikroskopbildern (102) auch ein Übersichtsbild (100) erzeugt und ein Verfahren zum Aufnehmen eines Übersichtsbildes (100) und mehrerer Mikroskopbilder (102) im Bereich des Übersichtsbildes (100) zum genauen Positionieren der Härteprüfstellen auf der Probenoberfläche (42). Hierzu ist ein Übersichtsobjektiv (50) in dem Objektivrevolver (30) integriert und der Objektivrevolver (30) definiert relativ zu dem Gerätegestell (12) eine vordefinierte Objektivposition zur Bildaufnahme (34) senkrecht über der Probe (40) und eine oder mehrere inaktive Objektivpositionen (35), in welchen die jeweiligen Objektive außer Betrieb weggeschwenkt sind, wobei mittels Drehung des Objektivrevolvers (30) wechselweise eines der Mikroskopobjektive oder optische Komponenten des Übersichtsobjektivs (50) aus einer inaktiven Objektivposition (35) in die Objektivposition zur Bildaufnahme (34) senkrecht über der Probe (40) eingeschwenkt werden, um in derselben Objektivposition an derselben Stelle in der x-y-Ebene relativ zu dem Gerätegestell (12) mit dem jeweils eingeschwenkten Mikroskopobjektiv (32a-f) oder den optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs (50) und mit derselben optischen Strahlachse senkrecht zur x-y-Ebene das Übersichtsbild (100) und die Mikroskopbilder (102) von der Probenoberfläche (42) aufzunehmen.The invention relates to an indentation hardness tester (1) with an indenter (92) which, in addition to microscope images (102), also generates an overview image (100) and a method for recording an overview image (100) and several microscope images (102) in the region of the overview image ( 100) for accurately positioning the hardness test points on the sample surface (42). For this purpose, an overview objective (50) is integrated in the objective turret (30) and the objective turret (30) defines a predefined objective position for image recording (34) vertically above the sample (40) relative to the device frame (12) and one or more inactive objective positions (FIG. 35), in which the respective lenses are pivoted out of operation, wherein by rotation of the objective turret (30) alternately one of the microscope objectives or optical components of the overview lens (50) from an inactive lens position (35) in the lens position for image recording (34) vertically above the sample (40) are pivoted to the same lens position at the same location in the xy plane relative to the device frame (12) with the respective swiveled microscope objective (32a-f) or the optical components of the overview lens (50) and with the same optical Beam axis perpendicular to the xy plane the overview image (100) and the microscope images (10 2) from the sample surface (42).
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Eindruckhärteprüfgerät mit einem Eindringkörper, welches zusätzlich zu Mikroskopbildern auch ein Übersichtsbild erzeugt und ein Verfahren zum Aufnehmen eines Übersichtsbildes und mehrerer Mikroskopbilder im Bereich des Übersichtsbildes zum übersichtlichen und genauen Positionieren der Härteprüfstellen auf der Probenoberfläche.The invention relates to an indentation hardness tester having an indentor which, in addition to microscope images, also generates an overview image and a method for recording an overview image and a plurality of microscope images in the region of the overview image for clearly and accurately positioning the hardness test sites on the sample surface.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Eindruckhärteprüfgeräte, häufig einfach auch als Härteprüfer bezeichnet, sind Geräte, mit denen Vergleichstests zur Bestimmung der Härte an einer Probenoberfläche durchgeführt werden. Die Verfahren nach Shore, Vickers, Brinell oder Rockwell werden dabei typischerweise am häufigsten verwendet. Ein Eindruckhärteprüfgerät weist einen sogenannten Eindringkörper (Indenter) auf, mit welchem die Probe an ihrer Oberfläche mit einer definierten Kraft über einen vorgegebenen Zeitraum belastet wird. Der Eindringkörper hat hierzu eine definierte Probenspitze, welche je nach Härteprüfverfahren zum Beispiel pyramidenförmig, kegelförmig oder sphärisch ausgebildet sein kann. Der Eindringkörper hinterlässt dabei einen Eindruck oder Abdruck in der Probenoberfläche, dessen Tiefe und laterale Ausdehnung in der x-y-Ebene ein Maß für die Härte der Probe an der Prüfstelle ist. Beim Vickers-Härteprüfverfahren hat der Eindringkörper zum Beispiel eine pyramidenförmige Spitze, welche einen pyramidenförmigen Eindruck hinterlässt, wobei die Größe der idealerweise quadratischen Umrandung des Eindrucks an der Probenoberfläche ein Maß für die Härte der Probe an der Prüfstelle ist.Impression hardness testers, often simply referred to as hardness testers, are devices that perform comparative tests to determine hardness on a sample surface. The methods of Shore, Vickers, Brinell or Rockwell are typically used most frequently. An impression hardness tester has a so-called indenter, with which the sample is loaded on its surface with a defined force over a predetermined period of time. For this purpose, the indenter has a defined sample tip which, depending on the hardness test method, can be, for example, pyramidal, conical or spherical. The indenter leaves an impression or impression in the sample surface whose depth and lateral extent in the x-y plane is a measure of the hardness of the sample at the test site. For example, in the Vickers hardness test method, the indenter has a pyramidal tip which leaves a pyramidal impression, the size of the ideally square border of the indentation on the sample surface being a measure of the hardness of the specimen at the test site.
Inzwischen sind Eindruckhärteprüfgeräte am Markt verfügbar, welche mit einem Mikroskop und einem Computersystem ausgestattet sind, um die Prüfstellen mikroskopgestützt auf der Probenoberfläche zu positionieren und den Härteprüfvorgang gegebenenfalls teil- oder vollautomatisch durchführen zu können. Ein Beispiel für ein solches computergesteuertes Eindruckhärteprüfgerät ist der Carat
Derartige Eindruckhärteprüfgeräte besitzen typischerweise eine Mikroskopeinrichtung mit einem Objektivrevolver, an welchem mehrere Mikroskopobjektive mit unterschiedlichen Vergrößerungsfaktoren angeordnet sind, um die Probenoberfläche mit unterschiedlicher Vergrößerung betrachten zu können. Typische Mikroskopeinrichtungen für Eindruckhärteprüfgeräte weisen Mikroskopobjektive mit Vergrößerungsfaktoren von 2,5x bis 100x auf. Die zu untersuchende Probe wird auf einem Probentisch platziert, um sie mit der Mikroskopeinrichtung optisch zu untersuchen und die Härteprüfung durchzuführen. Der Eindringkörper kann dabei an einem Prüfkopf z.B. in dem Objektivrevolver integriert oder im Zentrum des Objektivrevolvers des Gerätegestells angebracht sein und wird typischerweise vertikal (in z-Richtung) mit einer vordefinierten Kraft von oben auf und in die Probenoberfläche gefahren, wobei eine Kraftmesszelle die Eindruckkraft misst. Der Probentisch ist typischerweise als x-y-Koordinatentisch ausgebildet, d.h. ist in der x-y-Ebene senkrecht zur Bewegung des Eindringkörpers (z-Richtung) zweidimensional verfahrbar, um die Probenoberfläche an jeder gewünschten Stelle untersuchen und prüfen zu können.Such impression hardness testers typically have a microscope device with a nosepiece on which a plurality of microscope objectives with different magnification factors are arranged in order to be able to view the sample surface with different magnification. Typical microscope devices for indentation hardness testers have microscope objectives with magnification factors of 2.5x to 100x. The sample to be examined is placed on a sample table to optically examine it with the microscope device and to perform the hardness test. The indenter can be attached to a test head, e.g. integrated in the objective turret or mounted in the center of the lens turret of the equipment rack and is typically driven vertically (in the z-direction) with a predefined force from above and into the sample surface, wherein a load cell measures the imprinting force. The sample table is typically formed as an x-y coordinate table, i. is two-dimensionally movable in the x-y plane perpendicular to the movement of the indenter (z-direction) in order to examine and test the sample surface at any desired location.
Die mit der Mikroskopeinrichtung aufgenommenen Mikroskopbilder decken typischerweise, selbst bei den kleinsten verfügbaren Vergrößerungsfaktoren der Mikroskopobjektive von zum Beispiel 5x oder 2,5x, einen relativ kleinen Ausschnitt der Probenoberfläche ab. So entspricht die Größe des Ausschnitts der Probenoberfläche die mit der Mikroskopeinrichtung mit einem 5x-Mikroskopobjektiv aufgenommen werden kann, typischerweise einer Größenordnung von etwa 2 mm x 2 mm. In solch kleinen Ausschnitten kann es für den Benutzer ggf. schwierig sein, sich zu orientieren. Zur Positionierung der Prüfstellen für die Härteprüfung kann es deshalb vorteilhaft sein, ein größerflächiges Übersichtsbild zu haben. Hierzu weisen einige Eindruckhärteprüfgeräte eine Übersichtskamera auf, welche achsparallel versetzt vor den Mikroskopobjektiven angeordnet ist. Dies hat den Nachteil, dass der Probentisch mit der Probe zur Aufnahme des Übersichtsbildes aus der Position in der die Mikroskopbilder aufgenommen werden weg nach vorne unter die von der Mikroskopbildaufnahmeposition in der x-y-Ebene entfernte Übersichtskamera verfahren werden muss, um dort das Übersichtsbild aufzunehmen und anschließend wieder zurück in die Mikroskopbildaufnahmeposition verfahren werden muss. Hieraus ergeben sich unter anderem Nachteile in Bezug auf die Präzision in der positionellen Zuordnung zwischen dem Übersichtsbild und den Mikroskopbildern. Darüber hinaus verlangsamt diese Vorgehensweise den Prüfablauf. Ferner wird ein Teil des Tischhubes für das Anfahren der Betrachtungsposition mit der Übersichtskamera „verbraucht“, mit anderen Worten entsteht ein Verlust von effektivem Tischhub.The microscope images taken with the microscope device typically cover a relatively small area of the sample surface, even at the smallest available magnification factors of the microscope objectives of, for example, 5x or 2.5x. Thus, the size of the section of the sample surface which can be recorded with the microscope device with a 5x microscope objective, typically of the order of about 2 mm × 2 mm. In such small sections, it may be difficult for the user to orient himself. For positioning the test points for hardness testing, it may therefore be advantageous to have a larger-area overview image. For this purpose, some impression hardness testers have an overview camera, which is arranged offset in the axial direction in front of the microscope objectives. This has the disadvantage that the sample table with the sample for recording the overview image from the position in which the microscope images are taken away must be moved forward under the overview camera remote from the microscope image recording position in the xy plane in order to record the overview image there and then must be moved back into the microscope image recording position. This results, among other disadvantages in relation to the precision in the positional association between the overview image and the microscope images. In addition, this procedure slows down the test procedure. Furthermore, a part of the table stroke for approaching the viewing position is "consumed" with the overview camera, in other words, there is a loss of effective table lift.
Bei anderen Eindruckhärteprüfsystemen wird die Probe zunächst mit einem der Mikroskopobjektive mit relativ geringem Vergrößerungsfaktor stückweise abgescannt, um eine Vielzahl von Mikroskopbildern entlang der interessierenden Bereiche der Probenoberfläche aufzunehmen. Anschließend wird die Vielzahl der mit dem Mikroskop aufgenommenen Mikroskopbilder aufwändig zu einem Kompositbild zusammengesetzt. Ein solches Verfahren ist in der
Nachteilig bei diesem Verfahren ist die erhebliche Zeitdauer, die für die Erzeugung des Kompositbildes, zusammengesetzt aus der Vielzahl von Mikroskopbildern, benötigt wird. Dieser Prozess zur Erzeugung des Kompositbildes kann bis zu mehreren Minuten dauern, da ggf. hunderte Mikroskopbilder aufgenommen werden müssen, um ein ausreichendes Kompositbild zu erzeugen. Ferner ist das Abscannen der Probenoberfläche, insbesondere sofern es manuell durchgeführt wird, mühsam. Darüber hinaus erfordert das Kompositbild eine hohe Speicherkapazität und Prozessorleistung zur Verarbeitung. Ein weiteres Problem liegt darin begründet, dass an den Bildübergängen der Mikroskopbilder, d.h. an den Kanten an denen die Mikroskopbilder zu dem Kompositbild zusammengesetzt werden, Positionsfehler entstehen können, was der Qualität des Kompositbildes abträglich sein kann.A disadvantage of this method is the considerable time required for the production of the composite image composed of the plurality of microscope images. This process for creating the composite image can take up to several minutes, since hundreds of microscope images may have to be taken in order to produce a sufficient composite image. Furthermore, the scanning of the sample surface, especially if done manually, is cumbersome. In addition, the composite image requires a high storage capacity and processing power for processing. Another problem is that at the image transitions of the microscope images, i. At the edges where the microscope images are assembled into the composite image, positional errors can occur, which can be detrimental to the quality of the composite image.
Alles in Allem sind die vorstehend beschriebenen Systeme in verschiedener Hinsicht verbesserungswürdig.All in all, the systems described above are in many ways in need of improvement.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Härteprüfgerät bereit zu stellen, welches ein schnelles, komfortables und übersichtliches, aber dennoch präzises Positionieren der Härteprüfstellen auf der Probenoberfläche und damit des gesamten Prüfprozesses ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a hardness tester which enables a fast, comfortable and clear but nevertheless precise positioning of the hardness test points on the sample surface and thus of the entire test process.
Eine weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, ein Härteprüfgerät bereit zu stellen, welches einfach und schnell ein hochwertiges Übersichtsbild der Probenoberfläche erzeugt, in welches ggf. eine präzise Bild-in-Bild-Einblendung des Live-Mikroskopbildes vorgenommen werden kann.A further aspect of the object is to provide a hardness tester which simply and quickly generates a high-quality overview image of the sample surface in which, if necessary, a precise picture-in-picture display of the live microscope image can be made.
Eine weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, ein Härteprüfgerät bereit zu stellen, welches einfach und schnell ein hochwertiges Übersichtsbild der Probenoberfläche erzeugt, und den Probentischhub in der x-y-Ebene je nach Positionierung des Eindringkörpers effektiv ausnutzt.A further aspect of the object is to provide a hardness tester which simply and quickly generates a high-quality overview image of the sample surface and effectively utilizes the sample table lift in the x-y plane, depending on the positioning of the indenter.
Eine weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Härteprüfgeräts bereit zu stellen, mittels welchem einfach, schnell und komfortabel ein hochwertiges Übersichtsbild der Probenoberfläche erzeugt und ggf. eine präzise Bild-in-Bild-Einblendung des Live-Mikroskopbildes vorgenommen werden kann, und wobei der Probentischhub in der x-y-Ebene je nach Positionierung des Eindringkörpers effektiv ausgenutzt werden kann.A further aspect of the object is to provide a method for operating a hardness tester by means of which a high-quality overview image of the sample surface can be generated simply and quickly and, if necessary, a precise picture-in-picture overlay of the live microscope image can be made , and wherein the sample table lift in the xy plane can be effectively utilized depending on the positioning of the indenter.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.The object of the invention is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the invention are defined in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird ein Eindruckhärteprüfgerät zur Härteprüfung bereit gestellt, mittels welchem die Oberflächenhärte von Proben, z.B. gemäß Vickers, Knoop, Brinell und/oder Rockwell gemessen werden kann. Das Eindruckhärteprüfgerät umfasst ein Gerätegestell, z.B. im Großen und Ganzen in C-Form und weist insbesondere einen Prüfkopf am oberen Teil des Gerätegestells auf. Das Eindruckhärteprüfgerät weist ferner einen Probentisch zum Platzieren oder Halten einer zu prüfenden Probe unter dem Prüfkopf auf. Der Prüfkopf kann, muss aber nicht, in z-Richtung (vertikal) beweglich sein, um einen Eindringkörper in die Probenoberfläche einzudrücken und/oder um die optischen Systeme auf die Probenoberfläche zu fokussieren. Alternativ kann auch der Probentisch vertikal bewegt werden, um diese Funktionen zu erfüllen.According to the invention, an indentation hardness tester is provided for hardness testing by which the surface hardness of samples, e.g. according to Vickers, Knoop, Brinell and / or Rockwell. The indentation hardness tester comprises a device frame, e.g. by and large in C-shape and in particular has a test head on the upper part of the equipment rack. The indentation hardness tester further includes a sample table for placing or holding a sample under test under the test head. The probe may, but need not, be movable in the z-direction (vertically) to indent an indenter into the sample surface and / or to focus the optical systems on the sample surface. Alternatively, the sample table can also be moved vertically to perform these functions.
Der Eindringkörper wird mit einer definierten Eindruckkraft in die Probenoberfläche der auf dem Probentisch platzierten Probe eingedrückt, um anhand des Eindrucks in die Probenoberfläche, insbesondere anhand seiner Ausdehnung in der x-y-Ebene, punktuell die Härte der Probenoberfläche zu bestimmen.The indentor is pressed into the sample surface of the sample placed on the sample table with a defined indentation force in order to determine the hardness of the sample surface on the basis of the impression in the sample surface, in particular on the basis of its extension in the x-y plane.
Das Eindruckhärteprüfgerät weist ferner eine Mikroskopeinrichtung mit einem oder mehreren Mikroskopobjektiven, insbesondere mit unterschiedlichen Vergrößerungsfaktoren und mit einer Mikroskopkamera zur Aufnahme von Mikroskopbildern der Probenoberfläche durch das oder die Mikroskopobjektive mit Vergrößerungsfaktor auf. Wenn verschiedene Mikroskopobjektive vorhanden sind, können Aufnahmen mit unterschiedlichen Vergrößerungsfaktoren aufgenommen werden. Insbesondere hat das bzw. haben die Mikroskopobjektive einen Vergrößerungsfaktor größer als 1x, insbesondere größer oder gleich 2,5x. Daher sind die mit den Mikroskopobjektiven aufgenommenen Bildausschnitte bei üblicher Größe einer eingebetteten Probe, z.B. in der Größenordnung von etwa 40 mm x 40 mm, allesamt erheblich kleiner als die gesamte Probenoberfläche. Ein 2,5x-vergrößerndes Mikroskopobjektiv bildet lediglich einen Bildausschnitt in der Größenordnung von etwa 3,4 mm x 2,7 mm und ein 50x-vergrößerndes Mikroskopobjektiv einen Bildausschnitt in der Größenordnung von etwa 170 µm x 140 µm ab. Die Mikroskopeinrichtung hat vorzugsweise mehrere Mikroskopobjektive mit Vergrößerungsfaktoren von 2,5x, 5x, 10x, 20x, 50x und/oder 100x.The impression hardness tester furthermore has a microscope device with one or more microscope objectives, in particular with different magnification factors, and with a microscope camera for recording microscope images of the sample surface through the microscope objective (s) with magnification factor. If different microscope lenses are available, images with different magnification factors can be recorded. In particular, this or the microscope objectives have a magnification factor greater than 1x, in particular greater than or equal to 2.5x. Therefore, the image areas taken with the microscope objectives are of the usual size of an embedded sample, e.g. in the order of about 40 mm x 40 mm, all considerably smaller than the entire sample surface. A 2.5x magnifying microscope objective forms only an image detail on the order of about 3.4 mm x 2.7 mm and a 50x magnifying microscope objective an image detail in the order of about 170 microns x 140 microns from. The microscope device preferably has a plurality of microscope objectives with magnification factors of 2.5x, 5x, 10x, 20x, 50x and / or 100x.
Das erfindungsgemäße Eindruckhärteprüfgerät weist zusätzlich zu der Mikroskopeinrichtung noch ein separates optisches Übersichtsabbildungssystem mit einem von dem oder den Mikroskopobjektiven unabhängigen Übersichtsobjektiv zur Aufnahme eines Übersichtsbildes der Probenoberfläche durch das Übersichtsobjektiv auf. Das Übersichtsobjektiv ist insbesondere ein Makroobjektiv, welches nicht vergrößert, sondern verkleinert, also einen „Vergrößerungsfaktor“ von kleiner als 1x aufweist. Der Abbildungsmaßstab der Mikroskopobjektive beträgt allesamt größer als 1x, insbesondere größer oder gleich als 2,5x, wohingegen der Abbildungsmaßstab des Übersichts- oder Makroobjektivs kleiner als 1x, vorzugsweise kleiner als 0,5x, vorzugsweise kleiner als 0,25x, z.B. im Bereich von 0,13x +/- 0,1 beträgt. Demnach bildet das Übersichtsbild einen erheblich größeren Teil der Probenoberfläche ab als das Mikroskopobjektiv mit der geringsten Vergrößerung. Das Übersichtsobjektiv bildet ggf., z.B. bei eingebetteten Proben, aber nicht zwingend, sogar die gesamte Probenoberfläche ab. Vorzugsweise bildet das Übersichtsbild einen Bereich der Probenoberfläche ab, welcher größer ist als 10 mm x 10 mm, vorzugsweise größer als 20 mm x 20 mm, vorzugsweise größer als 30 mm x 30 mm, z.B. einen Bereich der Probenoberfläche der Größe 42 mm x 42 mm.The impression hardness tester according to the invention also has a separate optical in addition to the microscope device Overview imaging system with an independent of the or the microscope objective overview lens for recording an overview image of the sample surface through the overview lens on. The overview lens is in particular a macro lens which does not enlarge, but downsizes, ie has a "magnification factor" of less than 1x. The magnification of the microscope objectives is all greater than 1x, in particular greater than or equal to 2.5x, whereas the magnification of the overview or macro objective less than 1x, preferably less than 0.5x, preferably less than 0.25x, eg in the range of 0th , 13x +/- 0.1. Accordingly, the overview image forms a considerably larger part of the sample surface than the microscope objective with the lowest magnification. If necessary, the overview objective may even cover the entire sample surface, eg with embedded samples, but not necessarily. The overview image preferably forms a region of the sample surface which is greater than 10 mm × 10 mm, preferably greater than 20 mm × 20 mm, preferably greater than 30 mm × 30 mm, for example a region of the sample surface of
Ferner weist das Eindruckhärteprüfgerät eine mechanische Objektiv-Wechseleinrichtung mit zumindest einem ersten und zweiten Objektiveinbauplatz auf, wobei das Mikroskopobjektiv an dem ersten Objektiveinbauplatz und zumindest Teile des Übersichtsobjektivs an dem zweiten Objektiveinbauplatz an- oder eingebaut sind. Die Objektiv-Wechseleinrichtung kann z.B. als Objektivrevolver ausgebildet sein und das Übersichts- oder Makroobjektiv ist vorzugsweise in den Objektivrevolver integriert.Furthermore, the indentation hardness tester has a mechanical objective changer device with at least one first and second objective mounting location, the microscope objective being attached to or mounted on the first objective mounting location and at least parts of the overview objective being mounted on the second objective mounting location. The lens changer may be e.g. be designed as a nosepiece and the overview or macro lens is preferably integrated into the nosepiece.
Die Objektiv-Wechseleinrichtung definiert in der x-y-Ebene relativ zu dem Gerätegestell eine definierte, nicht veränderliche Objektivposition zur Bildaufnahme senkrecht über der Probe, welche auch als aktive Objektivposition bezeichnet werden kann, und eine oder mehrere inaktive Objektivpositionen, in welcher momentan nicht benutzte Objektive aus dem Weg gebracht und sozusagen geparkt werden können. Im Falle eines Objektivrevolvers weist dieser insbesondere einen Kreisumfang mit einer bestimmten Anzahl an Objektiveinbauplätzen, z.B. zwischen 4 und 10 Objektiveinbauplätzen auf, welche alle auf dem Kreisumfang angeordnet sind, so dass durch Drehung des Objektivrevolvers, das jeweils gewünschte Objektiv in die, in der x-y-Ebene relativ zu dem Gerätegestell nicht veränderliche Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe geschwenkt werden kann.The lens changer defines in the xy plane relative to the apparatus frame a defined, non-variable lens position for image acquisition vertically above the sample, which may also be referred to as an active lens position, and one or more inactive lens positions in which lenses currently not in use be put on the way and parked so to speak. In the case of an objective turret, in particular, it has a circumference with a certain number of lens installation locations, e.g. between 4 and 10 lens mounting locations, which are all arranged on the circumference, so that by rotation of the nosepiece, the respective desired lens in the, in the x-y plane relative to the device frame non-variable lens position for image acquisition can be pivoted on the sample.
Demnach definiert die Objektiv-Wechseleinrichtung also zumindest eine erste und zweite Stellung, bzw. zumindest soviele Stellungen wie Objektiveinbauplätze, so dass je Stellung der Objektiv-Wechseleinrichtung eines der Objektive, oder zumindest optische Komponenten davon, in der in Bezug auf das Gerätegestell raumfesten Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe positioniert ist. Bezogen auf zumindest ein Mikroskopobjektiv und ein Übersichts- oder Makroobjektiv sind demnach in der ersten Stellung optische Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert und das Mikroskopobjektiv ist in einer inaktiven Objektivposition positioniert und in der zweiten Stellung ist das Mikroskopobjektiv in der, d.h. in derselben Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert und die optischen Komponenten des Übersichtsobjektiv sind in einer inaktiven Objektivposition positioniert. Somit können mittels einer Bewegung der Objektiv-Wechseleinrichtung wahlweise die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs oder das bzw. eines der Mikroskopobjektive aus der inaktiven Objektivposition in die Objektivposition zur Bildaufnahme bewegt werden, um je nach Stellung der Objektiv-Wechseleinrichtung, entweder die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs oder das bzw. eines der Mikroskopobjektive an derselben Position in der x-y-Ebene relativ zu dem Gerätegestell zu positionieren und an derselben Position in der x-y-Ebene relativ zu dem Gerätegestell sowohl mit dem Mikroskopobjektiv ein Mikroskopbild als auch ein Übersichtsbild mit dem Übersichtsobjektiv aufnehmen zu können, insbesondere ohne den Probentisch in der x-y-Ebene zu verfahren.Accordingly, the lens changing device thus defines at least a first and second position, or at least as many positions as lens mounting locations, so that each position of the lens changing device of the lenses, or at least optical components thereof, in the fixed relative to the device frame lens position to Image capture is positioned over the sample. With reference to at least one microscope objective and an overview or macro objective, in the first position optical components of the overview objective are positioned in the objective position for image acquisition and the microscope objective is positioned in an inactive objective position and in the second position the microscope objective is in the, i. positioned in the same lens position for imaging and the optical components of the overview lens are positioned in an inactive lens position. Thus, by means of a movement of the lens changing device, either the optical components of the overview lens or the or one of the microscope objectives from the inactive lens position can be moved to the lens position for image acquisition, depending on the position of the lens changing device, either the optical components of the overview lens or to position the or one of the microscope objectives at the same position in the xy plane relative to the device frame and to be able to record a microscope image as well as an overview image with the overview objective at the same position in the xy plane relative to the device frame both with the microscope objective; in particular without moving the sample table in the xy plane.
In vorteilhafter Weise kann somit mit dem Übersichtsabbildungssystem ein Übersichtsbild erzeugt werden, ohne die Probe unter der Objektivposition zur Bildaufnahme wegfahren zu müssen. Dadurch kann eine hohe Präzision der positionellen Zuordnung des oder der Mikroskopbilder innerhalb des Übersichtbildes gewährleistet werden. Ferner lässt sich die Verstellung der Objektiv-Wechseleinrichtung, z.B. die Drehung des Objektivrevolvers im Vergleich zu einer extensiven Verfahrung des x-y-Tisches relativ schnell vollziehen, was der Kürze der Messzeit zugutekommt. Insbesondere kann also vermieden werden, dass die Probe von der Position unter dem Mikroskopobjektiv zu einer in der x-y-Ebene entfernte Kameraposition weggefahren werden muss, um das Übersichtsbild aufzunehmen.In an advantageous manner, an overview image can thus be generated with the overview imaging system without having to drive away the sample under the objective position for image acquisition. As a result, high precision of the positional assignment of the microscope image or images within the overview image can be ensured. Furthermore, the adjustment of the objective changer, e.g. make the rotation of the objective turret relatively fast compared to extensive movement of the x-y stage, which benefits the short measurement time. In particular, it can thus be avoided that the sample must be moved away from the position under the microscope objective to a camera position removed in the x-y plane in order to record the overview image.
Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Übersichtsabbildungssystem gegenüber einem Zusammensetzen einer Vielzahl von Mikroskopbildern zu einem Kompositbild, wie dies in der
Trotzdem kann auf eine weitläufige Verschiebung des Probentisches, z.B. um einige Zentimeter, unter eine in der x-y-Ebene an anderer Stelle als die Mikroskopobjektive angebaute, also achsparallel zu den Mikroskopobjektiven versetzte Übersichtskamera verzichtet werden, um das Übersichtsbild aufzunehmen.Nevertheless, an extensive shift of the sample table, eg by a few centimeters, be omitted under a in the xy plane at another place than the microscope lenses attached, so axially parallel to the microscope lenses offset overview camera to record the overview image.
Mit anderen Worten können mit der Erfindung ein Übersichtsbild durch das Übersichtsobjektiv und zumindest ein hierzu zentriertes Mikroskopbild durch das Mikroskopobjektiv ohne, zumindest ohne wesentliche Verschiebung der Probe in der x-y-Ebene, d.h. ohne, zumindest ohne wesentliche Verschiebung des Probentisches in der x-y-Ebene aufgenommen werden. Dies soll selbstverständlich nicht ausschließen, dass der Probentisch im mikroskopischen Maßstab verschoben wird, um eine Mehrzahl an Live-Mikroskopbildern an verschiedenen Stellen der Probenoberfläche innerhalb des Übersichtbildes aufzunehmen. In jeden Fall kann der Hub des Probentisches für die Mikroskopaufnahmen und die Härteprüfung besser ausgenutzt werden und es wird nicht ein großer Teil des Probentischhubs für das Anfahren einer achsparallel versetzten Übersichtskamera „verschwendet“.In other words, the invention can provide an overview image through the overview objective and at least one microscope image centered thereon through the microscope objective without, at least without substantial displacement of the sample in the x-y plane, i. without being included in the x-y plane, at least without substantial displacement of the sample stage. Of course, this should not rule out that the sample table is moved on a microscopic scale in order to record a plurality of live microscope images at different locations on the sample surface within the overview image. In any case, the stroke of the sample table for the microscope images and the hardness test can be better utilized and it is not a large part of the sample table lift for starting an axially parallel offset survey camera "wasted".
Vorzugsweise weist das Übersichtsobjektiv eine optische Achse auf, welche eine quer oder senkrecht zur x-y-Ebene verlaufende optische Referenzachse definiert, wenn die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert sind. Die optische Achse des oder der Mikroskopobjektive wiederum fallen vorzugsweise identisch oder koaxial mit der optischen Referenzachse zusammen, wenn statt der optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs nun eines der Mikroskopobjektive in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert ist. Mit anderen Worten fallen die optischen Achsen des oder der Mikroskopobjektive mit der optischen Achse des Übersichtsobjektivs an der Probe koaxial zusammen, bezogen auf die jeweilige Stellung der Objektiv-Wechseleinrichtung in der das jeweilige Objektiv gerade in der einzigen und somit in derselben Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert ist. Dadurch kann eine hohe Präzision gewährleistet werden.The overview objective preferably has an optical axis which defines an optical reference axis extending transversely or perpendicular to the x-y plane when the optical components of the overview objective are positioned in the objective position for image recording. The optical axis of the microscope objective (s), in turn, preferably coincide identically or coaxially with the optical reference axis when, instead of the optical components of the overview objective, one of the microscope objectives is now positioned in the objective position for imaging. In other words, the optical axes of the microscope objective or lenses coincide with the optical axis of the overview objective on the sample coaxially with respect to the respective position of the objective changing device in which the respective objective is positioned in the single and thus in the same objective position for image acquisition , As a result, high precision can be ensured.
Vorzugsweise sind das optische System der Mikroskopeinrichtung und/oder des Übersichtsabbildungssystems senkrecht zur Probenoberfläche ausgerichtet, wenn das jeweils zugehörige Objektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert ist und die Probe auf dem Probentisch platziert ist, was der Präzision der Abbildung und der positionellen Zuordnung zuträglich ist.Preferably, the optical system of the microscope device and / or the overview imaging system are aligned perpendicular to the sample surface when the respective associated lens is positioned in the lens position for image recording and the sample is placed on the sample table, which is the precision of the image and the positional allocation beneficial.
Demgemäß fallen vorzugsweise zumindest ein Teil des Strahlengangs der Mikroskopeinrichtung, wenn das Mikroskopobjektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert ist, und zumindest ein Teil des Strahlengangs des Übersichtsabbildungssystems, wenn die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert sind, koaxial zusammen, was zur Präzision der Abbildung beiträgt.Accordingly, at least a part of the beam path of the microscope device when the microscope objective is positioned in the objective position for image acquisition, and at least part of the optical path of the overview imaging system when the optical components of the overview objective are positioned in the objective position for image acquisition coincide coaxially, resulting in Precision of the picture contributes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Übersichtsabbildungssystem eine von der Mikroskopkamera separate Übersichtskamera, mittels welcher das Übersichtsbild der Probenoberfläche durch das Übersichtsobjektiv aufgenommen wird, wenn die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert sind. Dabei bildet das Übersichtsobjektiv zumindest einen Teil des Linsensystems für die Übersichtskamera und der Strahlengang für die Übersichtskamera, wenn die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert sind, fällt insbesondere mit dem Strahlengang der Mikroskopeinrichtung, wenn das Mikroskopobjektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert ist, teilweise koaxial zusammen.According to a preferred embodiment, the overview imaging system comprises an overview camera separate from the microscope camera, by means of which the overview image of the sample surface is taken by the overview lens when the optical components of the overview lens are positioned in the lens position for image acquisition. In this case, the overview lens forms at least a part of the lens system for the overview camera and the beam path for the overview camera, when the optical components of the overview lens are positioned in the lens position for image capture, in particular coincides with the beam path of the microscope device when the microscope objective positioned in the lens position for image acquisition is, partly coaxially together.
Falls dies gewünscht ist, kann die Übersichtskamera eine höhere Auflösung aufweisen als die Mikroskopkamera, was einerseits eine hohe Bildqualität des Übersichtbildes und andererseits eine schnelle Bildverarbeitung der Mikroskopbilder in Einklang bringt. Z.B. kann die Mikroskopkamera einen ½-Zoll-Chip (z.B. CMOS) mit einer Auflösung von 1,3 oder 5 Megapixeln verwenden, während die Übersichtkamera eine 2/3-Zoll-Chip (z.B. CMOS) mit 5 Megapixeln, 10 Megapixeln oder sogar 18 Megapixeln verwendet. Trotzdem hält sich der Speicherbedarf für das Übersichtsbild ohne weitere Bildverarbeitung in praktikablen Grenzen.If desired, the overview camera can have a higher resolution than the microscope camera, which on the one hand brings a high image quality of the overview image and on the other hand a fast image processing of the microscope images in line. For example, For example, the microscope camera may use a ½ inch chip (eg CMOS) with a resolution of 1.3 or 5 megapixels, while the overview camera may use a 2/3-inch chip (eg CMOS) with 5 megapixels, 10 megapixels or even 18 megapixels used. Nevertheless, the memory requirements for the overview image remains within practical limits without further image processing.
Wie bereits vorstehend ausgeführt wurde, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Objektiv-Wechseleinrichtung als Objektivrevolver ausgebildet sein, welcher den ersten und zweiten und ggf. weitere Einbauplätze für die Objektive bereit stellt. Das Mikroskopobjektiv ist demnach an dem ersten Objektiveinbauplatz des Objektivrevolvers angebracht und die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs, also das Übersichtsobjektiv zumindest teilweise, an dem zweiten Objektiveinbauplatz des Objektivrevolvers auf demselben Kreisumfang, also im selben radialen Abstand zur Rotationsachse des Objektivrevolvers wie das Mikroskopobjektiv an- oder eingebaut. Ggf. weitere Mikroskopobjektive sind an weiteren Objektiveinbauplätzen auf demselben Kreisumfang, also im selben radialen Abstand zur Rotationsachse des Objektivrevolvers wie das Übersichts- oder Makroobjektiv angeordnet. Durch Drehung des Objektivrevolvers kann dann wechselweise entweder eines der Mikroskopobjektive oder das Übersichts- oder Makroobjektiv in die Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe eingeschwenkt werden und die jeweils anderen Objektive sind in inaktiven Objektivpositionen des Objektivrevolvers ausgeschwenkt. Die Integration des Übersichts- oder Makroobjektivs in den Objektivrevolver, insbesondere auf demselben Kreisumfang, also im selben radialen Abstand zur Rotationsachse des Objektivrevolvers wie das oder die Mikroskopobjektive hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um mit dem oder den Mikroskopobjektiven und dem Übersichts- oder Makroobjektiv an derselben x-y-Position relativ zu dem Gerätegestell des jeweils in die Objektivposition zur Bildaufnahme eingeschwenkten Objektivs die Probenoberfläche abzubilden.As already stated above, according to a preferred embodiment, the lens changing device can be designed as an objective turret, which provides the first and second and possibly further bays for the lenses. Accordingly, the microscope objective is attached to the first objective mounting location of the objective turret and the optical components of the overview objective, ie the overview objective at least partially, are attached or installed on the second objective mounting location of the objective turret on the same circumference, ie at the same radial distance from the axis of rotation of the objective revolver as the microscope objective , Possibly. Further microscope objectives are arranged on further lens installation sites on the same circumference, that is to say in the same radial distance from the axis of rotation of the objective revolver as the overview or macro objective. By rotation of the objective turret, either one of the microscope objectives or the overview or macro objective can then be alternately swiveled into the lens position for image acquisition above the sample and the other in each case Lenses are swung out in inactive lens positions of the nosepiece. The integration of the overview lens or macro objective in the nosepiece, in particular on the same circumference, ie the same radial distance from the axis of rotation of the nosepiece as the one or more microscope objectives has proved to be particularly advantageous to with the microscope objective and the overview or macro lens the same xy position relative to the device frame of each pivoted in the lens position for image pickup objective to image the sample surface.
Vorzugsweise umfasst die Mikroskopeinrichtung eine Mikroskop-Beleuchtungseinrichtung, welche die Probenoberfläche beleuchtet, wenn das Mikroskopobjektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe positioniert ist. Das Übersichtsabbildungssystem umfasst vorzugsweise eine zweite separate Übersichts-Beleuchtungseinrichtung, welche die Probenoberfläche beleuchtet, wenn die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe positioniert sind. In vorteilhafter Weise können separate Beleuchtungseinrichtungen separat an die unterschiedlichen Beleuchtungserfordernisse im Mikroskop- und Makrobereich angepasst werden.Preferably, the microscope device comprises a microscope illumination device which illuminates the sample surface when the microscope objective is positioned in the objective position for image acquisition above the sample. The overview imaging system preferably comprises a second separate overview illumination device which illuminates the sample surface when the optical components of the overview objective are positioned in the objective position for image acquisition above the sample. Advantageously, separate illumination devices can be adapted separately to the different illumination requirements in the microscope and macro range.
Die Beleuchtungseinrichtung der Mikroskopeinrichtung ist vorzugsweise als Koaxialbeleuchtung zur Hellfeldbeleuchtung ausgebildet, womit eine ausreichende Helligkeit auch bei hohe Vergrößerungsfaktoren erzielt werden kann. Hierzu kann z.B. eine Köhlersche LED-Beleuchtung eingesetzt werden. Die Beleuchtungseinrichtung des Übersichtsabbildungssystems leuchtet beispielsweise als Nicht-Koaxialbeleuchtung schräg auf die Probenoberfläche, um eine Dunkelfeldbeleuchtung zu bewirken. Dies ist einfach und vermeidet Reflexionen z.B. von polierten Metall-Probenoberflächen. Alternativ kann aber auch eine Hellfeldbeleuchtung verwendet werden.The illumination device of the microscope device is preferably designed as a coaxial illumination for bright field illumination, whereby a sufficient brightness can be achieved even at high magnification factors. For this, e.g. a Köhler LED lighting can be used. For example, the illumination device of the overview imaging system obliquely illuminates the sample surface as non-coaxial illumination to effect dark field illumination. This is simple and avoids reflections e.g. of polished metal sample surfaces. Alternatively, however, a bright field illumination can be used.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Übersichtsabbildungssystem dazu eingerichtet, das Übersichtbild nur in einem Lichtwellenlängenintervall aufzunehmen, welches kleiner ist als die Breite des sichtbaren Spektrums. Dadurch können chromatische Fehler in der Übersichtsoptik reduziert werden. Das Übersichtsbild wird auf einem Monitor in Schwarz-Weiß-Darstellung abgebildet. Vorzugsweise ist die Breite des Wellenlängenintervalls kleiner als 200 nm, vorzugsweise kleiner als 100 nm, z.B. wird das Übersichtbild mit Licht einer Wellenlänge von 630 nm +/- 30 nm aufgenommen.According to a preferred development of the invention, the overview imaging system is set up to record the overview image only in a light wavelength interval which is smaller than the width of the visible spectrum. As a result, chromatic errors in the overview optics can be reduced. The overview screen is displayed on a monitor in black and white. Preferably, the width of the wavelength interval is less than 200 nm, preferably less than 100 nm, e.g. the overview image is recorded with light of a wavelength of 630 nm +/- 30 nm.
Vorzugsweise beträgt die numerische Apertur im Objekt des Übersichtsabbildungssystems kleiner als 0,055, vorzugsweise kleiner als 0,04, bevorzugt kleiner als 0,025, besonders bevorzugt kleiner als 0,02, z.B. 0,016. Insbesondere ist die numerische Apertur des Übersichtsabbildungssystems kleiner als die numerische Apertur aller Mikroskopobjektive bzw. kleiner als die numerische Apertur des Mikroskopobjektivs mit dem kleinsten Vergrößerungsfaktor bzw. kleiner als die numerische Apertur der abbildenden Optik der Mikroskopeinrichtung.Preferably, the numerical aperture in the object of the overview imaging system is less than 0.055, preferably less than 0.04, preferably less than 0.025, more preferably less than 0.02, e.g. 0.016. In particular, the numerical aperture of the overview imaging system is smaller than the numerical aperture of all microscope objectives or smaller than the numerical aperture of the microscope objective with the smallest magnification factor or smaller than the numerical aperture of the imaging optics of the microscope device.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Optik des Übersichtsabbildungssystems eine für ein Makroobjektiv geringe Tiefenschärfe aufweist. Durch die geringe Tiefenschärfe kann trotz senkrechter Betrachtung von metallisch spiegelnden Probenoberflächen mit dem Übersichts- oder Makroobjektiv ein hoher Kontrast des Übersichtsbildes gewährleistet werden.It has proved to be particularly advantageous if the optics of the overview imaging system have a depth of focus which is small for a macro objective. Due to the shallow depth of field, a high contrast of the overview image can be ensured despite perpendicular viewing of metallically specimen surfaces with the overview or macro objective.
Eine geringe Vergrößerung geht typischerweise allerdings mit einer geringen numerischen Apertur einher, d.h. je kleiner der Vergrößerungsfaktor ist, desto kleiner ist typischerweise die numerische Apertur. Eine geringe numerische Apertur bewirkt allerdings typischerweise eine große Tiefenschärfe. Das Übersichtsobjektiv weist daher bei einem Faktor von 0,13x trotz dieses Verkleinerungsfaktors eine verhältnismäßig geringe Tiefenschärfe aufgrund der numerischen Apertur von 0,016 auf. Vorzugsweise beträgt für das Übersichtsobjektiv das Verhältnis aus Abbildungsmaßstab geteilt durch die numerische Apertur kleiner oder gleich
Insbesondere wird ein Übersichtsobjektiv mit einer Brennweite verwendet, die kleiner ist als die Brennweite eines Mikroskopobjektivs mit einem Vergrößerungsfaktor von 1x. Das Übersichtsobjektiv weist vorzugsweise einen Vergrößerungsfaktor von kleiner als 1x und eine Brennweite von kleiner als 160 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 100 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 50 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 25 mm, z.B. etwa 14 mm +/- 10 mm. In particular, an overview lens is used with a focal length that is smaller than the focal length of a microscope objective with a magnification factor of 1x. The overview objective preferably has a magnification factor of less than 1x and a focal length of less than 160 mm, preferably less than or equal to 100 mm, preferably less than or equal to 50 mm, particularly preferably less than or equal to 25 mm, e.g. about 14 mm +/- 10 mm.
Die Baulänge (der Abstand der Unterkante des entsprechenden Objektivs von dem zugehörigen Kamerachip) des Übersichtsabbildungssystems ist vorzugsweise kleiner als die Baulänge des optischen Systems der Mikroskopeinrichtung. Die Baulänge des Übersichtsabbildungssystems ist vorzugsweise kleiner oder gleich 300 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 200 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 150 mm. Die Baulänge des optischen Systems der Mikroskopeinrichtung ist vorzugsweise größer als 300 mm.The overall length (the distance of the lower edge of the corresponding lens from the associated camera chip) of the overview imaging system is preferably smaller than the overall length of the optical system of the microscope device. The overall length of the overview imaging system is preferably less than or equal to 300 mm, preferably less than or equal to 200 mm, particularly preferably less than or equal to 150 mm. The overall length of the optical system of the microscope device is preferably greater than 300 mm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Mikroskopeinrichtung einen ersten Strahlteiler, welcher im Strahlengang der Mikroskopeinrichtung angeordnet ist und über welchen gleichzeitig das eingestrahlte Licht der Mikroskop-Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Probenoberfläche durch das Mikroskopobjektiv in den Mikroskop-Strahlengang eingekoppelt und über welchen das von dem Mikroskopobjektiv gesammelte abbildende Licht von der Probenoberfläche in die Mikroskopkamera ausgekoppelt wird, wenn das Mikroskopobjektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe positioniert ist, um ein Mikroskopbild aufzunehmen. Dadurch kann das Licht der Mikroskop-Beleuchtungseinrichtung durch das jeweils eingeschwenkte Mikroskopobjektiv hindurch auf den jeweils abgebildeten Ausschnitt eingestrahlt werden und unabhängig vom Vergrößerungsfaktor des jeweils eingeschwenkten Mikroskopobjektivs in der Hellfeldbeleuchtung eine hohe Lichtstärke gewährleistet werden.According to a preferred embodiment of the invention, the microscope device comprises a first beam splitter, which is arranged in the beam path of the microscope device and via which at the same time the irradiated light of the Microscope illumination device for illuminating the sample surface by the microscope objective coupled into the microscope beam path and over which the light collected by the microscope objective imaging light is coupled from the sample surface into the microscope camera when the microscope objective is positioned in the lens position for image acquisition on the sample to take a microscope picture. As a result, the light of the microscope illumination device can be irradiated through the respectively pivoted-in microscope objective onto the respectively depicted cutout and a high light intensity can be ensured independently of the magnification factor of the respectively pivoted microscope objective in the bright field illumination.
Sofern das Übersichtsabbildungssystem eine von der Mikroskopkamera separate Übersichtskamera umfasst, mittels welcher das Übersichtsbild der Probenoberfläche durch das Übersichtsobjektiv aufgenommen wird, wenn die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme positioniert sind, ist es vorteilhaft, wenn das Übersichtsabbildungssystem einen zweiten Strahlteiler umfasst, welcher im Strahlengang des Übersichtsabbildungssystems angeordnet ist. Über diesen zweiten Strahlteiler wird das durch das Übersichtsobjektiv gesammelte abbildende Licht von der Probenoberfläche in die Übersichtskamera ausgekoppelt, wenn die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe positioniert sind, um das Übersichtsbild aufzunehmen. Mit anderen Worten fallen die Strahlengänge des oder der Mikroskopobjektive und des Übersichts- oder Makroobjektivs von der Probenoberfläche bis zu dem zweiten Strahlteiler, also teilweise, koaxial zusammen, wenn das jeweilige Objektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme eingeschwenkt ist und der zweite Strahlteiler teilt die Strahlengänge in einem stationären Teil der Optik über dem Objektivrevolver auf, um das Bild der Probenoberfläche je nach eingeschwenktem Objektiv auf die Mikroskopkamera oder auf die Übersichtskamera abzubilden. Anders ausgedrückt, trennt der zweite Strahlteiler den Strahlengang der Mikroskopeinrichtung und den Strahlengang des Übersichtsabbildungssystems.If the overview imaging system comprises an overview camera separate from the microscope camera, by means of which the overview image of the sample surface is taken by the overview lens, when the optical components of the overview lens are positioned in the lens position for image acquisition, it is advantageous if the overview imaging system comprises a second beam splitter, which is arranged in the beam path of the overview imaging system. The imaging light collected by the overview objective is coupled out of the sample surface into the overview camera via this second beam splitter when the optical components of the overview objective are positioned in the objective position for image recording above the sample in order to record the overview image. In other words, the beam paths of the microscope objective (s) and of the overview or macro objective coincide, ie partially, coaxially, from the sample surface to the second beam splitter when the respective objective is pivoted into the objective position for image acquisition and the second beam splitter splits the beam paths into a stationary part of the optics on the nosepiece to image the image of the sample surface depending on pivoted lens on the microscope camera or on the overview camera. In other words, the second beam splitter separates the beam path of the microscope device and the beam path of the overview imaging system.
Vorzugsweise umfasst das Eindruckhärteprüfgerät eine Hubmechanik mittels welcher eine vertikale Relativverschiebung zwischen dem am Prüfkopf befestigten Eindringkörper und dem Probentisch durchgeführt wird, um
- i) das mit der Mikroskopeinrichtung aufgenommene Mikroskopbild bezüglich der Probenoberfläche zu fokussieren, wenn das Mikroskopobjektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe positioniert ist und/oder
- ii) das mit dem Übersichtsabbildungssystem aufgenommene Übersichtsbild bezüglich der Probenoberfläche zu fokussieren, wenn die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe positioniert bzw. eingeschwenkt sind und/oder
- iii) den Eindringkörper mit der definierten Eindruckkraft in die Probenoberfläche einzudrücken.
- i) focusing the microscope image taken with the microscope device with respect to the sample surface when the microscope objective is positioned in the objective position for image acquisition above the sample and / or
- ii) focusing the overview image taken with the overview imaging system with respect to the sample surface when the optical components of the overview objective are positioned or pivoted in the objective position for image acquisition over the sample and / or
- iii) press the indenter into the sample surface with the defined indentation force.
Hierzu kann entweder der Prüfkopf oder der Probentisch vertikal verschoben werden, was auch als „movable head“ bzw. „movable stage“ bezeichnet wird.For this purpose, either the probe or the sample table can be moved vertically, which is also referred to as "movable head" or "movable stage".
Insbesondere umfasst das Eindruckhärteprüfgerät einen in einer x-y-Ebene zweidimensional, vorzugsweise computergesteuert und/oder manuell verfahrbaren Probentisch, an welchem insbesondere eine Probenhalterung befestigbar oder befestigt ist, um die Probe computergesteuert und/oder manuell zweidimensional in der x-y-Ebene unter dem Mikroskopobjektiv zu bewegen, um den jeweils interessierenden Bildausschnitt auf die Mikroskopkamera abzubilden, wenn das Mikroskopobjektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe positioniert bzw. eingeschwenkt ist.In particular, the indentation hardness tester comprises a sample table which can be fastened or fastened in particular in a xy-plane, preferably computer-controlled and / or manually, to which the sample can be computer-controlled and / or manually moved two-dimensionally in the xy plane under the microscope objective in order to image the respective image section of interest to the microscope camera when the microscope objective is positioned or pivoted in the objective position for image acquisition above the sample.
Besonders vorteilhaft für die Bedienung durch den Benutzer ist es, wenn eine Computersoftware das mit dem Übersichtsabbildungssystem aufgenommene Übersichtsbild speichert und das gespeicherte Übersichtsbild auf einem Monitor darstellt und das momentan mit der Mikroskopeinrichtung aufgenommene Live-Mikroskopbild als Bild-in-Bild-Einblendung in das gespeicherte Übersichtsbild live einblendet. Der Benutzer kann dann aus dem - nicht aus Mikroskopbildern zusammengesetzten - Übersichtsbild in das momentane durch das momentan eingeschwenkte Mikroskopobjektiv aufgenommene Live-Bild hineinzoomen, um die genauen Stellen für die Härteprüfung zu markieren, die dann ggf. vollautomatisch angefahren werden. Wenn nun ein anderes Mikroskopobjektiv mit einem anderen Vergrößerungsfaktor eingeschwenkt wird, wechselt die Größe des Rahmens der Live-Einblendung in dem gespeicherten Übersichtsbild und es kann wiederum in das neue Live-Bild hineingezoomt werden. Selbstverständlich kann auch der Probentisch in der x-y-Ebene verfahren werden, was zu einer Verschiebung des Rahmens mit der Live-Einblendung in dem Übersichtsbild führt.It is particularly advantageous for the operation by the user when a computer software stores the overview image recorded with the overview imaging system and displays the stored overview image on a monitor and the live microscope image currently recorded with the microscope device as a picture-in-picture overlay into the stored image Overview screen appears live. The user can then zoom in from the overview image, which is not composed of microscope images, into the instantaneous live image recorded by the currently swiveled microscope objective in order to mark the exact locations for the hardness test, which are then approached fully automatically if necessary. If another microscope objective is then swiveled in at a different magnification factor, the size of the frame of the live overlay changes in the stored overview image and it can in turn be zoomed into the new live image. Of course, the sample table can also be moved in the x-y plane, which leads to a shift of the frame with the live overlay in the overview image.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird also ein Eindruckhärteprüfgerät zur Härteprüfung an Probenoberflächen bereit gestellt, welches umfasst:
- ein Gerätegestell mit einem Prüfkopf,
- einen Probentisch, auf welchem die zu prüfende Probe, z.B. mittels einer Probenhalterung, platzierbar ist,
- einen Eindringkörper zum Eindrücken in die Probenoberfläche der auf dem Probentisch platzierten Probe mit einer definierten Eindruckkraft, um anhand des Eindrucks oder Abdrucks in der Probenoberfläche die Härte der Probenoberfläche zu bestimmen,
- eine Mikroskopeinrichtung mit einer Mikroskop-Beleuchtungseinrichtung, mit einem oder mehreren Mikroskopobjektiven und einer Mikroskopkamera zur Aufnahme von Mikroskopbildern der Probenoberfläche durch jeweils eines der Mikroskopobjektive mit einem Vergrößerungsfaktor größer als eins,
- ein optisches Übersichtsabbildungssystem mit einem Übersichtsobjektiv und einer Übersichtskamera zur Aufnahme eines verkleinerten Übersichtsbildes der Probenoberfläche durch das Übersichtsobjektiv, um einen wesentlich größeren Bereich der Probenoberfläche zu erfassen als mit dem oder den Mikroskopobjektiven,
- einen Objektivrevolver mit zwei oder mehr Objektiveinbauplätzen, wobei das Mikroskopobjektiv an einem ersten der Objektiveinbauplätze und zumindest Teile des Übersichtsobjektivs an einem zweiten der Objektiveinbauplätze an- oder eingebaut sind,
- wobei der Probentisch und der Prüfkopf in einer x-y-Ebene relativ zueinander verschiebbar sind, um jede Stelle auf der Probenoberfläche zur Betrachtung und Härteprüfung anfahren zu können,
- wobei der Probentisch und der Prüfkopf in z-Richtung relativ zueinander verschiebbar sind, um das oder die Mikroskopobjektive und/oder das Übersichtsobjektiv auf die Probenoberfläche zu fokussieren,
- wobei der Objektivrevolver relativ zu dem Gerätegestell eine vordefinierte Objektivposition zur Bildaufnahme senkrecht über der Probe und eine oder mehrere inaktive Objektivpositionen, in welchen die jeweiligen Objektive außer Betrieb weggeschwenkt sind, definiert, und wobei das Makroobjektiv auf demselben Umfang wie das oder die Mikroskopobjektive in den Objektivrevolver integriert ist, so dass mittels Drehung des Objektivrevolvers wechselweise eines der Mikroskopobjektive oder das Makroobjektiv aus einer der inaktiven Objektivpositionen in die Objektivposition zur Bildaufnahme senkrecht über der Probe eingeschwenkt wird, um in derselben Objektivposition an derselben Stelle in der x-y-Ebene relativ zu dem Gerätegehäuse und mit derselben objektivseitigen Strahlachse senkrecht zur x-y-Ebene mit dem jeweils eingeschwenkten Mikroskopobjektiv oder Makroobjektiv das Übersichtsbild und die Mikroskopbilder von der Probenoberfläche aufzunehmen,
- wobei zumindest ein Strahlteiler umfasst ist, welcher die Strahlengänge der Mikroskopeinrichtung und des Übersichtsabbildungssystems ausgehend von einer objektivseitig zusammenfallenden Strahlachse zu der Mikroskopkamera einerseits und zu der Übersichtskamera andererseits aufteilt.
- a device frame with a test head,
- a sample table on which the sample to be tested can be placed, eg by means of a sample holder,
- a penetrator for impressing into the sample surface of the sample placed on the sample table with a defined impression force in order to determine the hardness of the sample surface on the basis of the impression or impression in the sample surface,
- a microscope device with a microscope illumination device, with one or more microscope objectives and a microscope camera for taking microscope images of the sample surface through in each case one of the microscope objectives with a magnification factor greater than one,
- an optical overview imaging system with an overview objective and an overview camera for recording a reduced overview image of the sample surface through the overview objective in order to acquire a substantially larger area of the sample surface than with the microscope objective (s),
- a nosepiece having two or more lens mounting locations, wherein the microscope objective is attached to or installed at a first one of the lens mounting locations and at least portions of the overview objective are mounted to a second one of the lens mounting locations;
- wherein the sample table and the test head are displaceable relative to one another in an xy plane in order to be able to approach each point on the sample surface for viewing and hardness testing,
- wherein the sample table and the test head are displaceable relative to one another in the z direction in order to focus the microscope objective (s) and / or the overview objective onto the sample surface,
- wherein the nosepiece relative to the device frame defines a predefined lens position for imaging vertically above the specimen and one or more inactive lens positions in which the respective lenses are tilted out of operation, and wherein the macro lens is on the same circumference as the one or more microscope objectives in the nosepiece is integrated, so that by rotation of the nosepiece alternately one of the microscope objectives or the macro lens is pivoted from one of the inactive lens positions in the lens position for image recording vertically above the sample to the same lens position at the same point in the xy plane relative to the device housing and to record the overview image and the microscope images from the sample surface with the same lens-side beam axis perpendicular to the xy plane with the respectively pivoted-in microscope objective or macro objective
- wherein at least one beam splitter is included, which divides the beam paths of the microscope device and the overview imaging system starting from an objectively coincident beam axis to the microscope camera on the one hand and to the overview camera on the other hand.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufnehmen eines Übersichtsbildes und mehrerer Mikroskopbilder im Bereich des Übersichtsbildes an Probenoberflächen, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Härteprüfgeräts mit einem Gerätegestell, einem Probentisch, einem Eindringkörper, einer Mikroskopeinrichtung mit zumindest einem Mikroskopobjektiv, einem optischen Übersichtsabbildungssystem mit einem Übersichtsobjektiv, ggf. einer Probenhalterung und einer Objektiv-Wechseleinrichtung, insbesondere wie vorstehend beschrieben,
- Betätigen der Objektiv-Wechseleinrichtung und damit Positionieren von optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme senkrecht über der Probe,
- Aufnehmen eines Übersichtsbildes mit dem Übersichtsabbildungssystem,
- Speichern des Übersichtsbildes,
- Betätigen der Objektiv-Wechseleinrichtung und dadurch Positionieren des Mikroskopobjektivs in der Objektivposition zur Bildaufnahme über der Probe und Positionieren der optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs in einer inaktiven Objektivposition,
- Aufnehmen eines oder mehrerer Mikroskopbilder mit der Mikroskopeinrichtung, wobei sich der jeweils vergrößert abgebildete Ausschnitt der Probe in der x-y-Ebene an derselben Objektivposition zur Bildaufnahme relativ zu dem Gerätegestell befindet, an welcher die optischen Komponenten des Übersichtsobjektivs bei der Aufnahme des Übersichtsbildes positioniert waren.
- Providing a hardness tester with a device frame, a sample table, an indenter, a microscope device with at least one microscope objective, an optical overview imaging system with an overview objective, possibly a sample holder and an objective changer, in particular as described above,
- Actuating the objective changing device and thus positioning optical components of the overview objective in the objective position for image recording vertically above the sample,
- Recording an overview image with the overview imaging system,
- Saving the overview picture,
- Actuating the objective changing device and thereby positioning the microscope objective in the objective position for imaging above the sample and positioning the optical components of the overview objective in an inactive objective position,
- Recording one or more microscope images with the microscope device, wherein each enlarged enlarged portion of the sample is in the xy plane at the same lens position for image acquisition relative to the device frame, on which the optical components of the overview lens were positioned when taking the overview image.
Mittels der Software kann das momentan mit der Mikroskopeinrichtung aufgenommene Live-Bild in das zuvor aufgenommene und gespeicherte Übersichtsbild eingeblendet werden und zwar anhand der Probentischkoordinaten an der richtigen Stelle in dem Übersichtsbild.By means of the software, the live image currently recorded with the microscope device can be superimposed into the previously recorded and stored overview image, specifically on the basis of the sample table coordinates at the correct position in the overview image.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.In the following, the invention will be described with reference to exemplary embodiments and with reference to FIG the figures explained in more detail, wherein the same and similar elements are partially provided with the same reference numerals and the features of the various embodiments can be combined.
Figurenlistelist of figures
Es zeigen:
-
1 eine teilweise transparente perspektivische Darstellung eines Eindruckhärteprüfgeräts gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, -
2 eine vereinfachte schematische Frontansicht eines Eindruckhärteprüfgeräts gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, -
3 eine vereinfachte schematische Seitenansicht des Eindruckhärteprüfgeräts aus2 , -
4 eine Ausschnittsvergrößerung aus3 , -
5 eine perspektivische Darstellung des Objektivrevolvers, -
6 eine schematische Schnittdarstellung durch den Prüfkopf entlang der SchnittlinieA-A in2 mit dem Übersichtsobjektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme, -
7 wie6 , wobei jedoch anstatt des Übersichtsobjektivs eines der Mikroskopobjektive in die Objektivposition zur Bildaufnahme eingeschwenkt ist, -
8 eine schematische Schnittdarstellung durch den Objektivrevolver entlang der Schnittlinie B-B in3 mit dem Übersichtobjektiv in der Objektivposition zur Bildaufnahme, -
9 wie8 , wobei jedoch wie in7 anstatt des Übersichtsobjektivs eines der Mikroskopobjektive in die Objektivposition zur Bildaufnahme eingeschwenkt ist, -
10 ein Übersichtsbild, aufgenommen mit dem Übersichtsobjektiv in der in6 und8 dargestellten Stellung des Objektivrevolvers, mit live eingeblendetem Mikroskopbild, aufgenommen mit einem der Mikroskopobjektive in der in7 und9 dargestellten Stellung des Objektivrevolvers, -
11 eine Darstellung des hineingezoomten Live-Mikroskopbildes aus 10 .
-
1 a partially transparent perspective view of an indentation hardness tester according to an embodiment of the invention, -
2 a simplified schematic front view of an indentation hardness tester according to an embodiment of the invention, -
3 a simplified schematic side view of theindentation hardness tester 2 . -
4 an excerpt from3 . -
5 a perspective view of the nosepiece, -
6 a schematic sectional view through the test head along the section lineAA in2 with the overview lens in the lens position for image recording, -
7 as6 , but instead of the overview objective, one of the microscope objectives is pivoted into the objective position for image recording, -
8th a schematic sectional view through the nosepiece along the section line BB in3 with the overview lens in the lens position for image recording, -
9 as8th , however, as in7 instead of the overview objective, one of the microscope objectives is pivoted into the objective position for image acquisition, -
10 an overview picture, taken with the overview lens in the in6 and8th shown position of the objective revolver, with live superimposed microscope image, recorded with one of the microscope objectives in the7 and9 illustrated position of the nosepiece, -
11 a representation of the zoomed-inlive microscope image 10 ,
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Bezugnehmend auf
An dem oberen Schenkel
Bezugnehmend auf die
Bezugnehmend auf
Die optische Achse
Dadurch kann durch lediglich einfaches Drehen des Objektivrevolvers
Selbstverständlich können die übrigen Mikroskopobjektive
Bezugnehmend auf die
In der in
In dem dargestellten Beispiel sind optische Komponenten des Übersichts- oder Makroobjektivs
In der in
Der Objektivrevolver
Wieder bezugnehmend auf die
Da die optischen Systeme des Eindruckhärteprüfgeräts
Hierzu trägt auch die Trennung der Strahlengänge
Im vorliegenden Beispiel erzeugt das Übersichtsabbildungssystem
Die Baulänge du des Übersichtsabbildungssystems
Die Brennweite des Übersichtsobjektivs
Das Übersichts- oder Makroobjektiv
Bezug nehmend auf
Bezug nehmend auf
Bezugnehmend auf die
Zusammenfassend vereint das hier vorgestellte Eindruckhärteprüfgerät
Das dynamische Livebild
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.It will be apparent to those skilled in the art that the above-described embodiments are to be read by way of example, and that the invention is not limited to them, but that they can be varied in many ways without departing from the scope of the claims. It is also to be understood that the features, independently as they are disclosed in the specification, claims, figures, or otherwise, also individually define essential components of the invention, even if described together with other features.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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