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Die Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung und ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Auf dem Gebiet der Lichtmikroskopie werden abzubildende Proben während einer Bildaufnahme in beziehungsweise auf transparenten Probenträgern gehalten. Diese Probenträger weisen eine üblicherweise ebene Grenzfläche auf, die senkrecht oder in einer definierten sonstigen Winkellage gegenüber der optischen Achse eines für die Bildaufnahme verwendeten Objektivs ausgerichtet sind.
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Dabei kann die Höhe unterschiedlicher Probenträger, die beispielsweise als Mikrotiterplatten, Glasplatten (Deckgläser), Objektträger oder Petrischalen ausgebildet sein können, deutlich differieren. Außerdem ist es möglich, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen der Probenträger verschiedene Höhen selbst bei Probenträgern gleichen Typs zu berücksichtigen sind. Unterschiedliche Höhen können aufgrund von Fertigungstoleranzen auch innerhalb der Ausdehnung eines Probenträgers sowie zwischen Probenträgern eines Fertigungsloses auftreten. In vielen Fällen weisen die Böden der Probenträger auch Wölbungen auf, die mehr 100 µm betragen können.
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Während einer Bilderfassung wird ein jeweiliger Probenträger in einer Halterung eines Probentisches gefasst oder auf den Probentisch aufgelegt. Neben den unterschiedlichen Höhen (Dicken) der Probenträger können diese auch dabei auch fehlerhaft eingesetzt und dadurch verkippt sein. Unerwünschte Neigungen kann der Probenträger auch infolge der bereits genannten Fertigungstoleranzen aufweisen.
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Bei den meisten Verfahren der Mikroskopie ist es erforderlich, dass ein für die Erfassung von Bilddaten verwendetes Objektiv nahe an die abzubildende Probe und den transparenten Probenträger herangeführt werden muss. Zusätzlich wird der Abstand zwischen Objektiv und Probe während des Fokussierens verändert. Außerdem werden oft Objektiv und Probe relativ zueinander bewegt, um beispielsweise einen größeren Bereich der Probe abzubilden. Bei all diesen Relativbewegungen besteht die Gefahr, dass Objektiv und Probe beziehungsweise Probenträger miteinander kollidieren und Beschädigungen sowohl der Probe als auch der verwendeten technischen Elemente auftreten.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen mindestens ein fokussierter Strahl oder ein kollimierter Strahl in einen scharf umgrenzten Lichtfleck (Spot) auf den Probenträger gerichtet wird. Eine beim Auftreffen des Strahls auf dem Probenträger hervorgerufene Reflektion wird mittels eines geeigneten Detektors erfasst und aus der Lage insbesondere mehrerer Reflektionen zueinander wird auf die Geometrie sowie eine Oberflächenstruktur des Probenträgers geschlossen. Beispiele für solche punktförmigen Beleuchtungen finden sich in
US 4,390,277 A ,
US 5,251,010 A und
WO 2013/034812 A1 .
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Die im Stand der Technik beschriebenen Lösungen erfordern jeweils optische Elemente zum Fokussieren der Strahlen. Wird eine energiereiche Strahlung verwendet, müssen zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, um eine Schädigung des Nutzers oder Dritter zu verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zur Messung von Abständen zwischen einem Probenträger und optischen Elementen eines Mikroskops vorzuschlagen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile behoben werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Abstandsmessvorrichtung und durch ein Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Abstandsmessvorrichtung dient der Verwendung auf dem Gebiet der Mikroskopie und weist einen Probentisch zur Anordnung eines Probenträgers in einer Probenebene auf. Weiterhin ist mindestens eine, vorzugsweise aber mindestens zwei Beleuchtungsquellen zur Bereitstellung einer Messstrahlung vorhanden, die an einer Oberfläche des Probenträgers zumindest anteilig reflektiert wird beziehungsweise reflektiert werden kann. Die Oberfläche wirkt dabei als eine optische Grenzfläche. Mit einer ebenfalls vorhandenen Detektionsoptik können sowohl ein Übersichtsbild als auch auftretende Reflexe an dem Probenträger erfasst werden, der sich in der Probenebene befindet. Der Detektionsoptik ist in einem Detektionsstrahlengang ein Detektor nachgeordnet, der zur ortsaufgelösten Erfassung von Bilddaten des Probenträgers und auftretender Reflexe geeignet ist. Ein solcher Detektor weist eine Vielzahl von Detektorelementen in einer Detektionsebene auf, die vorzugsweise einzeln ausgelesen werden können. Beispiele für solche Detektoren sind CCD-, CMOS- und sCMOS-Detektoren sowie Anordnungen einer Anzahl von Einzeldetektoren wie zum Beispiel PMT- oder SPAD-arrays. Die Detektionsoptik, die nachfolgend vereinfachend auch als Übersichtskamera bezeichnet wird, ist nicht zwingend mit einem Objektiv des Mikroskops identisch, das zur eigentlichen mikroskopischen Bilderfassung dient. Es können Übersichtskamera und Objektiv des Mikroskops vorhanden sein. Eine ebenfalls vorhandene Auswertevorrichtung ist zur Ermittlung mindestens eines Abstands und/oder einer Verkippung (Kipplage) der Oberfläche an wenigstens einem Ort des Probenträgers aufgrund der ortsaufgelösten Bilddaten sowie der Kenntnis der Positionen der Beleuchtungsquellen relativ zur Detektonsoptik konfiguriert. Die Auswertevorrichtung ist beispielsweise ein Rechner (z. B. PC, FPGA) oder ein dafür konfiguriertes Kompartiment eines Rechners. Die Auswertevorrichtung kann als Bestandteil, beispielsweise als Untereinheit oder Kompartiment einer Steuerung ausgeführt sein.
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Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist die Abstandsmessvorrichtung dadurch, dass die Beleuchtungsquellen die Messstrahlung jeweils unter einem divergenten Winkel abstrahlen.
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Der Winkelbereich, unter dem die Messstrahlung abgestrahlt wird, beträgt beispielsweise mindestens 15°. In weiteren Ausführungen der Abstandsmessvorrichtung kann der Winkelbereich mindestens 35°, beispielsweise 45°, 60° oder einschließlich 90° betragen.
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Im Gegensatz zur Lehre des Standes der Technik ist erkannt worden, dass auch Reflexe aus divergent abstrahlenden Beleuchtungsquellen zur Ermittlung eines Abstands des Probenträgers und optional auch zur Ermittlung dessen räumlicher Ausrichtung, insbesondere in Hinblick auf Verkippungen, mit einer hohen Präzision verwendet werden können. Vorteilhaft ist dabei, dass bei Verwendung divergent abstrahlender Beleuchtungsquellen keine optischen Elemente zur Fokussierung erforderlich sind. Außerdem können preiswerte Lichtquellen mit geringer (Strahl-)Qualität verwendet werden. Auf Sicherheitsmaßnahmen, wie sie für energiereiche Strahlung, zum Beispiel Laserlicht, erforderlich sind, kann vorteilhaft verzichtet werden. Die Lichtquellen können außerdem als Beleuchtungselemente verwendet werden, während die Probe beispielsweise mittels des Objektivs des Mikroskops abgebildet wird.
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Erfindungsgemäß wird der Umstand ausgenutzt, dass eine Messstrahlung, beispielsweise sichtbares Licht, selbst an transparenten Oberflächen mit einem geringen Anteil reflektiert wird (sogenannte Glanzlichter). Zentrale Idee der Erfindung ist es, solche Glanzlichter von definiert am Stativ eines Mikroskops angebrachten Beleuchtungsquellen mittels eines geeigneten Detektors zu erfassen. Die Auswertung der Position dieser Glanzlichter im erfassten Bild erlaubt es, die Lage des Probenträgers zu bestimmen.
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Beispielsweise kann eine untere Fläche, also die nach unten gerichtete Seitenfläche beziehungsweise der Boden eines Probenträgers mit der Messstrahlung beleuchtet und dessen Abstand sowie optional dessen Kipplage (Verkippung) ermittelt werden.
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Nachfolgend wird unter einer Beleuchtungsquelle jedes technische Element und jede physikalische Wirkung verstanden, mittels der eine Messstrahlung in vorbestimmter Weise auf die Probenebene und eine optional dort befindliche Probe gelangt. Eine Beleuchtungsquelle kann dabei selbst eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED, OLED oder eine Lampe, beispielsweise eine Halogenlampe, sein. Als Beleuchtungsquelle wird auch eine Abbildung einer Lichtquelle verstanden. So kann beispielsweise die einer Lichtquelle entstammende Messstrahlung teilweise oder gänzlich mittels Spiegeln weitergeleitet und in Richtung der Probenebene gestrahlt sein (virtuelle Beleuchtungsquelle, siehe unten). Jede Beleuchtungsquelle ist vorteilhaft so klein, dass diese mit nur wenigen Detektorelementen (Pixel) der Übersichtskamera erfasst werden können.
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Die Anordnungen der Beleuchtungsquellen bezüglich ihrer räumlichen Lage relativ beispielsweise zu einer Übersichtskamera sind bekannt und bleiben in einer einfachen Ausführung der Erfindung ortsfest. In weiteren Ausführungen können die Beleuchtungsquellen ortsveränderlich sein, wodurch eine höhere Flexibilität der Vorrichtung erreicht wird. In jedem Fall sind aber die Positionen der Beleuchtungsquellen bekannt._Dadurch ist es möglich, die Lage der beleuchteten Grenzfläche und deren Ausrichtung in Hinblick auf ihre beispielsweise horizontale Lage, mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln. Im Anschluss kann die Ausrichtung und/oder die axiale Position des Probenträgers in Richtung senkrecht zur Probenebene korrigiert werden.
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Mit einer Kalibrierung lässt sich ein Zusammenhang zwischen einem Koordinatensystem der Detektionsoptik und einem Mikroskop, insbesondere einem Objektiv des Mikroskops, herstellen. Mittels einer Messung des auf den Probentisch aufgelegten Probenträgers lässt sich die Ausrichtung seiner den Beleuchtungsquellen zugewandten Grenzfläche ermitteln, womit ein sicheres, kollisionsfreies Anfahren der Probe beziehungsweise des Probenträgers ermöglicht wird.
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Die Detektionsoptik bildet das am Probenträger reflektierte Bild der Beleuchtungsquelle auf den Detektor ab. Es ist dabei nicht erforderlich, dass sich der Reflex im Fokus der Detektionsoptik befindet. Die Größe der Beleuchtungsquelle wird ausreichend klein gewählt, sodass im Zusammenwirken mit der Detektionsoptik eine Lichtverteilung auf dem Detektor bewirkt wird, der jeweils eine eindeutige Position auf dem Detektor zugeordnet werden kann.
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Im Gegensatz zu Lichtflecken (Spots) fokussierten Lichts des Standes der Technik sind Abbildungen von Glanzlichtern großflächig, da sich die gespiegelten Bilder der Lichtquelle meist nicht im Fokus der Detektionsoptik befinden. Um deren Position auf dem Detektor zu bestimmen, kann in einem einfachen Fall eine Lokalisierung eines Intensitätsmaximums erfolgen. Es ist auch möglich, den Schwerpunkt der durch die Lichtquelle hervorgerufenen Lichtverteilung auf dem Detektor zu definieren.
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Vorteilhaft kann es sein, eine Verrechnung von zwei oder mehreren Bildern vorzunehmen, bei der die Beleuchtungsquelle ein- und ausgeschaltet ist. Die Bildaufnahme mit ausgeschalteter Beleuchtungsquelle kann somit als Hintergrundsignal verwendet werden, das vom eigentlichen Signalbild mit eingeschalteter Beleuchtungsquelle abgezogen werden kann.
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Glanzlichter, die auf Grund von Mehrfachreflexionen an Proben- oder Halterstrukturen entstehen, weichen in ihrer Form und Größe von erwarteten Ausprägungen von Glanzlichtern ab und können somit erkannt und ausgeschlossen werden. Dies gilt auch für Grenzflächen, die durch Verschmutzungen optisch aufgeraut sind oder durch eine starke Krümmung die Bedingung einer ebenen Grenzfläche nicht erfüllen. Um derartige Abweichungen zu erkennen, können Eigenschaften von erwarteten Glanzlichtern, wie Form und Größe, ermittelt und abrufbar gespeichert werden. Erwartete Eigenschaften können zum Beispiel mittels einer Referenzprobe (siehe auch unten) oder einer Simulation ermittelt werden.
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Weiterhin können solche Glanzlichter genutzt werden, die durch mehrere unterschiedliche Grenzflächen beeinflusst sind. Beispiels zeigt sich bei mit einer Flüssigkeit gefüllten Vertiefungen (Petrischale; Multiwellplatte, Mikrotiterplatte) ein markanter Sekundär-Reflex, der Präsenz und Füllstand der Flüssigkeit anzeigt.
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Um den Abstand des Probenträgers von der Detektionsoptik oder einem anderen vorab bestimmten Referenzpunkt zu ermitteln, reicht im Grunde eine Beleuchtungsquelle aus. Allerdings können mit nur einem Glanzlicht keine Abweichungen des Probenträgers von einer vorbestimmten Ausrichtung (Verkippung), insbesondere einer horizontalen Lage, festgestellt werden. Eine Verkippung und der Abstand des Probenträgers kann bereits mit den erfassten Glanzlichtern zweier Beleuchtungsquellen ermittelt werden. Dabei ist es notwendig die Position der Beleuchtungsquellen gegenüber der optischen Achse der Detektionsoptik zu kennen, z. B. mittels einer Kalibrierung, die mit der Vermessung der Glanzlichterpositionen an einer definiert ausgerichteten und positionierten Referenzprobe erfolgt. Als Referenzprobe kann vorteilhaft ein optischer Spiegel verwendet werden.
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Um Verkippungen in zwei Raumrichtungen beziehungsweise unabhängig von der Lage der Glanzlichter relativ zur Richtung der Verkippung ermitteln zu können, können in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Abstandsmessvorrichtung mindestens drei Beleuchtungsquellen vorhanden sein, von denen mindestens eine abseits einer virtuellen Verbindungslinie (Gerade) wenigstens zweier weiterer Beleuchtungsquellen angeordnet ist. Die infolge der mindestens drei Beleuchtungsquellen bewirkten Reflexe (Glanzlichter) bilden daher auf der beleuchteten Grenzfläche des Probenträgers die Eckpunkte eines Dreiecks. Sind mehr Beleuchtungsquellen vorhanden beziehungsweise genutzt, bilden die Reflexe entsprechende Polygone oder Muster.
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Um Verkippungen und Abstände des Probenträgers in einer rechnerisch einfachen Weise zu ermitteln, ist es vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsquellen in einem identischen Abstand zur Detektionsoptik angeordnet sind.
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Wie oben beschrieben ist es mittels der Erfindung möglich, Glanzlichter für eine Bestimmung von Abständen zwischen Probenträger und beispielsweise einer Detektionsoptik, zum Beispiel einer Übersichtskamera, zu nutzen. Vorteilhaft dabei ist, wenn die Detektionsoptik senkrecht zur Probenebene ausgerichtet und nicht telezentrisch ausgebildet ist. In diesem Fall ist eine Distanz der erfassten Reflexe von einem frei gewählten Referenzpunkt, beispielsweise vom Mittelpunkt der Detektionsebene des Detektors, abhängig von dem Abstand des Probenträgers von der Detektionsoptik. Daher können die Relationen der Distanzen genutzt werden, um den Abstand des Probenträgers zu ermitteln.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung kann erhalten werden, wenn die Beleuchtungsquellen einzeln gesteuert schaltbar sind. In einer solchen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Glanzlichter einzeln und eindeutig den jeweiligen Beleuchtungsquellen zugeordnet erfasst und ausgewertet werden.
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Die elektrisch schaltbaren Lichtquellen, die auch direkt als Beleuchtungsquellen fungieren können, sind vorteilhaft als LED (light emitting diode) ausgeführt. LED's sind preiswerte optische Bauteile, die einen großen Abstrahlwinkelbereich aufweisen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Arbeitsabstand der Abstandmessvorrichtung im Bereich der Abgleichlänge eines klassischen Objektivs eines Mikroskops liegt. In diesem Fall sind bei einem Wechsel des Objektivs keine oder nur geringe laterale und/oder axiale Neupositionierung des Probenträgers notwendig.
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Um in weiteren Ausführungen der Vorrichtung optische Bauteile einzusparen, kann eine Mehrzahl von Beleuchtungsquellen durch eine gemeinsame Lichtquelle mit der Messstrahlung versorgt sein. Dies kann realisiert sein, indem in einem Strahlengang der Lichtquelle ein Strahlteiler vorhanden ist, durch dessen Wirkung die Messstrahlung auf mehrere Teilstrahlengänge aufgeteilt wird und die Teilstrahlengänge zu unterschiedlichen Beleuchtungsquellen führen. Eine Aufteilung kann beispielsweise mittels eines 50/50-Strahlteilers erfolgen. Mit einer solchen Ausführung ist es optional möglich, eines der Glanzlichter entlang einer optischen Achse insbesondere des Strahlteilers auf den Probenträger zu erzeugen. Dieses infolge der senkrecht in die Probenebene projizierten Messstrahlung bewirkte Glanzlicht sowie ein zweites, abseits der optischen Achse bewirktes Glanzlicht können zur Abstandsmessung und/oder zur Ermittlung einer Kipplage des Probenträgers verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist in dem Abstrahlbereich der Beleuchtungsquelle ein Spiegel angeordnet, durch den ein Anteil der abgegebenen Messstrahlung auf einen anderen Ort des Probenträgers gelenkt wird als der verbliebenen Anteil. Auf diese Weise wirkt der Spiegel als eine virtuelle Beleuchtungsquelle.
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Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem mit einem Verfahren zur Ermittlung einer räumlichen Ausrichtung eines Probenträgers gelöst. Im einfachsten Fall ist die Ausrichtung des Probenträgers durch seinen Abstand beispielsweise von einer Detektionsoptik oder relativ zu einem anderen bekannte Bezugspunkt einer verwendeten Vorrichtung, beispielsweise einer erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung, gegeben. Das Verfahren umfasst die nachfolgenden Schritte. In einem Schritt erfolgt ein Beleuchten eines in einer Probenebene angeordneten Probenträgers mit einer Messstrahlung mindestens einer, vorzugsweise mindestens zweier Beleuchtungsquellen. Dabei wird die Messstrahlung jeweils unter einem divergenten Winkel in Richtung des Probenträgers abgegeben.
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Die an einer Oberfläche (Grenzfläche) des Probenträgers auftretenden Reflexe der divergent abgestrahlten Messstrahlung werden in einer Übersichtsaufnahme erfasst und als Bilddaten ortsaufgelöst detektiert. Aufgrund der zweidimensionalen Bilddaten sowie der Kenntnis der Positionen der Beleuchtungsquellen relativ zur Detektionsoptik wird mindestens ein Abstand der Oberfläche an wenigstens einem Ort des Probenträgers ermittelt.
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Es ist auch möglich, wenn auch aufwändiger, den Abstand des Probenträgers an einer Vielzahl von Orten zu ermitteln. Dazu kann der Probenträger für die einzelnen Messungen relativ zu den Beleuchtungsquellen und der Detektionsoptik verschoben werden. Die jeweils ermittelten Werte werden den jeweiligen Orten zugeordnet gespeichert. Auf diese Weise wird eine Karte der Abstände (z. B. als z-Werte) erhalten, aus der sich eine Topografie der beleuchteten Grenzfläche des Probenträgers sowie dessen Ausrichtung ableiten lässt. Um nicht den gesamten Probenträger engmaschig zu vermessen, können einzelne Bereiche vermessen und als Stützstellen beispielsweise für ein Modell genutzt werden, mit dessen Hilfe die Topografie des Probenträgers simuliert wird.
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Um in einer weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Oberflächenform und/oder eine Ausrichtung des Probenträgers zu ermitteln, wird an mindestens zwei verschiedenen Orten des Probenträgers ein Abstand ermittelt. Aus den dabei erhaltenen Werten kann eine Ausrichtung in wenigsten einer Richtung ermittelt werden, in der die beiden Orte liegen. Unter einer Ausrichtung wird dabei eine Lage relativ zu einer ersten Richtung in der Probenebene verstanden. Eine Ausrichtung kann also eine Verkippung oder eine parallele Positionierung relativ zur Probenebene sein. Auch hier kann eine Karte des Probenträgers erstellt werden, in die Verkippungen für eine Mehrzahl von Orten erfasst sind.
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Es können natürlich auch Karten erzeugt werden, in den ortsbezogen sowohl Abstände als auch Verkippungen aufgeführt sind.
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Um die Ausrichtung des Probenträgers in zwei zueinander senkrechten Richtungen der Probenebene ermitteln zu können, kann der Probenträger mit Messstrahlung von mindestens drei Beleuchtungsquellen beleuchtet werden. Von den mindestens drei Beleuchtungsquellen ist mindestens eine abseits einer virtuellen Verbindungslinie (Gerade) wenigstens zweier der Beleuchtungsquellen angeordnet. Die Beleuchtungsquellen bilden beispielsweise die Eckpunkten eines virtuellen Dreiecks.
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Ein Abstand des Probenträgers kann aus der Entfernung der Positionen der erfassten Glanzlichter der Beleuchtungsquellen zueinander ermittelt werden, wenn eine nicht telezentrische Beobachtungsoptik verwendet wird. Eine Verkippung des Probenträgers relativ zur Probenebene kann anhand einer Entfernung der Positionen der erfassten Glanzlichter zu einem bestimmten Referenzpunkt ermittelt werden.
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Sowohl die Ist-Werte eines ermittelten Abstands als auch eine Verkippung des Probenträgers können ausgewertet und mit entsprechenden Soll-Werten verglichen werden, um eventuelle Abweichungen kompensieren zu können. Weichen die Ist-Werte stärker als zulässig von vorbestimmten Soll-Werten ab, können entsprechende Steuerbefehle generiert werden, um beispielsweise einen verstellbaren Probentisch anzusteuern, auf dem der Probenträger gehalten ist. Alternativ kann die Lage des Probenträgers manuell korrigiert werden.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere in der Möglichkeit, mit geringem technischen Aufwand die axiale Position (Abstand bezogen auf die Detektionsrichtung, z-Richtung) und eventuelle Verkippungen eines Probenträgers ermitteln zu können. Die so erhaltenen Informationen zur Ausrichtung des Probenträgers erlauben Relativbewegungen beispielsweise des Probenträgers und einer vorhandenen Optik zur Erfassung mikroskopischer Abbildungen zueinander, ohne dass diese miteinander kollidieren. Die gewonnenen Informationen insbesondere hinsichtlich auftretender Verkippungen können zudem für eine Nivellierung des Probenträgers, insbesondere zu dessen Ausrichtung parallel zur Probenebene, genutzt werden. Die Erfindung kann leicht in bestehende Vorrichtungen implementiert werden und ist durch einen Nutzer leicht anwendbar.
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Weitere Vorteile der Erfindung liegen darin begründet, dass die Ermittlung der Ausrichtung des Probenträgers mittels einer Übersichtskamera erfolgt und daher unabhängig von einem Objektiv ist, das für die eigentliche Bildgebung entsprechend des jeweiligen mikroskopischen Verfahrens verwendet wird. Die Detektionsoptik weist einen hohen Arbeitsabstand zur Probenebene auf und besitzt einen großen Messbereich im Bereich von Zentimetern. Daher besteht keine Kollisionsgefahr zwischen Probenträger und Detektionsoptik. Die Erfindung ist für alle Probenformate geeignet, die eine im Wesentlichen ebene, teilreflektierende Oberfläche aufweisen, wie dies zum Beispiel bei Glasträgern, Petrischalen, Multiwellplatten beziehungsweise Mikrotiterplatten der Fall ist. Wird die Ausgestaltung einer Kartierung der Grenzfläche des Probenträgers gewählt, können auch Probenformate genutzt werden, die Abweichungen von einer ebenen Form aufweisen. Die Erfindung erlaubt den Einsatz preiswerter und leicht ansteuerbarer Beleuchtungsquellen, für die zudem keine erhöhten Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen.
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Mögliche Anwendungen der Erfindung liegen beispielsweise in einer schnellen Vermessung einer ersten Kollisionsebene und damit einhergehend einer Kollisionsvermeidung an einem motorisierten Mikroskop zwischen Mikroskopobjektiv (Objektiv) und Probenträger. Die Kenntnis eines axialen Abstands und eventueller Verkippungen des Probenträgers unterstützt zudem die Fokussierung einer abzubildenden Probe, da der axiale Abstand des Probenträgers einen sehr gut geeigneten Startwert einer Fokussierung, insbesondere einer automatisierten Fokussierung, bietet. Außerdem kann der Probenträger an jedem Ort hinreichend orthogonal zur optischen Achse des Mikroskopobjektivs ausgerichtet werden. Neben dem Erkennen der Ausrichtung und eventueller lokaler Besonderheiten des Probenträgers, beispielsweise Wölbungen sowie optisch aufgerauter Bereiche, können die erhaltenen Messdaten des Probenträgers für eine korrekte Navigation basierend auf einem Übersichtsbild des Probenträgers beziehungsweise der Probe verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung sowie der Ermittlung von axialen Abständen zwischen Probenträger und Beleuchtungsquellen sowie einem Detektor;
- 2 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung sowie der Ermittlung einer lateralen Verkippung des Probenträgers relativ zu den Beleuchtungsquellen und dem Detektor;
- 3 eine schematische Darstellung des Effekts eines verkippten Probenträgers auf die Position eines abgebildeten achsnahen Reflexes in einer Detektorebene;
- 4 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei laterale Verkippungen des Probenträgers in zwei Raumrichtungen relativ zu den Beleuchtungsquellen und dem Detektor mittels einer Mehrzahl von Beleuchtungsquellen und Glanzlichtern ermittelt werden;
- 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung, bei dem zwei Beleuchtungsquellen durch eine Lichtquelle gespeist werden;
- 6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung, bei dem zwei Beleuchtungsquellen durch eine Lichtquelle gespeist werden;
- 7 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung, bei dem der Detektor Teil einer telezentrischen Detektionsoptik ist; und
- 8 eine schematische Darstellung der Wirkung einer Verkippung des Probenträgers auf die Position eines abgebildeten Reflexes in einer Detektorebene in der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung gemäß des dritten Ausführungsbeispiels.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine erfindungsgemäße Abstandsmessvorrichtung 2 ist insbesondere Bestandteil eines Mikroskops 1 (nur angedeutet gezeigt) und umfasst als wesentliche Elemente eine Detektionsoptik 4 in Form einer Übersichtskamera sowie zwei divergent abstrahlende Beleuchtungsquellen 7, die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch je eine separate und individuell ansteuerbare Lichtquelle 6 in Form von LED's gebildet sind (1).
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Eine von den Beleuchtungsquellen 7 in einem Abstrahlwinkel γ von beispielsweise 30° abgegebene Messstrahlung MS beleuchtet einen in einer Probenebene PE auf einem Probentisch 12 angeordneten Probenträger 5, der beispielsweise durch ein Deckglas, den Boden einer Petrischale oder einer Multiwellplatte gebildet ist. Die Beleuchtungsquellen 7 sind beispielsweise etwa 70 mm von der Probenebene PE entfernt angeordnet und beleuchten einen Bereich von etwa 20 mm im Durchmesser. Dabei überlappen sich die erzeugten Glanzlichter 8.1, 8.2 nicht und können als jeweils separate Glanzlichter 8.1, 8.2 erkannt werden.
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In 1 ist der Probenträger 5 in zwei Betriebslagen I und II gezeigt, die jeweils entlang der optischen Achse oA der Detektionsoptik 4 angegeben sind. Die erste Betriebslage I weist einen ersten Abstand Z von der Detektionsoptik 4 auf. Die zweite Betriebslage II ist um eine Distanz Δz weiter von der Detektionsoptik 4 entfernt. Die Detektionsoptik 4 ist in den Ausführungsbeispielen zu den 1 bis 6 nicht telezentrisch.
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Es soll zuerst angenommen werden, dass sich der Probenträger 5 in der ersten Betriebslage I befindet. Die Messstrahlungen MS jeder der Beleuchtungsquellen 7 gelangen auf die den Beleuchtungsquellen 7 zugewandten Seitenfläche des Probenträgers 5 und werden dort jeweils mindestens anteilig reflektiert, sodass in den Bereichen des Auftreffens der Messstrahlungen MS jeweils ein Reflex oder Glanzlicht 8 auftritt und auf dem Detektor sichtbar wird. Zur Veranschaulichung sind ein erstes Glanzlicht 8.1 und ein zweites Glanzlicht 8.2 angedeutet.
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Die Bilder der beiden Glanzlichter 8.1, 8.2 werden mittels der Detektionsoptik 4 erfasst die durch eine beispielhaft gezeigte Blende 4.1 (Lochkamera) auf eine Detektionsebene DE eines ortsauflösenden Detektors 4.2 geführt wird. Mittels des Detektors 4.2 werden die Bilder der Glanzlichter 8.1 und 8.2 detektiert, wie dies auf der rechts eingefügten Draufsicht auf die Detektionsebene DE für die erste Betriebslage I dargestellt ist. In dieser Darstellung sind vereinfacht eine Anzahl Detektorelemente 4.3 des Detektors 4.2 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass ein Bild eines Glanzlichtes 8.n jeweils von mehreren Detektorelementen 4.3 erfasst wird.
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Zur Orientierung sind zusätzlich eine horizontale und eine vertikale Hilfsmittellinie gezeigt. In den weiteren Abbildungen der Detektorebene DE (1, 2, 5 bis 8) sind der besseren Übersichtlichkeit halber nur die Hilfsmittellinien gezeigt.
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Vorteilhaft sind die Beleuchtungsquellen 7 hinreichend klein, sodass die jeweiligen Glanzlichter 8 im Zusammenwirken mit der Detektionsoptik 4 so auf dem Detektor 4.2 abgebildet werden können, dass deren Bilder (der Einfachheit halber auch mit 8.n, mit n = 1, 2,..., n bezeichnet) eindeutig identifiziert und den jeweiligen Beleuchtungsquellen 7 zugeordnet werden können. Es ist dabei vorteilhaft, aber nicht erforderlich, dass die Glanzlichter 8.n im Fokus der Detektionsoptik 4 entstehen. Es ist jedoch erforderlich, dass die Abbildungen der Beleuchtungsquellen (Glanzlichter) als einzelne Strukturen in ihrer Lage auf dem Detektor bestimmt werden können.
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Am Beispiel des Ausführungsbeispiels der 1 kann gezeigt werden, dass sich die Bilder der Glanzlichter 8.n einander annähern, wenn sich der Abstand zwischen Probenträger 5 und der Detektionsoptik 4 vergrößert. Befindet sich der Probenträger 5 in der ersten Betriebslage I in einem Abstand Z, so weisen die Bilder der Glanzlichter 8.1 und 8.2 eine Distanz Δx1 zueinander auf.
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Befindet sich dagegen der Probenträger 5 in der zweiten Betriebslage II mit einem Abstand Z+Δz, so ist die Distanz Δx2 zwischen den Bildern geringer als die Distanz Δx1.
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Die jeweiligen Distanzen Δxn werden ermittelt, indem eine Positionsbestimmung der jeweiligen Glanzlichter 8.1, 8.2 in der Detektorebene DE durchgeführt wird. Dazu können ein Intensitätsmaximum und/oder ein Schwerpunkt SP (siehe dazu 2 und 5) sowie deren Position der jeweiligen Bilder der Glanzlichter 8.n ermittelt werden.
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Ein Zusammenhang zwischen den ermittelten Distanzen Δxn und den zugehörigen Abständen Z beziehungsweise Z+Δz kann in Form einer Berechnungsvorschrift, also einer mathematischen Funktion, und/oder in Form von Tabellen (z.B. look-up-table) rechnerisch oder experimentell ermittelt und für eine Verwendung vorgehalten werden.
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Die Abstandsmessvorrichtung 2 umfasst optional eine Steuerung 9, die zum Generieren von Steuerbefehlen konfiguriert ist. Außerdem sind Kompartimente der Steuerung 9 dazu konfiguriert, um mittels des Detektors 4.2 erfasste Bilddaten zu speichern und auszuwerten. Beispielsweise kann die Steuerung 9 dazu eingerichtet und konfiguriert sein, um eine Positionsbestimmung der Bilder der Glanzlichter 8.n durchzuführen. Die Steuerung 9 kann außerdem mit dem Probentisch 12 verbunden sein und diesen bei Bedarf ansteuern.
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Die Steuerung 9 kann zusätzlich dazu ausgelegt sein, anhand vorgegebener Parameter solche Bilder von Glanzlichtern 8.n zu erkennen, die vollständig oder teilweise infolge von Mehrfachreflexionen an Proben- oder Halterstrukturen entstanden sind. Beispielsweise können dazu Form und Größe erwarteter Glanzlichter mit denen der tatsächlich erfassten Bilder der Glanzlichter 8.n verglichen werden.
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Im Folgenden wird beispielhaft eine einfache Abschätzung der oben beschriebenen Änderung der Distanzen Δxn in Relation zu einer Änderung des Abstands Δz um einen Millimeter gegeben. Dazu wird angenommen, dass die Detektionsoptik 4 eine Fokuslänge von drei Millimetern aufweist und ein Abstand a der Beleuchtungsquellen 7 von der optischen Achse oA zehn Millimeter beträgt. Der Abstand Z (Arbeitsabstand) beträgt angenommen 65 mm.
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Unter der vereinfachenden Annahme einer Ausgestaltung der Detektionsoptik 4 als eine Lochkamera ergibt sich eine Distanz Δx1 zwischen den Bildern der beiden Glanzpunkten 8.1, 8.2 von rund 461,5 µm bei einer Bilderfassung in der ersten Betriebslage I. In der zweiten Betriebslage II (65 mm + 1 mm = 66 mm) beträgt die Distanz Δx2 rund 454,5 µm. Das ist eine Änderung der Distanz Δxn um rund 1,5%. Um auf eine beispielhaft angestrebte Messgenauigkeit des Abstands Z beziehungsweise Z+Δz von 100 µm zu erreichen, müsste eine Messung der Distanzen Δxn mit einer Genauigkeit von 0,1% erfolgen. Dieses anspruchsvolle Erfordernis ist mittels der Erfindung erreichbar, da für eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit der Bilder der Glanzlichter 8.n nur eine geringe Auflösung zwischen den Glanzpunkten 8.n erforderlich ist. Eine hohe Signalstärke der Glanzlichter 8.n ist hierbei vorteilhaft, um deren Positionen mit Subpixelgenauigkeit zu bestimmen. Die Positionen können also mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die sogar innerhalb der räumlichen Ausdehnung der Detektorelemente 4.3 (= Pixel) liegt.
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Mit einer Abstandsmessvorrichtung 2 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels können neben einem Abstand Z auch laterale Verkippungen des Probenträgers 5 ermittelt werden (2). Im einfachsten Fall kann eine Verkippung des Probenträgers 5 um einen Kippwinkel α relativ zur Probenebene PE - und damit auch zur Detektionsoptik 4 und den Beleuchtungsquellen 7 - mit nur zwei Beleuchtungsquellen 7 ermittelt werden. Dazu müssen die Positionen der beiden Beleuchtungsquellen 7 gegenüber der Detektionsoptik 4 bekannt sein, entweder aus einer Vermessung (Kalibrierung) oder durch eine entsprechend genaue Positionierung der Beleuchtungsquellen 7 während der Fertigung.
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Im Beispiel der 2 ist in der separaten Darstellung der Detektorebene DE ein lateraler Versatz dv eines virtuellen Schwerpunkts SP der beiden Bilder der Glanzlichter 8.1 und 8.2 relativ zum Mittelpunkt der Detektorebene DE gezeigt, der durch die Verkippung bewirkt ist, die hier entlang der Anordnung relativ zur optischen Achse oA beiden Beleuchtungsquellen 7 erfolgt.
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Ein Ausgleich der ermittelten Verkippung kann beispielsweise bewirkt werden, indem mittels der Steuerung 9 Steuerbefehle generiert und an einen motorisch einstellbaren Probentisch 12 übermittelt werden. Die infolge der Ausführung der Steuerbefehle erzeugten Stellbewegungen des Probentisches 12 können die unerwünschte Verkippung ausgleichen.
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Die Sensitivität einer achsennah angeordneten Lichtquelle 6 oder Beleuchtungsquelle 7 hinsichtlich einer auftretenden Verkippung ist in 3 veranschaulicht. In einer Näherung für eine Lichtquelle 6 respektive für eine Beleuchtungsquelle 7, die sehr nah an der Detektionsoptik 4 positioniert ist und für die Bedingung, dass der Arbeitsabstand Z deutlich größer als die Fokuslänge f ist, führt ein Kippwinkel α (alpha) zu einem veränderten Reflexionswinkel von ≈α (alpha). Vorteil einer achsennahen Anordnung der Lichtquelle 6 oder Beleuchtungsquelle 7 ist, dass die Position des abgebildeten Glanzpunktes 8.n unabhängig vom Abstand der Grenzfläche des Probensubstrats ist. Beispielsweise führt eine Verkippung von fünf Bogenminuten bei einer Fokuslänge von f = 3 mm zu einem lateralen Versatz des Bildes des Glanzpunktes 8.n um ca. 4 µm, was in der Größenordnung eines Detektorelements 4.3 (siehe 1; = Pixelgröße) eines handelsüblichen Detektors 4.2 liegt und somit gut detektierbar ist. Im Fall eines direkt in die optischen Achse des Detektionsoptik (oA) eingespiegelten Beleuchtungsquelle ist somit eine Beleuchtungsquelle ausreichend, um sehr sensitiv eine Verkippung zu detektieren und genau zu korrigieren.
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Eine Kombination von Abstandsmessung und Ermittlung einer auftretenden Verkippung wird anhand der 4 erläutert. Mittels einer nicht näher dargestellten Abstandsmessvorrichtung 2 sind unter Einsatz von drei symmetrisch um die optische Achse oA angeordnete Beleuchtungsquellen 7 drei Glanzlichter 8.1, 8.2 und 8.3 auf einem Probenträger 7 bewirkt und mittels der Detektionsoptik 4 in die Detektorebene DE abgebildet.
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In der oberen Reihe sind Glanzlichter 8.1 bis 8.n in einer zweite Betriebslage II mit einem Abstand Z+Δz und einer Kipplage abgebildet. Der Abstand Z+Δz kann wie oben erläutert aus den Distanzen der abgebildeten Glanzlichter 8.1 bis 8.n abgeleitet werden. Als visuelles Hilfsmittel ist jeweils ein Kreis mit einer Strich-Punkt-Linie gezeigt. Die Verkippung führt zu einer Lage des Schwerpunktes SP außerhalb der Mitte der Detektorebene DE. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die Mitte der Detektorebene DE hier lediglich zur besseren Verständlichkeit als Referenzpunkt verwendet wird. Der Schwerpunkt SP ist durch den geometrischen Schwerpunkt der abgebildeten Glanzlichter 8.1 bis 8.n, genauer gesagt durch den geometrischen Schwerpunkt ihrer zuvor ermittelten Positionen (siehe oben), gegeben. Distanz und Richtung der Abweichung des Schwerpunktes SP von dem Referenzpunkt, den der Schwerpunkt SP bei einer Lage ohne Verkippung einnehmen würde, erlauben ein Ableiten von Informationen zu den erforderlichen Korrekturen hinsichtlich Richtung und Stellwinkel. Nach einer manuellen oder automatisierten Korrektur der Kipplage des Probenträgers 5 fällt der Schwerpunkt SP wieder mit der Mitte der Detektorebene DE zusammen (obere Zeile, rechts).
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In der unteren Zeile ist links eine Abbildung dreier in der ersten Betriebslage I befindlicher Glanzlichter 8.1 bis 8.n gezeigt, die sich in einem Abstand Z, und damit näher an der Detektionsoptik 4 befinden. Dieser Umstand ist daraus ersichtlich, dass die Distanzen zwischen den abgebildeten Glanzlichtern 8.1 bis 8.n größer als in der zweiten Betriebslage II sind. Der Schwerpunkt SP ist wie in der oberen Zeile entsprechend des Kippwinkels α und der Richtung der Verkippung von dem Referenzpunkt in der Mitte der Detektorebene DE verschoben. Nach einer entsprechenden Korrektur (untere Zeile, rechts) fallen Schwerpunkt SP und Referenzpunkt wieder zusammen.
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In weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung 2 können mehrere Beleuchtungsquellen 7 durch eine Lichtquelle 6 gespeist werden (5). Die Lichtquelle 6 ist beispielsweise durch eine die Messstrahlung MS divergent unter einem Abstrahlwinkel γ abgebende LED gebildet. Während über einen Winkelanteil die Messstrahlung MS direkt zum Probenträger 5 gelangt, trifft die Messstrahlung MS eines weiteren Winkelanteils auf einen Spiegel 7, durch dessen Wirkung diese auf den Probenträger 5 gelangt. Die Lichtquelle 6 fungiert daher für den direkt auftreffenden Winkelanteil zugleich als Beleuchtungsquelle 7, während durch den Spiegel 7 und den reflektierten Anteil der Messstrahlung MS eine virtuelle Beleuchtungsquelle 7 gebildet ist. Die abgebildeten Glanzlichter 8.1 und 8.2 sind beispielhaft in der rechten Abbildung gezeigt.
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In weiteren Ausführungen der Abstandsmessvorrichtung 2 können mindestens zwei virtuelle Beleuchtungsquellen 7 durch eine Lichtquelle 6 gespeist werden.
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In der 6 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit gezeigt, mittels der zwei Beleuchtungsquellen 7 unter Verwendung einer Lichtquelle 6 bereitgestellt werden können. Ausgehend von der Lichtquelle 6, die einen divergenten Abstrahlwinkel γ von etwa 30° aufweist, gelangt die Messstrahlung MS zu einem Strahlteiler 13, der hier beispielsweise als ein 50:50-Teiler ausgeführt ist. Entsprechend wird die Hälfte der Messstrahlung MS entlang einer optischen Achse des
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Strahlteilers 13 zur Probenebene PE reflektiert, während die andere Hälfte transmittiert und mittels eines Spiegels 10 zur Probenebene PE gelenkt wird. Sowohl die reflektierende Fläche des Strahlteilers 13 als auch der Spiegel 10 stellen virtuelle Beleuchtungsquellen 7 dar.
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Die vom Strahlteiler 13 reflektierte Messstrahlung MS ist etwa senkrecht auf die Probenebene PE und einen dort befindlichen Probenträger 5 gerichtet. Wurde der Probenträger 5 zuvor nivelliert, also parallel zur Probenebene PE ausgerichtet, verbleibt das erste Glanzlicht 8.1 unabhängig von einem Abstand Z an einem Ort auf dem Probenträger 5 (hier beispielsweise im Mittelpunkt).
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Mit sich veränderndem Abstand Z wandert die Abbildung des zweiten Glanzlichtes 8.2 aus und es kann anhand der jeweiligen Distanz zwischen den Glanzlichtern 8.1 und 8.2 auf den Abstand Z geschlossen werden.
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In einer weiteren möglichen Ausführung der Erfindung kann die optische Achse oA der Detektionsoptik 4 unter einem Anstellwinkel β (beta) zur Probenebene PE verlaufen, der ungleich 90° ist (7). Ein Objektiv 3 des Mikroskops 1, mittels dem die eigentliche mikroskopische Bildaufnahme erfolgt und das in allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen vorhanden sein kann, kann trotzdem senkrecht auf die Probenebene PE gerichtet sein.
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Eine nicht orthogonale Anordnung kann vorgesehen werden, um zum Beispiel platzsparend sowohl das Objektiv 3 als auch die Detektionsoptik 4 (vereinfacht durch den Detektor 4.2 und eine optische Linse 11 dargestellt) an einem gemeinsamen Stativ unterbringen zu können. Außerdem erlaubt eine derartige Ausführung den Einsatz einer telezentrischen Detektionsoptik 4, da infolge des bekannten Anstellwinkels β unterschiedliche Betriebslagen, von denen hier wieder eine erste Betriebslage I und eine zweite Betriebslage II dargestellt sind, ein Ortsversatz des abgebildeten Glanzlichtes 8.n auftritt. Zur Verdeutlichung ist in der rechten Darstellung beispielhaft ein Position eines Glanzlichtes 8.1 in der ersten Betriebslage I und eines Glanzlichtes 8.11 in der zweiten Betriebslage II gezeigt. Beispielhaft und lediglich schematisch sind virtuelle Positionen vPI und vPII der Glanzlichter 8.n bei den betreffenden Betriebslagen I beziehungsweise II angegeben.
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8 verdeutlicht allerdings, dass auch eine Verkippung des Probenträgers 5 zu einem lateralen Versatz der Position des abgebildeten Glanzpunktes 8.1 beziehungsweise 8.1* auf dem Detektor 4.2 führt. In den in 7 und 8 dargestellten Fällen ist daher Vorwissen über das Vorliegen und die Art einer Verkippung des Probenträgers 5 notwendig. Vorteilhaft ist, wenn bereits durch das Design des Probenträgers 5 und durch geringe Toleranzen der Auflage des Probenträgers 5 auf dem Probentisch 12 sichergestellt ist, dass dieser in einer definierten und bekannten Orientierung zum Koordinatensystem Mikroskops 1 liegt. Alternativ kann eine Nivellierung des Probenträgers 5 zu diesem definierten Ausgangszustand führen.
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Bezugszeichen
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- 1
- Mikroskop
- 2
- Abstandsmessvorrichtung
- 3
- Objektiv
- 4
- Detektionsoptik, Übersichtskamera
- 4.1
- Blende
- 4.2
- Detektor
- 4.3
- Detektorelement
- 5
- Probenträger
- 6
- Lichtquelle
- 7
- Beleuchtungsquelle
- 8.n
- Glanzlicht, Reflex
- 9
- Steuerung
- 10
- Spiegel
- 11
- optische Linse
- 12
- Probentisch
- 13
- Strahlteiler
- a
- Distanz (Beleuchtungsquelle - Blende)
- α
- Kippwinkel
- β
- Anstellwinkel
- γ
- Abstrahlwinkel
- DE
- Detektorebene
- dv
- lateraler Versatz
- f
- Fokuslänge
- I
- erster Betriebszustand
- II
- zweiter Betriebszustand
- MS
- Messstrahlung
- oA
- optische Achse
- PE
- Probenebene
- SP
- Schwerpunkt
- vPI
- erste virtuelle Position
- vPII
- zweite virtuelle Position
- Z
- Arbeitsabstand
- Δz
- Differenz Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4390277 A [0006]
- US 5251010 A [0006]
- WO 2013034812 A1 [0006]
