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Die
Erfindung betrifft ein Mikroskop mit Korrektur der durch Temperaturänderung
hervorgerufenen XYZ-Drift.
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Ferner
betrifft die Erfindung Verfahren zur Korrektur der durch Temperaturänderung
hervorgerufenen XYZ-Drift.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 199 59 228 A1 offenbart ein Laser-Scanning-Mikroskop,
das einen Temperatursensor umfasst, dessen Signale zur Fokuskorrektur
an Hand gespeicherter Bezugswerte erfolgt. Die gemessene Temperaturänderung wird
in eine entsprechend auszuführende Änderung mindestens
eines Bauteils (Tisch verfahren, Piezo stellen, Spiegel verformen,
etc.) des Mikroskops umgerechnet. Die Temperaturkompensation kann
ebenfalls über
eine gespeicherte Tabelle oder Kurve erfolgen. Dieses Verfahren
kann lediglich die Z-Koordinate, also den Fokus, konstant halten.
Ein Auswandern der Probe innerhalb der durch die Tischoberfläche definierte
X/Y-Ebene kann hiermit nicht kompensiert werden.
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Die
deutsche Patentschrift
DE
195 301 36 C1 beschreibt ebenfalls ein Mikroskop mit Fokusstabilisierung.
Hier ist eine Einrichtung zur Fokusstabilisierung in einem Mikroskop
offenbart. Die Temperaturstabilisierung erfolgt durch zwei Metallstäbe mit unterschiedlichem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Ein Stab ist mit der Zahnstange
für den
Fokustrieb verbunden, der andere Stab ist mit dem Mikroskoptisch
verbunden. Die Stabilisierung des Fokus erfolgt ausschließlich durch
individuell auf das Mikroskop abgestimmte mechanische Mittel.
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Das
Dokument
JP 03 102
752 A offenbart ein Verfahren zur Regelung eines Mikroskoptisches.
Dabei wird die Abhängigkeit
eines Elements des Mikroskoptisches hinsichtlich der Temperatur
bestimmt. Die berechnete Drift einiger Elemente wird benutzt, um
die Position der Probe hinsichtlich der berechneten Drift zu korrigieren.
Eine Offenbarung von Temperatursensoren ist zu entnehmen.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 101 00 246 A1 offenbart ein Verfahren
zum Betreiben eines doppelkonfokalen Rastermikroskops. Bei einem
doppelkonfokalen Rastermikroskop ist das zu untersuchende Objekt
zwischen zwei Deckgläsern
eingebracht. Zum Fokussieren oder Einstellen des Mikroskops ist
mindestens eines der Deckgläser
mit einem Referenzobjekt versehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Mikroskop zu schaffen,
das die von der Bedienperson eingestellten Untersuchungsbedingungen
stabil hält.
Hierzu ist das Mikroskop derart auszugestalten, dass es die xyz-Position
einer zu untersuchenden Probe konstant hält.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Mikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen
das die von der Bedienperson eingestellten Untersuchungsbedingungen
stabil hält.
Hierzu ist das Mikroskop derart auszugestalten, dass es die xyz-Position
einer zu untersuchenden Probe konstant hält.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Korrektur der durch Temperaturänderung
hervorgerufenen XYZ-Drift, das die Merkmale des Anspruchs 8 umfasst.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass das Mikroskop gegen Temperaturänderungen
unempfindlich ist und nicht nur die Fokuslage sondern auch die Objektposition
bezüglich
der optischen Achse konstant hält.
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Besonders
bei Langzeituntersuchungen zeigt die Erfindung die Vorteile. Hier
ist es besonders wichtig, dass die zu untersuchende Probe in ihrer Lage
bezuglich des in der Arbeitsposition befindlichen Objektivs konstant
ist. Dabei dürfen
die Temperaturänderungen,
die zu einer thermischen Ausdehnung des Stativs und somit einer
XYZ-Drift der Probe führen
keine Rollspielen. Die Probe ist in allen drei Raumrichtungen bezüglich der
optischen Achse des Objektivs konstant. Das Mikroskop besitzt ein
Stativ und einen am Stativ angebrachten, in allen drei Raumrichtungen
motorisch verstellbaren Mikroskoptisch. Ferner ist am oder im Stativ
des Mikroskops oder in unmittelbarer Nähe des Mikroskops mindestens
ein Temperatursensor vorgesehen. Eine Steuer- und Kontrolleinheit
umfasst einen Speicher und einen Mikroprozessor, wobei im Speicher
eine Korrekturtabelle abgelegt ist, die Driftwerte für die drei Raumrichtungen
als Funktion der Temperatur enthält,
wobei die Temperatursensoren Signale an den Mikroprozessor liefern,
auf Grund dessen entsprechende Werte zur Korrektur abrufbar sind,
um die Probe in der Arbeitsposition des Objektivs des Mikroskops
zu halten. Dabei kann die Korrekturtabelle manuell oder automatisch
ermittelt werden.
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Das
Verfahren zur Korrektur der durch Temperaturänderung hervorgerufenen XYZ-Drift
bei einem Mikroskop, lässt
sich wie folgt beschreiben. Zunächst
hat das Aufnehmen und Abspeichern einer Korrekturtabelle in einem
Speicher in einer dem Mikroskop zugeordneten Steuer- und Kontrolleinheit
zu erfolgen. Das Betreiben des Mikroskops im Untersuchungsmodus
ist derart, dass die Steuer- und Kontrolleinheit an Hand der Signale
der Temperatursensoren und der Inhalte der Korrekturtabelle den
ersten, zweiten und dritten Motor derart steuert, dass die Lage
der Probe zur optischen Achse des in der Arbeitsposition vorgesehenen
Objektivs zeitlich konstant ist. Wenn die Korrekturtabelle manuell
ermittelt wird, dann ist ein erstes Fadenkreuz im Okular und ein
zweites Fadenkreuz auf der Strichplatte vorgesehen. Die Strichplatte
ist auf den Mikroskoptisch aufgelegt und eine Person stellt die
Schärfe
des zweiten Fadenkreuzes durch Verstellen des dritten Motors ein
und anschließend
wird die Deckung zwischen dem ersten und dem zweiten Fadenkreuz
durch eine entsprechende Verstellung des ersten und/oder zweiten
Motors erreicht. Durch Betätigung
eines Eingabemittels werden vom Mikroprozessor der Steuer- und Kontrolleinheit
die zur Verstellung notwendigen Daten in die im Speicher vorgesehene
Korrekturtabelle übertragen.
Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis sich keine temperaturbedingten Änderungen
ergeben.
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Bei
der automatischen Ermittlung der Korrekturtabelle wird nur das zweite
Fadenkreuz auf der Strichplatte verwendet, die auf den Mikroskoptisch aufgelegt
ist,. Nach dem Einschalten des Mikroskops wird von einer Kamera
auf das zweite Fadenkreuz durch einen Autofokus der Kamera fokussiert.
Das zweite Fadenkreuz wird durch eine Bildverarbeitungssoftware
im Zusammenspiel mit dem ersten und dem zweiten Motor in die optische
Achse des in der Arbeitsposition befindlichen Objektivs verschoben.
Die zur Verstellung notwendigen Daten werden in die im Speicher
vorgesehene Korrekturtabelle übertragen.
Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis sich keine temperaturbedingten Änderungen
ergeben.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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In
der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt
und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Mikroskops
zur Kompensation der XYZ-Drift;
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2 eine
schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Mikroskops
zur Kompensation der XYZ-Drift;,
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3a eine
schematische Darstellung der Abweichung der optischen Mittel zum
Ermitteln der XYZ-Drift zum Erzeugen einer Korrekturtabelle;
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3b eine
schematische Darstellung der Übereinstimmung
der optischen Mittel zur ermitteln der XYZ-Drift zum Erzeugen einer
Korrekturtabelle;
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4 eine
Korrekturtabelle gemäß der gegenwärtigen Erfindung;
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5 eine
schematische Darstellung der Hardware zur Korrektur der durch Temperaturänderungen
hervorgerufenen XYZ-Drift; und
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6 eine
prinzipielle Struktur der Software zur Korrektur der durch Temperaturänderungen
hervorgerufenen XYZ-Drift.
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In 1 ist
ein Mikroskop 2 schematisch in der Seitenansicht dargestellt.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
ist dem Mikroskop 2 ein Computer 4 mit einem Display 6 und
einem Eingabemittel 8, sowie eine Steuer- und Kontrolleinheit 10 zur
Steuerung der verschiedenen Mikroskopfunktionen, zugeordnet. Die
Steuer- und Kontrolleinheit 10 umfasst ferner einen Speicher 9 und
einen Mikroprozessor 11. Es ist selbstverständlich,
dass das Mikroskop 2 jede denkbare Form und Ausstattung
annehmen kann und die Darstellung in 1. nicht
als Beschränkung
aufgefasst werden soll. Das Mikroskop 2 umfasst ein Stativ 12,
an dem mindestens ein Okular 14, mindestens ein Objektiv 16 und
ein in allen drei Raumrichtungen verstellbarer Mikroskoptisch 18 vorgesehen
sind. Auf dem Mikroskoptisch 18 kann eine mikroskopisch
zu untersuchende oder zu behandelnde Probe 40 (siehe 2)
aufgelegt werden. In 1 und 2 ist die
X-Richtung X und die Z-Richtung Z dargestellt. Die Y-Richtung Y
ist in dieser Darstellung senkrecht zur Zeichenebene. In dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
umfasst das Mikroskop einen Revolver 15, an dem die mehreren Objektive 16 angebracht
sind. Das mindestens eine Objektiv 16, das sich in der
Arbeitposition befindet, definiert eine optische Achse 13 (gestrichelt
dargestellt). Ferner ist beidseitig an dem Stativ 12 jeweils ein
Verstellknopf 20 vorgesehen, mit dem der Mikroskoptisch 18 in
der Höhe
(in Z-Richtung Z) relativ zu dem Objektiv 16 in der Arbeitsposition
verstellt werden kann. Der Mikroskoptisch 18 des Mikroskops 2 kann
mit einem ersten Motor 21 in der X-Richtung X, mit einem
zweiten Motor 22 in der Y-Richtung Y und mit einem dritten
Motor 23 in der Z-Richtung
Z verstellt werden. Die Ansteuerung des ersten, zweiten und dritten
Motors 21, 22 und 23 erfolgt über die Steuer-
und Kontrolleinheit 10. Mit dem Mikroskop 2 ist
eine Kamera 25 verbunden, die das Bild des mit dem Objektiv 16 beobachteten
Objektes aufnimmt. Über
eine erste elektrische Verbindung 26 ist die Kamera 25 mit
der Steuer- und Kontrolleinheit 10 verbunden. Ebenso ist
die Steuer- und Kontrolleinheit 10 über eine zweite elektrische
Verbindung 27 mit dem Mikroskop 2 verbunden, über die
Signale von Mikroskop 2 zur Steuer- und Kontrolleinheit 10 und
Signale von der Steuer- und Kontrolleinheit 10 zum Mikroskop 2 geliefert
werden. Mindestens ein Temperatursensor 30 ist am oder
im Mikroskop 2 vorgesehen, dessen Signale über die
zweite elektrische Verbindung 27 zur Steuer- und Kontrolleinheit 10 geliefert werden
und dort an den Mikroprozessor 11 oder zum Speicher 9 geleitet
werden. Es ist selbstverständlich, dass
die Kamera 25 eine Videokamera oder eine CCD-Kamera sein kann.
Während
eines bestimmten Betriebsmodus werden im Speicher 9 die
von der Kamera 25 gelieferten und vom Mikroprozessor 11 verrechneten
Daten in einer Korrekturtabelle (siehe 4) abgelegt.
Die Korrekturtabelle enthält
die Driftwerte für
die drei Raumrichtungen X, Y und Z als Funktion der Temperatur.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Steuer- und Kontrolleinheit 10 in einer externen
mit dem Mikroskop 2 verbundenen Elektronikbox 42 untergebracht.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Mikroskops 2 zur Kompensation
der XYZ-Drift. Dabei sind gleiche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Das Ausführungsbeispiel
in 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel
aus 1 dahingehend, dass das Aufzeichnen einer Korrekturtabelle manuell
durch eine Person 32 erfolgt. Die Person 32 kann
z.B. ein Benutzer des Mikroskops sein. Ferner ist es möglich, dass
die Person 32 Montagepersonal des Mikroskops 2 in
der Fabrik ist. Die Person 32 ermittelt nach dem Einschalten
des Mikroskops 2 die Korrekturtabelle. Dazu ist, wie in 3a bzw. 3b dargestellt,
im Okular 14 ein erstes Fadenkreuz 34 vorgesehen.
Ferner ist eine Strichplatte 36 mit einem zweiten Fadenkreuz 35 vorgesehen,
die zur Bestimmung der Korrekturtabelle auf den Mikroskoptisch 18 aufgelegt
ist. In gewissen Zeitabständen
stellt die Person 32 das zweite Fadenkreuz 35 scharf
und danach wird das erste Fadenkreuz 34 im Okular 14 mit dem
zweiten Fadenkreuz 35 zur Deckung gebracht. Die Schärfe und
die Deckung wird durch eine entsprechende Verstellung des ersten,
zweiten, und/oder dritten Motors 21, 22, 23 erreicht.
Durch die Betätigung
eines Eingabemittels 38 werden vom Mikroprozessor 11 die
zur Verstellung notwendigen Daten in die im Speicher 9 vorgesehene
Korrekturtabelle übertragen.
Dies wird von der Person 32 in mehreren Zeitabständen durchgeführt. In
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Speicher 9 und der
Mikroprozessor 11 im Stativ 12 des Mikroskops 2 in
der Kontrolleinheit vorgesehen. Das Eingabemittel 38 ist
mit der Steuer- und Kontrolleinheit 10 verbunden.
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In 3a ist
eine schematische Darstellung der Abweichung der optischen Mittel
zum Ermitteln der XYZ-Drift und zum Erzeugen einer Korrekturtabelle
gezeigt. Die optischen Mittel umfassen das erste Fadenkreuz 34,
das im Okular 14 vorgesehen ist. Ferner ist die Strichplatte 36 mit
dem zweiten Fadenkreuz 36 auf dem Mikroskoptisch 18 (in 3a nicht dargestellt)
aufgelegt. In der Darstellung aus 3a ist
die Z-Richtung Z senkrecht zur Zeichenebene. Das erste und das zweite
Fadenkreuz 34, 35 sind nicht in Deckung. Zwischen
dem ersten und dem zweiten Fadenkreuz 34, 35 existiert
eine Abweichung ΔX
in X-Richtung X und eine Abweichung ΔY in Y-Richtung.
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In 3b ist
die Situation dargestellt, bei der das erste Fadenkreuz 34 im
Okular 14 mit dem zweiten Fadenkreuz 35 auf der
Strichplatte 36 in Deckung gebracht worden ist. Ebenso
muss auf das zweite Fadenkreuz 35 schart gestellt werden.
Das Maß der Verstellung
wird registriert und z.B. in einem Speicher abgelegt. In dem in 2 beschriebenen
manuellen Verfahren werden beispielsweise durch Betätigen der
Eingabetaste die ΔX, ΔY und ΔZ Werte in
die Steuer- und Kontrolleinheit 10 übernommen. Die ΔX und ΔY Werte entsprechen
der Wegdifferenz um die der Mikroskoptisch 18 in der X-Richtung X und der Y-Richtung
Y verstellt werden musste, um das erste und das zweite Fadenkreuz
zur Deckung zu bringen. Der ΔZ
Wert entspricht der Wegdifferenz um die der Mikroskoptisch 18 bzw.
das Objektiv 16 in Richtung der optischen Achse 13 relativ
zueinander zur Einstellung der Schärfe verschoben werden müssen. Dieser
Vorgang wird so lange wiederholt, bis sich das Mikroskop 2 in
einem thermisch stabilen Zustand befindet. Die ermittelten Werte
werden über
eine Schnittstelle an die im Mikroskop 2 befindliche Hardware
(Steuer- und Kontrolleinheit 10) übermittelt und dort im Speicher 9 abgelegt.
Das Abspeichern erfolgt immer dann, wenn der Benutzer die Eingabetaste 38 betätigt und
damit bestätigt,
dass die Schärfe
stabil ist und das erste und das zweite Fadenkreuz 34 und 35 in
Deckung sind.
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Im
Falle der automatischen Ermittlung der Korrekturwerte ist eine Strichplatte 36 mit
dem zweiten Fadenkreuz 35 nur in der Präparatebene auf dem Mikroskoptisch 18 nötig. Nach
dem Einschalten wird das zweite Fadenkreuz 35 in der Präparatebene durch
einen Autofokus der Kamera 25 (siehe 1) fokussiert
und durch eine speziell dafür
vorgesehene Bildverarbeitungssoftware in eine Kalibrierposition (vorzugsweise
Mitte des Sehfeldes, d.h. die optische Achse 13 des in
der Arbeitsposition vorgesehenen Objektivs 16) gebracht.
In frei definierbaren Zeitabständen
wiederholt diese Software die oben beschriebenen Funktionen (Autofokus
Bildmitte) und speichert die XYZ-Driftwerte so lange ab, bis keine Veränderung
der Positionen XYZ mehr gemessen werden kann und somit der thermisch
stabile Zustand erreicht ist. Wie bei der manuellen Ermittlung der Temperaturwerte
werden nun diese an die im Mikroskop oder in einer externen Elektronikbox 42 befindliche
Hardware (Steuer- und Kontrolleinheit 10) übermittelt
und dort abgespeichert.
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In 4 ist
eine Korrekturtabelle 44 gemäß der gegenwärtigen Erfindung
dargestellt. Je nach der Anzahl der erfolgten Messungen der Korrekturwerte ist
die Anzahl der Zeilen der Korrekturtabelle 44 entsprechend
veränderlich.
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Die 5 zeigt
eine schematische Darstellung der Steuer- und Kontrolleinheit 10 zur
Korrektur der durch Temperaturänderungen
hervorgerufenen XYZ-Drift.
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Ein
oder mehrere Temperatursensoren 301 , 302 , ..., 30N ,
sind mit der Steuer- und
Kontrolleinheit 10 verbunden, deren Signale an die Steuer-
und Kontrolleinheit 10 geliefert werden, um daraus Ansteuersignale
für den
ersten, zweiten, und dritten Motor 21, 22 und 23 zu
erhalten. Der Mikroskoptisch 18 wird somit von der Steuer-
und Kontrolleinheit 10 derart angesteuert, dass die zu
untersuchende Probe immer im Fokus und an der gleichen Position
unterhalb des Objektivs 16 ist. Die Steuer- und Kontrolleinheit 10 ist
mit einer Schnittstellte 46 versehen, über die Daten eingegeben bzw.
Daten an einen Computer 4 geliefert werden können. Die
Schnittstelle 46 kann z.B. eine RS232-Schnittstelle, eine
USB-Schnittstelle oder eine drahtlose Verbindung sein.
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In 6 ist
eine prinzipielle Struktur der Firmware 50 zur Korrektur
der durch Temperaturänderungen
hervorgerufenen XYZ-Drift dargestellt. Der in der Firmware 50 eingebaute
Algorithmus korrigiert nun – während das
Mikroskop betrieben wird – ständig die
XYZ-Abweichungen, die durch Temperaturschwankungen entstehen. Dazu
bedient sich die Firmware 50 der Korrekturtabelle 44,
die im Speicher 9 der Steuer- und Kontrolleinheit 10 abgelegt
ist. Die Korrekturtabelle 44 bleibt auch nach dem Ausschalten
des Mikroskops 2 erhalten und wird bei der nächsten Betriebnahme
wieder verwendet. Es ist auch dem Benutzer selbst überlassen
eine neue Korrekturtabelle 44 zu erstellen und diese im
Speicher 9 der Steuer- und Kontrolleinheit 10 zu
hinterlegen. Im Betrieb erhält
die Firmware 50 von den Temperatursensoren 301 , 302 ,
..., 30N , Daten, aus denen die Firmware 50 Temperaturänderungen
ermittelt. Der in der Firmware 50 implementierte Algorithmus
ermittelt im Zusammenspiel mit der Korrekturtabelle 44 die Stellwerte
für den
ersten, zweiten und dritten Motor 21, 22 und 23,
die notwendig sind, um die durch Temperaturänderungen hervorgerufene XYZ-Drift auszugleichen.
Die Stellwerte am ersten, zweiten und dritten Motor 21, 22 und 23 sind
derart gewählt,
dass sie die durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen ΔX, ΔY und ΔZ Werte ausgleichen.
Somit wird erreicht, dass eine Probe oder ein bestimmter Bereich
der Probe, unabhängig
von den Temperaturänderungen,
immer unverändert
zur optischen Achse 13 des Objektivs 15 in der
Arbeitsposition ist. Die Probe kann dadurch auch bei Langzeituntersuchungen
nicht mehr auswandern.
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Es
ist auch denkbar, dass die Korrekturtabelle bereits Werksseitig
erstellt wird und bei der Fertigung der Mikroskope in einem Speicher
der Steuer- und Kontrolleinheit 10 des Mikroskops 2 abgelegt wird.
Die Korrekturtabelle wird werksseitig durch eine statistische Auswertung
von den Temperatureigenschaften mehrerer Mikroskope gewonnen.
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Die
Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es
ist jedoch selbstverständlich,
dass Änderungen
und Abwandlungen durchgeführt
werden können,
ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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- 2
- Mikroskop
- 4
- Computer
- 6
- Display
- 7
- Okular
- 8
- Eingabemittel
- 9
- Speicher
- 10
- Steuer-
und Kontrolleinheit
- 11
- Mikroprozessor
- 12
- Stativ
- 13
- optische
Achse
- 14
- Okular
- 15
- Revolver
- 16
- Objektive
- 18
- Mikroskoptisch
- 20
- Verstellknopf
- 21
- erster
Motor
- 22
- zweiter
Motor
- 23
- dritter
Motor
- 25
- Kamera
- 26
- erste
elektrische Verbindung
- 27
- zweite
elektrische Verbindung
- 30
- Temperatursensor
- 32
- Person
- 34
- erstes
Fadenkreuz
- 35
- zweites
Fadenkreuz
- 36
- Strichplatte
- 38
- Eingabemittel
- 40
- Probe
- 42
- Elektronikbox
- 44
- Korrekturtabelle
- 46
- Schnittstellte
- 50
- Firmware
- X
- X-Richtung
- Y
- Y-Richtung
- Z
- Z-Richtung
- ΔX
- Abweichung
- ΔY
- Abweichung
- ΔZ
- Abweichung