DE19859159A1

DE19859159A1 - Verfahren zur elektronischen Kalibrierung einer Belichtungsmeßeinrichtung in einem optischen System

Info

Publication number: DE19859159A1
Application number: DE1998159159
Authority: DE
Inventors: Ruediger Stenzel; Helmut Ruehl; Dirk Kohle; Johannes Knoblich
Original assignee: Leica Microsystems Wetzlar GmbH; Carl Zeiss Jena GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH; Jenoptik AG
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-07-06
Also published as: WO2000037987A2; WO2000037987A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kalibrierungsverfahren für eine Belichtungsmeßeinrichtung eines Mikroskops (1), dessen aus dem Mikroskopobjektiv (22) austretendes Strahlenbündel (4; 7) in ein zu einem Okular (8) führendes erstes Teilstrahlenbündel (7), in dem eine Strichplatte (24) mit einer Einstellmarke angeordnet ist, und in ein zweites Teilstrahlenbündel (4) aufgeteilt wird, das zu einem Sensor (10) führt, der aus elektrooptischen Pixelelementen (12) gebildet ist, denen eine elektronische Verarbeitungseinrichtung nachgeschaltet ist. DOLLAR A Das Verfahren beinhaltet, daß auf dem Mikroskoptisch (3) eine einen Kalibrierungs-Bezugspunkt aufweisende Kalibrierungsprobe (15) angeordnet wird, durch Verschieben des Mikroskoptisches (2) der Kalibrierungs-Bezugspunkt der Kalibrierungsprobe (15) mit der Einstellmarke der Strichplatte (24) in eine vorbestimmte Lagebeziehung gebracht wird, in dieser Lagebeziehung die Kalibrierungsprobe (15) mit dem Kalibrierungs-Bezugspunkt auf die Pixelelemente (12) des Sensors (10) abgebildet wird und unter den Pixelelementen (12) des Sensors (10) das Pixelelement als Bezugs-Pixelelement für nachfolgende Belichtungsmessungen bestimmt wird, auf das das Bild des Kalibrierungs-Bezugspunkts fällt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Kalibrierung einer Belichtungsmeßeinrichtung in einem optischen System gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die in der Mikrofotografie bekannten Spotmessungen unterschiedlicher Meßflächen (z. B. 3%, 1%, 0,1% der Kleinbild-Formatfläche) dienen der exakten, auf eine Objekteinzelheit bezogenen Belichtungsmessung, insbesondere bei mikroskopischen Objekten hoher Dynamik (z. B. Fluoreszenz-, Dunkelfeld- und Polarisations-Präparaten). Die zu messende Objekteinzelheit wird hierfür entweder in die durch eine Einstellmarke gekennzeichnete Sehfeldmitte des Mikroskopokulars oder Mikroskopkamera-Einstellfernrohrs durch Objektzentrierung am Mikroskoptisch bewegt oder durch eine verschiebbare Meßblende eingefangen. Beide Methoden setzen eine genaue Zentrierung von Objekteinzelheit (Spot-Meßfläche) und Einstellmarke zu dem Sensor voraus, der die Belichtungszeit mißt. Diese Zentrierung gewährleistet nicht in jedem Fall eine eindeutige Spot-Positionierung, selbst wenn sie anwenderseitig richtig ausgeführt wurde. Eine Spot-Fehlpositionierung tritt dann auf, wenn durch die Aufsummierung der Zentriertoleranzen an den einzelnen Systemkomponenten- Schnittstellen (z. B. Okular → Okularrohr bzw. Einstellfernrohr → Mikroskopkamera usw.) ein systematischer Summenzentrierfehler des Systems Mikroskop-Mikroskopkamera entsteht, der in der Größenordnung des Spotdurchmessers liegt. Bei 0,1% Spotmeßfläche wird dies ein grundsätzliches Problem.

Die bekannte Fotoeinheit PM30 von Olympus enthält einen zweidimensionalen, ladungsgekoppelten Sensor (CCD-Sensor). In der Fotoeinheit ist ein zusätzliches Fernrohr mit Fadenkreuz-Strichplatte eingebaut, mit dem der zu messende Objektpunkt ausgewählt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektronischen Kalibrierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weiterzubilden, daß die vorgenannten Schwierigkeiten behoben werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Der Grundgedanke des Verfahrens nach der Erfindung liegt darin, einen Kalibrierungs-Bezugspunkt einer Kalibrierungsprobe, die auf dem Mikroskoptisch angeordnet und auf den Sensor abgebildet wird, durch Verschieben des Mikroskoptisches mit einer Einstellmarke auf einer Strichplatte, die im Okularstrahlengang angeordnet ist, auf Deckung einzustellen. Nach dieser Einstellung wird unter den Pixelelementen des Sensors dasjenige Pixelelement als Bezugs-Pixelelement bestimmt, auf das das Bild des Kalibrierungs-Bezugspunkts der Kalibrierungsprobe fällt und das mithin der Einstellmarke entspricht. Das Bezugs-Pixelelement wird als ein Bezugspunkt unter den Pixelelementen verwendet, relativ zu dem die Lagebeziehung anderer Pixelelemente bestimmt werden kann, die bei einer nachfolgenden Belichtungsmessung verwendet werden sollen. Das Bezugs-Pixelelement und diese anderen Pixelelemente - genauer gesagt: ihre Lagekoordinaten innerhalb des Sensorfeldes - werden in einer nachgeschalteten elektronischen Verarbeitungseinrichtung gespeichert.

Bevorzugt wird als Einstellmarke auf der Strichplatte ein Einstellkreuz verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch als ein Verfahren zur Verschiebung des Nullpunkts betrachtet werden. Als Ausgangssituation mag ein bestimmtes Pixelelement in der geometrischen Mitte der Sensorpixelelemente dem Nullpunkt eines Koordinatensystems auf dem Sensor zugeordnet sein. Durch die Kalibrierung wird durch den Kalibrierungs-Bezugspunkt ein Bezugs- Pixelelement bestimmt, das in der Praxis der Mitte eines Strichplatten- Einstellkreuzes entspricht. Dieses Bezugs-Pixelelement stellt den neuen Nullpunkt dar, d. h. den gegenüber dem ursprünglichen Nullpunkt verschobenen Nullpunkt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß können Pixelelemente elektronisch zu nebeneinanderliegenden Pixelelement-Feldern zusammengefaßt werden, und es wird das Pixelelement-Feld bestimmt, auf das das Bild des Kalibrierungs- Bezugspunkts fällt, bevor das Bezugs-Pixelelement bestimmt wird.

Die Pixelelemente können elektronisch zu nebeneinanderliegenden, quadratischen oder rechteckigen und bevorzugt gleich großen Pixelelement- Feldern zusammengefaßt werden.

Bevorzugt ist die Kalibrierungsprobe eine Probe mit einem geometrischen Muster, das einen Mittelpunkt oder ein Zentrum aufweist, der/das als Kalibrierungs-Bezugspunkt dient.

Vorteilhafterweise wird ein geometrisches Muster gewählt, dessen Mittelpunkt mit geringem Aufwand durch die Begrenzungslinien des Musters berechenbar ist. Beispiele solcher Muster sind eine planparallele Spiegelplatte mit einem freiliegenden Strichkreuz, eine planparallele Platte mit einander gegenüberliegenden Quadrantenfeldern mit paarweise optisch unterschiedlichen Eigenschaften, usw.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus eines Mikroskops und des relevanten Strahlengangs;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines aus Pixelelementen gebildeten Sensors, und

Fig. 3 ein Beispiel einer Kalibrierungsprobe.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Systemaufbaus eines allgemein mit 1 bezeichneten Mikroskops gezeigt. Auf einem in X- und Y-Richtung verschiebbaren Mikroskoptisch 2 wird eine Probe 3 angeordnet. Die Probe wird durch eine Lichtquelle 21 beleuchtet. Von der Probe 3 ausgehendes Licht tritt in ein Objektiv 22 ein. Ein Teil des aus dem Objektiv 22 austretenden Lichts wird als ein erstes Teilstrahlenbündel 4 auf eine Belichtungsmeßeinrichtung 5 abgebildet, die eine Sensoroptik 23 und einen Sensor 10 umfaßt. Letzterer ist unten ausführlich beschrieben. Ein Strahlteiler 6 teilt einen anderen Teil des aus dem Objektiv 22 austretenden Lichts als ein zweites Teilstrahlenbündel 7 ab, das das Bild der Probe 3 als reelles Zwischenbild in der Zwischenbildebene abbildet, und lenkt es zu einem Okular 8. In dem Okular 8 befindet sich eine Strichplatte 24, die in der Zwischenbildebene angeordnet ist. Das reelle Zwischenbild und die Strichplatte 24 können somit gemeinsam betrachtet werden.

Fig. 2 zeigt schematisch die Ausgestaltung eines allgemein mit 10 bezeichneten Sensors, der eine Sensorfläche 11 aufweist, die mit fotoelektrischen bzw. lichtempfindlichen, matrixförmig angeordneten Pixelelementen 12 versehen ist. Geeignet ist eine Matrix aus ladungsgekoppelten (CCD) Pixelelementen. Jedes Pixelelement 12 ist elektrisch mit einer Verstärker- und Analog/ Digitalwandlereinrichtung (nicht gezeigt) verbunden. An ihrem Ausgang wird für jedes Pixelelement 12 ein der auftreffenden Lichtmenge entsprechendes digitales Signal bzw. ein digitaler Wert erhalten. Die einzelnen digitalen Signale werden einem Prozessor zugeführt, der bevorzugt eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff RAM sowie einen Festwertspeicher ROM umfaßt. Die aufgeführten verschiedenen elektronischen Einrichtungen sind nicht dargestellt. Sie sind auf dem Hardware-Gebiet der Datenverarbeitung allgemein bekannt.

In Fig. 2 ist auf der Sensorfläche 11 ein "logisches" Netz 13 mit k . j Pixelelement-Feldern 14 eingezeichnet, das kleiner als die Sensorfläche 11 ist. Jedes Pixelelement-Feld 14 wird gebildet, indem die digitalen Ausgangssignale von n . m aneinander angrenzenden Pixelelementen 12 zusammengefaßt werden. Aus den digitalen Ausgangssignalen der n . m Pixelelemente 12 kann ein Mittelwert als Meßwert berechnet werden, so daß für das Netz 13 eine der Anzahl der Pixelelement-Felder 14 entsprechende Anzahl von Meßwerten erhalten wird. Eine derartige Zusammenfassung verkürzt die Zeit zur Belichtungsmessung. Die digitalen Ausgangssignale der einzelnen Pixelelemente 12 stehen jedoch weiterhin zur individuellen Verarbeitung zur Verfügung.

Als Ausgangssituation wird im allgemeinen das Netz 13 aus Pixelelement- Feldern 14 so eingerichtet, daß es zu der Sensorfläche 11 zentriert ist. Dabei kann die geometrische Mitte 25 der Sensorfläche 11 mit der Mitte eines bevorzugt zentrischen Pixelelement-Felds 14 zur Deckung gebracht werden.

Das "logische" Netz 13 kann auf der Sensorfläche 11 "verschoben" werden, indem eine unterschiedliche Zuordnung der Pixelelemente 12 zu den jeweiligen Pixelelement-Feldern 14 erfolgt.

Wird zum Beispiel das Netz 13 um eine Pixelelement-Breite in Fig. 2 nach rechts verschoben, so tritt in jedes Pixelelement-Feld 14 eine Spalte Pixelelemente 12 von rechts ein und eine Spalte Pixelelemente 12 tritt nach links aus. Jedes Pixelelement-Feld 14 enthält nach dieser Verschiebung des Netzes 13 seine bisherigen Pixelelement-Spalten "2" bis "n" und zusätzlich die Pixelelement- Spalte "1" des rechten benachbarten Pixelelement-Felds. Die Pixelelement- Felder 14 am rechten Rand erhalten eine zusätzliche Pixelelement-Spalte von außerhalb des Netzes 13 aus Pixelelement-Feldern 14 bzw. des auszuwertenden Bildbereiches. Man beachte, daß die Aufteilung in Pixelelement-Felder 14 bevorzugt durch Software erfolgt, die beispielsweise als Programm in dem genannten ROM gespeichert wird.

Es wird nun der Kalibrierungsvorgang beschrieben.

Auf den Mikroskoptisch 2 wird eine Kalibrierungsprobe 15 gelegt, die einen Kalibrierungs-Bezugspunkt aufweist. Als Kalibrierungsprobe 15 ist eine lichtdurchlässige, planparallele Platte (Fig. 3) besonders geeignet, die ein Quadrat mit zwei sich rechtwinklig schneidenden Mittelsenkrechten aufweist, so daß vier Quadrantenfelder gebildet werden. Die einander gegenüberliegenden Quadrantenfelder 16, 17 und 18, 19 besitzen paarweise unterschiedliche optische Eigenschaften. So kann ein Paar gegenüberliegender Quadrantenfelder verspiegelt oder lichtundurchlässig und das andere lichtdurchlässig sein.

Die Kalibrierungsprobe 15 wird durch Verschieben des Mikroskoptisches 2 auf das Einstellkreuz der Strichplatte 24 zentriert. Dabei wird der Mittelpunkt des Quadrats, d. h. der Schnittpunkt der zwei Mittelsenkrechten, mit dem Einstellkreuz zur Deckung gebracht.

Anschließend wird der Sensor 10 ausgelesen. Das Muster der Kalibrierungsprobe 15 wird zumindest teilweise auf den Sensor 10 abgebildet, wie es durch den in der Mustermitte eingezeichneten Bildbereich 20 und einige Pixelelement-Felder 14 angegeben ist (Fig. 3). Pixelelemente 12, die in dem Bild der lichtdurchlässigen Quadranten liegen, werden mit Licht beaufschlagt, während Pixelelemente 12 in den Bildbereichen der verspiegelten Quadranten kein Licht erhalten. Aus den - wie erwähnt - digitalisierten Ausgangssignalen der Pixelelemente 12 werden die Begrenzungslinien der Quadranten und daraus deren Schnittpunkt auf dem Sensor 10 berechnet. Das diesem Schnittpunkt am nächsten liegende oder mit ihm zusammenfallende Pixelelement 12, das hier als Bezugs-Pixelelement bezeichnet wird, ist dem Bild des Schnittpunkts der Mittelsenkrechten zugeordnet, der von der Kalibrierungsprobe 15 auf den Sensor 10 abgebildet wird. Die Lagekoordinaten des gefundenen Bezugs- Pixelelements werden gespeichert und können zu Lagekoordinaten des erwähnten "logischen" Netzes 13 in Beziehung gesetzt werden. Anders ausgedrückt kann eine Nullpunktsverschiebung berechnet werden, wenn dieses erwünscht ist.

Da im allgemeinen Zentriertoleranzen an den Systemkomponenten- Schnittstellen vorliegen, wie es eingangs erwähnt wurde, ist das Bezugs- Pixelelement nicht identisch mit der idealen geometrischen Mitte 25 des Sensors 10. Das Bezugselement ist gegenüber dieser Mitte 25 verschoben, und diese Verschiebung gibt die Systemtoleranzen wieder.

Zur Bestimmung des Bezugs-Pixelelements bedarf es nur einfacher geometrischer Berechnungen. Bei dem obigen Beispiel werden die Pixelelemente 12 an den jeweiligen Hell-Dunkel-Grenzen bestimmt, und es werden zwei Geraden angepaßt, deren Schnittpunkt berechnet wird. Das dem Schnittpunkt am nächsten liegende Pixelelement 12 ergibt das gesuchte Bezugs-Pixelelement.

Um das gefundene Bezugs-Pixelelement herum können die Pixelelemente 12 und/oder die Pixelelement-Felder 14 bestimmt werden, die bei einer Belichtungsmessung für eine Spotaufnahme verwendet werden sollen.

Statt die oben angeführte Berechnung auf der Grundlage einzelner Pixelelemente 12 auszuführen, ist es auch möglich, Pixelelemente 12 zu quadratischen oder rechteckigen Pixelelement-Feldern 14 zusammenzufassen, beispielsweise durch die bereits oben erörterte Mittelwertbildung. Der Berechnung werden dann diese Pixelelement-Felder 14 zugrunde gelegt. Zur Bestimmung der zwei Mittelsenkrechten werden diejenigen Pixelelement-Felder 14 ausgewählt, in denen nur ein Teil der Pixelelemente 12 beleuchtet ist, d. h. es gilt: 0 < Mittelwert < maximal möglicher Mittelwert. Nachdem die Mittelsenkrechten berechnet worden sind, wird dasjenige Pixelelement-Feld 14 bestimmt, in dem ihr gemeinsamer Schnittpunkt liegt. Innerhalb dieses Pixelelement-Felds 14 wird das dem Schnittpunkt am nächsten liegende Pixelelement 12 festgelegt.

Die Berechnung unter Verwendung der Pixelelement-Felder 14 läßt sich in kürzerer Zeit als mit den einzelnen Pixelelementen 12 durchführen.

Bezugsziffern-Liste

1

Mikroskop

2

Mikroskoptisch

3

Probe

4

(erstes) Teilstrahlenbündel

5

Belichtungsmeßeinrichtung

6

Strahlenteiler

7

(zweites) Teilstrahlenbündel

8

Okular

10

Sensor

11

Sensorfläche

12

Pixelelement(e)

13

"logisches" Netz

14

Pixelelement-Feld(er)

15

Kalibrierungsprobe (Platte)

16-19

Quadrantenfelder

20

Bildbereich

21

Lichtquelle

22

Objektiv

23

Sensoroptik

24

Strichplatte

25

geometrische Mitte von (

11

)

Claims

1. Kalibrierungsverfahren für eine Belichtungsmeßeinrichtung eines Mikroskops, dessen aus einem Mikroskopobjektiv (22) austretendes Strahlenbündel (4; 7) in ein zu einem Okular (8) führendes erstes Teilstrahlenbündel (7), in dem eine Strichplatte (24) mit einer Einstellmarke angeordnet ist, und in ein zweites Teilstrahlenbündel (4) aufgeteilt wird, das zu einem Sensor (10) führt, der aus elektrooptischen Pixelelementen (12) gebildet ist, denen eine elektronische Verarbeitungseinrichtung nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- auf dem Mikroskoptisch (2) eine einen Kalibrierungs-Bezugspunkt aufweisende Kalibrierungsprobe (15) angeordnet wird,
- durch Verschieben des Mikroskoptisches (2) der Kalibrierungs- Bezugspunkt der Kalibrierungsprobe (15) mit der Einstellmarke der Strichplatte (24) in eine vorbestimmte Lagebeziehung gebracht wird,
- in dieser Lagebeziehung die Kalibrierungsprobe (15) mit dem Kalibrierungs-Bezugspunkt auf Pixelelemente (12) des Sensors (10) abgebildet wird und
- unter den Pixelelementen (12) des Sensors (10) das Pixelelement als Bezugs-Pixelelement für nachfolgende Belichtungsmessungen bestimmt wird, auf das das Bild des Kalibrierungs-Bezugspunkts fällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (10) mit einer Pixelelement-Matrix verwendet wird und die Lagekoordinaten des Bezugs-Pixelelements in der Matrix in der elektronischen Verarbeitungseinrichtung gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pixelelemente (12) elektronisch zu nebeneinanderliegenden Pixelelement-Feldern (14) zusammengefaßt werden und dasjenige Pixelelement-Feld (14) bestimmt wird, auf das das Bild des Kalibrierungs-Bezugspunkts fällt, bevor das Bezugs- Pixelelement bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Pixelelemente (12) elektronisch zu nebeneinanderliegenden, quadratischen oder rechteckigen und bevorzugt gleich großen Pixelelement-Feldern (14) zusammengefaßt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der vorbestimmten Lagebeziehung der Kalibrierungs-Bezugspunkt der Kalibrierungsprobe (15) mit der Einstellmarke der Strichplatte (24) zur Deckung gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Einstellmarke ein Einstellkreuz der Strichplatte (24) verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kalibrierungsprobe (15) eine planparallele Platte verwendet wird, die ein Muster in der Form einander gegenüberliegender Quadrantenfelder mit paarweise optisch unterschiedlichen Eigenschaften aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Muster verwendet wird, bei dem ein Paar der einander gegenüberliegenden Quadrantenfelder lichtundurchlässig ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittpunkt der Begrenzungslinien der Quadrantenfelder als Kalibrierungs-Bezugspunkt der Kalibrierungsprobe (15) verwendet wird.