DE2008390A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen - Google Patents

Description

Die Fokussierung von Mikroskopen, d. h. die Scharfeinstellung des beobachteten Bildes erfolgt durch manuelle Betätigung der entsprechenden Einstellmittel mit Hilfe einer visuell durchgeführten Einstellkontrolle. Abgesehen davon, daß diese Einstellung einen relativ großen Zeitbedarf hat, wird vor allem auch die Scharfeinstellung des Bildes subjektiv beurteilt, so daß erfahrungsgemäß methodische Fehler der Beurteilung zur Wirkung kommen. Daraus resultieren insbesondere bei Mikroskopen, die zu Messungen am Objekt dienen, Fehler, die einen einwandfreien Vergleich der gemessenen Werte nicht ermöglichen.

Es sind Mikroskope für stereometrische Untersuchungen von Durchlichtobjekten bekannt, die eine quantitative Bildanalyse automatisch vornehmen. Durch den beschriebenen manuellen Einstellvorgang wird bei solchen weitgehend automatisierten Geräten die erreichbare Analysengeschwindigkeit in nicht vertretbarer Weise begrenzt.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fokussierung von Mikroskopen anzugeben, welche die erwähnten Nachteile nicht aufweisen und die eine von Einstellfehlern freie automatische Fokussierung ermöglichen.

Die Erfindung betrifft damit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß mit fernsehtechnischen Mitteln eine Längen- oder Flächenmessung am Bild eines ausgewählten Objektes durchgeführt wird und daß zugleich die Feinfokussierung des Mikroskops so lange verstellt wird, bis das Messsignal einen Minimalwert erreicht. Zur Messung selbst wird eine vorbestimmte

Referenzspannung so eingestellt, daß nur die Bildelemente, deren Videosignale diesen Spannungswert überschreiten, zur Flächenmessung beitragen.

Bei dem neuen Verfahren gilt als Kriterium für die Scharfeinstellung des Objektbildes auf der Photokathode der Fernsehaufnahmeröhre die von der Fernseheinrichtung ermittelte Minimallänge bzw. Minimalfläche des Objektbildes. Die Feinfokussierung des Mikroskopes wird beim Einstellvorgang kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit betätigt. Sobald die fernsehtechnische Einrichtung das Erreichen des Minimums des Messsignals signalisiert, wird automatisch die Verstellung der Feinfokussierung beendet. Das Mikroskop ist dann einwandfrei fokussiert, wobei diese Fokussierung auf einem objektiv festgestellten Kriterium beruht und aus diesem Grunde jederzeit reproduzierbar ist.

Bei der Längen- und Flächenmessung besteht eine eindeutige Beziehung zwischen dem ermittelten Messwert und der Einstellung der Feinfokussierungsmittel nur in einem begrenzten Intervall, wie die nachstehenden Ausführungen zeigen werden. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft die Feinfokussierung des Mikroskops auf dieses vorbestimmte Intervall zu begrenzen.

Die Wirkungsweise des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, welche in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.

In einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in schematischer Darstellung;

Fig. 2a und 3a das auf der Photokathode der Fernsehaufnahmeröhre entstehende Objektivbild bei Scharfeinstellung sowie das Videosignal einer Zeile;

Fig. 2b und 3b das auf der Photokathode der Fernsehaufnahmeröhre entstehende Objektbild bei unscharfer Einstellung sowie das Videosignal einer Zeile;

Fig. 4 die Abhängigkeit der Flächengröße des Objektbildes in Abhängigkeit von der Vertikalbewegung des Mikroskoptisches, in graphischer Darstellung;

Fig. 5 das Blockschaltbild einer Komparatorschaltung zum Unterbrechen der Verstellung der Feinfokussierung bei Erreichen der Schärfenebene;

Fig. 6a das Bild eines Objektes bei Verwendung einer relativ großen Meßblende;

Fig. 6b das Bild desselben Objektes bei Verwendung einer kleinen Meßblende.

In Fig. 1 ist mit 1 die Beleuchtungseinrichtung eines schematisch mit 2 dargestellten Mikroskopes bezeichnet. Das zu untersuchende Objekt ist auf dem Mikroskoptisch 3 gehaltert. Mit dem Mikroskop 2 ist eine Fernsehkamera 4 verbunden, welche elektrisch mit der Zentrale 8 in Verbindung steht. Mit der Zentrale ist weiterhin ein Monitor 9 und ein Bedienungspult 10 verbunden.

Der Mikroskoptisch 3 weist schematisch gezeichnete Vorrichtungen 5, 6 und 7 auf, welche zur Verstellung des Tisches in der x-, y- und z-Richtung dienen. Diese Einstellbewegungen werden wie angedeutet über die Zentrale 8 gesteuert. Die Feinfokussierung des in Fig. 1 dargestellten Mikroskopes erfolgt im betrachteten Beispiel durch Verschieben des Mikroskoptisches 3 in z-Richtung.

Fig. 2a zeigt das auf der Photokathode der Fernsehkamera 4 entstehende Objektbild eines fadenförmigen Objektes annähernd kreisförmigen Querschnittes dessen Längsachse annähernd senkrecht zur Mikroskopachse orientiert ist. Es ist der Zustand der optimalen Fokussierung dargestellt in welchem das Objekt als schmaler heller Streifen erscheint. Die mit 11 bezeichneten Abtaststrahlen liefern dann im Bereich des Objektbildes ein Videosignal 12, welches einen starken Spannungssprung zeigt.

Wird das Objektbild defokussiert, so wächst die Objektfläche im Bild, wobei gleichzeitig die Objektränder und Objektdetails in zunehmendem Maße undeutlich werden. Das Bild im defokussierten Zustand zeigt Fig. 2b. Das Objekt erzeugt in diesem Fall ein leicht aufgehelltes Band ohne scharfe Begrenzung und das entsprechende Videosignal 13 zeigt eine allmähliche Spannungsänderung über einen großen Teil der Fernsehzeile, wobei diese Spannungsänderung jedoch eine niedrige Maximalamplitude aufweist.

Die in den Fig. 2a und 2b dargestellte Linie 14 stellt die willkürlich eingestellte Lage der Diskriminatorschwelle für die Helligkeit des Objektbildes dar. Nur Videosignale, deren Spannungswerte die Diskriminatorschwelle 14 überschreiten werden zur Messung herangezogen.

Im dargestellten Fall wird eine Längenmessung über eine Schnittpunktzählung durchgeführt. Darunter versteht man die Zählung der Schnittpunkte der Zeilen 11 mit dem Objektrand beim Hell-Dunkel-Übergang. Bei einfach zusammenhängenden Objekten, wie im dargestellten Beispiel, kann damit unmittelbar die größte Erstreckung des Objektes in Vertikalrichtung gemessen werden. Da der Abstand der Abtastzeilen 11 äquidistant und konstant ist, ist die Anzahl der Schnittpunkte der Vertikalausdehnung des Objektes direkt proportional.

Die Schnittpunktzählung geschieht in der Zentrale 8. Es ist ohne weiteres zu sehen, daß die von der Fernseheinrichtung 4, 8 gemessene Länge bei unscharfer Einstellung nach Fig. 2b größer ist als bei optimaler Scharfeinstellung nach Fig. 2a.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden im allgemeinen Flächenmessungen vorgezogen, da diese auch bei komplizierten Objekten ein einwandfreies Messkriterium liefern.

Fig. 3a zeigt das Bild des schon in Fig. 2a gezeigten Objektes. Der Objekttisch 3 ist hier jedoch um 90° gedreht, so daß das Objektbild senkrecht zu den Abtastzeilen 11 liegt. Das im dargestellten Zustand der optimalen Fokussierung entstehende Videosignal einer Bildzeile ist mit 15 bezeichnet. Das im Fall des defokussierten Mikroskops auf der Kathode der Bildaufnahmeröhre entstehende Bild zeigt Fig. 3b. Das entsprechende Videosignal einer Bildzeile ist mit 16 bezeichnet. Die Linie 17 stellt die Diskriminatorschwelle für die Helligkeit des Objektbildes dar. Nur Videosignale, deren Spannungswerte die Schwelle 17 überschreiten werden zur Flächenmessung herangezogen.

Wie ohne weiteres einzusehen ist, liefert die Zentrale 8, welche die eigentliche Flächenmessung durchführt ein Signal, dessen Amplitude im Falle der optimalen Fokussierung, d. h. der kleinsten Fläche des Objektbildes niedriger ist als im Falle einer unscharfen Einstellung des Bildes.

Fig. 4 zeigt die Fläche des Objektbildes in Abhängigkeit von der Vertikalbewegung z des Mikroskoptisches 3. Wie der ausgezogen dargestellte Kurventeil 18 zeigt, weist das mikroskopische Bild des in der Höhenstellung z(tief]opt befindlichen Mikroskoptisches 3 eine Minimalfläche auf . In dieser Lage ist die optimale Fokussierung erreicht. Mit zunehmender Defokussierung wächst die Objektfläche im Bild wie dies die beiden gestrichelt gezeichneten Kurventeile 19 und 20 zeigen, welche für visuelle Betrachtung gelten. Das von der Fernseheinrichtung 4, 8 gelieferte, der Objektbildfläche F proportionale Signal i[tief]F (Z) wächst zwar mit der

Entfernung von der Schärfenebene ebenfalls zunächst an und folgt dabei dem Kurventeil 18, durchläuft jedoch bei stärkerer Defokussierung ein Maximum und fällt danach mehr oder minder steil ab unter Umständen bis auf den Wert Null. Dies ist in Fig. 4 durch die beiden punktiert gezeichneten Kurvenäste 21 und 22 gezeigt.

Das Zustandekommen der beiden Kurvenäste 21 und 22 ist aus der Betrachtung der Fig. 3a und 3b leicht zu erklären. Geht man vom optimal fokussierten Zustand aus, so wird bei zunehmender Defokussierung zunächst der Spannungssprung im Videosignal verbreitert, erreicht jedoch seine Maximalamplitude nicht mehr. Dies entspricht dem Ansteigen des Kurventeiles 18 und der anschließenden Kurvenäste 21 und 22. Bei weiterer Defokussierung wird schließlich ein immer geringerer Teil der Videosignale die Diskriminatorwelle 17 überschreiten, d. h. die Kurvenäste 21 und 22 fallen steil ab. Schließlich tritt der Zustand ein, daß das Videosignal vollständig oberhalb der Diskriminatorschwelle 17 verläuft, d. h. die beiden Kurvenäste 21 und 22 haben den Wert Null erreicht.

Derselbe Effekt tritt bei der in Fig. 2a und 2b dargestellten Längenmessung auf.

Aus Fig. 4 ist deshalb ersichtlich, daß es in jedem Fall vorteilhaft ist, den Fokussierbereich auf das Intervall von z[tief]min bis z[tief]max beispielsweise durch Endlagenschalter zu beschränken. Innerhalb dieses Intervalles ist die Schärfenebene eindeutig durch das Minimum des von der Fernseheinrichtung gelieferten Meßsignales gekennzeichnet.

Verstellt die Vorrichtung 7 zur Vertikalverschiebung des Mikroskoptisches 3 diesen mit konstanter Geschwindigkeit so markiert im Fall der Flächenmessung die mit einer Differenzierstufe erhaltene Ableitung der von der Meß- und

Auswerteeinheit in der Zentrale 8 gelieferten, dem Wert F(z) proportionalen Gleichspannung i[tief]F(t) im Nulldurchgang die Schärfenebene. Mittels einer Komparatorschaltung, wie sie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, wird beim Nulldurchgang des differenzierten Signales

Vorrichtung 7 abgeschaltet.

In der Schaltung der Fig. 5 wird dem aus dem Kondensator 23 und dem Widerstand 24 bestehenden Differenzierglied das Signal i[tief]F(t) zugeführt. Hinter dem Verstärker 25 erscheint dann das differenzierte Signal und wird dem mit 26 bezeichnetem Komparator zugeführt. Dem anderen Eingang dieses Komparators wird eine Referenzspannung zugeführt. Beim Nulldurchgang der Differenzierspannung wird über das Relais 27 der Schalter 28 betätigt, welcher die Vertikalbewegung des Mikroskoptisches 3 stoppt.

Die Empfindlichkeit der automatischen Fokussierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wächst mit der Beleuchtungs- und Beobachtungsapertur des Mikroskops. Bei der Wahl der Beleuchtungsapertur ist jedoch der erzielbare Kontrast der optischen Abbildung zu berücksichtigen.

Durch Wahl der im Strahlengang angeordneten Meßblendenfläche der Fernseheinrichtung läßt sich die Empfindlichkeit der automatischen Fokussierung in weiten Grenzen ändern. Ein ausgedehntes Objekt liefert im Fall der Flächenmessung bei einer großen Meßblendenfläche wie sie in Fig. 6a dargestellt ist, nur verhältnismäßig geringfügige Änderungen der Flächenmessung beim Fokussiervorgang nahe der Schärfenebene. Bei einer gemäß Fig. 6b in der Höhe eingeengten Meßfeldblende hingegen ist die relative Änderung der angezeigten Objektfläche mit der Höhenverstellung des Tisches 3 wesentlich größer.

Abschließend soll noch der Funktionsablauf bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Rahmen einer automatischen DickenBestimmung an einer Vielzahl mikroskopischer Objekte beschrieben werden.

Mit dem Betätigen der Starttaste am Bedienungspult 10 wird über die Zentrale 8 der Mikroskoptisch 3 gemäß dem vorgewählten Programm für die x- und y-Richtung über die Vorrichtungen 5 und 6 motorisch verstellt. Nach Einlaufen in die
<NichtLesbar>

Claims (5)

1. Verfahren zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen, dadurch gekennzeichnet, daß mit fernsehtechnischen Mitteln eine Längen- oder Flächenmessung am Bild eines ausgewählten Objektes durchgeführt wird und daß zugleich die Feinfokussierung des Mikroskopes solange verstellt wird, bis das Meßsignal einen Minimalwert erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Längen- oder Flächenmessung eine vorbestimmte Referenzspannung so eingestellt wird, daß nur die Bildelemente, deren Videosignal diesen Spannungswert überschreiten, zur Messung beitragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinfokussierung des Mikroskops auf ein vorbestimmtes Intervall begrenzt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem Mikroskop (1, 2, 3) verbundene fernsehtechnische Einrichtung (4, 8) zur Längen- oder Flächenmessung am mikroskopischen Bild bei vorgegebener Ansprechempfindlichkeit, eine Anordnung (23, 24, 25) zur Differenzierung des von der fernsehtechnischen Einrichtung gelieferten Signals, einen Motor (7) zur Verstellung der Feinfokussierung innerhalb eines durch Endlagenschalter begrenzten Intervalls sowie durch einen mit der Differenzieranordnung verbundenen Betätigungsschalter (28) für diesen Motor.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende zur Begrenzung des der fernsehtechnischen Einrichtung (4, 8) zugeführten Objektbildes vorgesehen ist.