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Fernshmikriskollp großer Schärfentiefe Die Erfindung bezieht sich
auf ein Fernshmikroskop, bei dem das auf dem Objektiv des Mikroskops vorhandene
Gegenstandsbild auf dem Leuchtschirm eines Fernsehempfängers beobaohtet wird. Bei
Fernsehmikroskopen dieser Art wird zur Erzeugung des Bildsignals eine bekannte Fernsehabtastvorrichtung,
z. B. eine Bildaufnahmeröhre benutzt, welche das von der Mikroskopanordnung entrortene
Bild des Gegenstandes. auf dem Objekttisch in eine Folge elektrischer Signale umvandelt.
Derartige Abtastvorrichtungen sind z.B. Fernsehaufnahmeröhren mit Speicherelektroden,
in denen ein abgelenkter Elektronenstrahl die punktweise Entladung des auf dem Speicherschirm
entstandenen Ladungsbildes bewirkt. Andere Abtastvorrichtungen bestehen z.B.
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in einer Lichtstrahlabtastvorrichtung in Verbindung mit einer Fotozelle,
bei denen ein wandernder Lichtstrahl, etwa von dem Leuchtschirm einer Kathodenstrhlröhre,
den Gegenstand auf dem Objektiven abtastet und schließlich auf eine Fotozelle trifft,
von deren Ausgang die Bildsignale entnommen werden.
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Bei dieser Anordnung dient die Fernsehenlage in erster Linie dazu,
die Betrachtung des Mikrcskopbildes duroh Wiedergabe auf einen Bildschirm zu erleichtern
und eventuell einem größeren Zuschauerkreis zugänglich zu machen.
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Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um die Auigate, zusätzlich
zu diesen Vorteilen auch noch eine verbesserte
Leistung des Mikroskops
zu erzielen, insbesondere Bilder mit einer wesentlich höheren Schärfentiefe zu gewinnen,
als bei direkter Betrachtung mit dem gleichen Objektiv möglich ist.
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Diese und weitere Vorteile werden boi einem Fernsehmikroskop dadurc
erhalten» daß die Schärfeebene des Objektivs mit elektromechanischen Mitteln mit
einer unterhalb der Bildfrequenz des Fernsehsystems liegenden Frequenz längs der
optischen Achse verschoben wird, und daß die von dem Fernsehnahmesystem erhaltenen
Fernsehsignale zunächst differenziert und dann erst dem Monitor zugeführt werden.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf die obendargestellte
Weise ein Mikroskopbild auf dem Monitorschirm mit erheblich höjerer Tiefenschärfe
und zugleich größerem Kontrast erhalten wird, da die aus der Abtastung unscharfer
oder kontrastarmer Eildpunkte sich ergebenden Bildsignale, einsohließlioh derjenigen
mit Bewegungsunschärfe, durch die Differenzierung unterdrückt werden Die Differenzierung
von Bildsignalen ist eine an sich bekannte Technik, die mit Hilfe von Differenziervestärkern
und Zeitkonstantengliedern in eingacherd Weise durchgeführt werden kann.
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Ein bekanntes Differenzierverfahren ist z. B. die aog. Aperturkorrektur,
bei welcher die Konturen eines Fernsehbildes deutlich hervorgehoben und die konturlosen
Flächen unterdrückt werden, ein anderes die Differenzbildmethode, bei der die gespeicherten
Bildsignale eines ersten Bildes von denjenigen des folgenden Bildes Subtrahiert
werden.
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Diese Möglichkeit einer Verbvesserung der Leistung des Mikroskops
wird dadurch erlialten, daß aus dem Fehlen von Bewegungsvorgängen im Mikroskopbild
Nutzon gezogen wird. Wenn man bei oinom Fernsehbild mit Bewegugsvorgängen noch zuaätzlich
die Schärfeebene des Objektivs verschiebt, so wird dadurch die Speicherdauer des
Ladungsbildes verkürzt, woraus sioh ein verschlechtertes Signal/ Rauschverhältnis
ergibt. Bei einem Mikroskopbild ohne Bewegungsvorgänge kann man Itausch-Störungen
durch zeitliche
Mittelung aufeinnanderfolgender Bilder erheblich
vermindern. Das Auge integriert infolge seiner Trägheit über eine Zeit bis etwa-1/10
Sek., außerdem kann man durch Verwendung eines länger nachleuchtenden Leuchtschirmes
eine noch größere Integrationszeit einführen.
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Nach einer Ausführungsform der Erlindung kann die Variationsperiode
für die Verlagerung der Schärfeebene das 3 bis 10-tache -dor Bildwechselperiode
betragen. Die Schwingungsform kann z. 13.
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sinusförmig sein, vorteilhaft ist jedoch eine sägezahnartige Schwingungsform.
Da die Schwingungsperiode ziemlich lang ist, kann die Verschiebung der Schärfeebene
relativ zu dem Objekt auf elektromechanische Weise erfolgen, etwa durch den Anker
eines Elektromagneten. Es ist jedoch auch möglich, die Schärfeebene mit piezoelektrischen
Mitteln zu verlagern. Z. B. wurde bereits eine Flüssigkeitslinse mit variabler Brennweite
angegeben, deren transparente flexible Grenzflächen durch Veränderung des Drucks
der Flüssigkeit einen geänderten Krümmungsradius erhalten. Die Druckänderung kann
z.B. mit flilfe von in die Flüssigkeit eintauchenden piezoelektrischen Körpern bewirkt
worden. Eine derartige Linse variabler Brennweite im Strahlengang eines üblichen
Mikroskops erlaubt eine Verschiebung der Schärfeebens des Objektivs relativ zu den
zu beobachtenden Objekt, entsprechend einem elektrischen Signal.
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Welterllin liegt es im Rahmen der Erfindung, bei einer derartigen
Einrichtung aus dem gewonnenen Fernsehsignal Regelsignale abzuleiten, die den Abstand
zwischen Objekt und Objektiv mittels eines elektromechanischen Transducers, z.B.
eines Stellmotors, derart vorschieben, daß das Objekt in den optimalen Schärfebereich
eingestellt wird, mit anderen Werten, die Einstellung des Mikroskops kann nunmehr
automatisch statt von Iland erfolgen.
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Zu diesem Zweck wird z. 3. der Objekttisch mittels eines Stell.-motors
in oiner ILichtung in der eine scharfe Abbildung vormutet werden kann, in Bewegung
gesetzt. Diese Bewegung wird automatisch
unterbrochen, wenn die
Fernsehsignale eine bestimmte Signalamplitude hohen, Diese und weitere Einzelheiten
und Weiterbildungen der Erfindung werden iiit folgenden anhand der flegleitzeichnungen
erläutert, die in Figur i eine schematische Darstellung des -verbesserten Fernsehmikroskops,
in Figur 2 ein Diagram des Schwingungsverlaufs der Schärfesbene, in Figur 3 die
Vorder- und Seitenansicht eines Fernsehmikroskops und in Figur 4 die vergrößerte
Vorderansicht mit den Bedienungsverlaufs zeigen.
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In Figur 1 ist 1 der Tubus eines Mikroskops, welches mit einem Okular
2 und einen ObJektiv 3 versehen ist. Das Mikroskop weist ferner einon Objokttisch
4 auf, auf welchem sich ein Objekt 5 befindet. Ein Abbild des Objekts 5 wird durch
die Mikroskop optik auf die Fotokathode einer Fernsehaufnahmeröhre 6 - etwa ein
Vidikon - entworfen. Die Fotokathode dieser Röhre befindet sich auf einer Frontplatte
7, die dem Okular 2 in geeigneter Entfernung gegenübergestellt ist. Die Fernsehaufnahmeröhre
ist ferner mit einem Ablenksystem 8 versehen, welches eine Abtastung des durch die
Fotokathode 7 erzeugten Ladungsbildes und die Gewinnung von Fernsehsigüalen ermöglicht,
die bei 9 aus der Röhre entnommen werden.
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Die Anlage umfaßt weiter ein Wiedergabegerät oder einen Monitor 10,
auf dem die Mikroskopbilder zur Darstellung gebracht worden.
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Zur Erzielung einer Bewegung der Schärfeebene relativ zu der Objektebene
auf dem Mikroskoptisch 5 ist eine elektromechanische Vorrichtung ii vorgesehen,
die den Objelcttisch mit einer gegen die Bildwechselzahl der Fernseliabtastung langsamen
Schwingung blin- und herbewegt.
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Zusätzlich zu der Schwingungsbewegung des Objekttisches ist noch
eine gleichförmige Bewegung mit Hilfe eines Stellmotors 12 vorgesehen, dessen Steuerung
an späterer Stelle erläutert wird.
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Ein Oszillator 13 liefert Taktimpulse zur Erzeugung der Zeilen-und
Bildablenkung des Elektronenstrahls sowie zur Erzeugung der Schwingungen des Objekttisches.
Die Taktimpulse für die Zeilenablenkung werden unmittelbar dem Sägezahngenerator
14, die für die Bildablenkung einem weiteren Sägezahngenerator 15 über eine Teilerstuie
i6, und die für die Sohwing'bewegung der Schärfeebene einem dritton Sägezahngenerator
17 über eine weitere Teilerstufe 18 zugeführt. Die Sägezahnablenkenergie der Generatoren
14 und 15 kann außer den Ablenkapulen 8 der Bildaufnahmeröhre noch dem Monitor 10
zugeführt norden.
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Der Ausgang der Bildaufnahmeröhre, von der die Videosignale abgenommen
werden, ist mit dem Eingang eines Videoverstärkers 18 verbunden, dessen Ausgangssignale
an eine Differenzierstufe 19 geliefert werden. Die am Ausgang der Differenzierstufe
i9 vorliegenden Dildsignale dienen zur Erzeugung des Monitorbildes und werden dem
Monitor 10 über die Leitung 20 zugeführt.
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Nimmt man nun an, daß die Oberfläche des Objekts 5 sehr rauh ist oder
daß innerhalb eines Präparats sehr kleine Teilchen in verschiedener Tiefe des Einbettungsmediums
vorhanden sind, so wird ohne die Betätigung des die Schärfe ebene variierenden Motors
jeweils nur eine einzige Ebene des Präparats scharf erscheinen.
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Daher entsteht auf dem Schirm des Monitors 10 nur ein wenig detailreiches
und zum Teil sehr unscharfes Bild, das sich auch durch die Einschaltung der Differonzierstufe
19 nur unwesentlich verbessert. Schaltet man nun aber den Motor 11 ein, welcher
die Schärfeebene um eine Mittelebene hin- und herschwingen list, die etwa in der
Mitte der Präparatschicht verläuft, so entsteht auf dem Schirm des Monitors 10 ein
sehr detailreiohes Bild, da alle unscharten und gradationslosen Stollen unterdrückt,
hingegen
sämtliche kanten und Umrandungen des Präparats auch in
der Tiefe der Präparatschicht hervorgehoben sind. Auf diese Weise entsteht oin Bild,
in welchem die Uiarisse der Teilchen des Präparats senkrecht übereinander projeziert
sind. Bei einem solchen Bild ist es wesentlich leichter, die gosuchten Gegenstände
zu erkennen als wenn nur wenige Gegenstandsumrisse des Präparats dargesttelt werden,
In der Figur 1 ist ein Schalter 2i gezeigt, welcher des erlaubt wahlweise die Differenzierstufo
der abzuschalten.
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Da die Periode oder Schwingung der Schärfeebene wesentlich größer
ist als die Bildwechselperiode, welche nach der hartigen Norm 25 bzw. 50 Hz beträgt,
so kann sich die Bewegung der Schärfeebene durch Flimmorn des Schirmbildes bemerkbar
machen.
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Diesen Nachteil kann man jedoch weitgehend durch Verwendung eines
lang nachleuchtenden Leuchtstoffs auf dem Empfaugschirm unterdrügken. Ein lang nachleuchtendes
Empfangsbild würde alle dings die Einstellung des richtigen Objektivabstandes, namentlich
bei starker Vergrößerung, erschweren. Diese Schwierigkeit läßt sich aber durch ein
bildsignalsesteuertes Servosystem überwinden.
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In der Figur ist eine weitere Schaltungseinheit 22 dargestellt, welcher
einerseite die differenzierten Bildsignale und andererseits die elektrischen Schwingungen
zur Veränderung dor Schärfeebene von dem Generator 17 her zugeführt werden. Diese
Stufe 22 kann als Degrenzerstufe und Regelstufe ausgestaltet werden, welche dazu
dient, entsprechend der Amplitude des empfargenen Bildsignale die Amplitude der
Schwingbewegung der Schärfeebene sowie die Mittellage zu steuern. Derartige Serverchaltungen
sind heute aus der Fernsehtechnik und Regeltechnik geläufig, so daß der Fachmann
ohne weiteres zur Ausgestaltung der Regelstufe 22 in dor Lago ist. In der Figur
1 ist eine Verbindung zwischen dem Regelgerät 22 und einem Stellmotor 12 gezeichnet,
welche
besagt, daß der Stolliotor den Objekttisch immer auf die
Höhe einstellt, bei welcher die Bildsignale symmetrisch zur Phase Null der Schwingung
der Schärfeebene liegen.
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In Figur 2 ist der Fall einer unsymmotrischen Lage der Dildsignale
angedeutet. Im oberen Teil dor Figur 2 ist die Schwingung der Scharfeebene in Sägezahnform
dargestellt. Sie währt, wie auf der Abszissenachse aufgetragen, ca. 7 Bildwechsel.
In dem daruntcr gezeichneten Bildsignal sind nur während der Dildperioden 1 - -5
wessentliche Amplituden vorhanden, während in den restlichen Bildperioden 6 und
7 keine Bildsignale auftreten.
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Dor Stellmotor 12 wird aber durch die Einwirkung der Regelschaltung
22 den Objekttisch so verschieben, daß praktisch während der ganzen Sägezahnperiode,
d. h, während aller sieben Bildperioden Bildsignale auftreten. Damit wird von der
Apparatur auch die übliche meachnisohe Einstellung der Objektebene übernommen, welche
erforderlich ist, um den richtigen Abstand des Objektive vom Präparat zu finden.
Die Schwingungsamplitude der Schärfeebene und ihre Frequenz kann schließlich noch
dadurch beeinlsußt werden, daß der Frequenzteiler 18 und der Generator 17 von Hand
verstellbar gemacht werden.
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Die Empfindlichkeit der Anlage hängt wesentlicht vom Hub der Schärfeebene
ab, da bei zu großem ilub oder zu rascher Bewegung ein etwa auftauchende Detail
des Bildes zu schnell wieder im Untergrund verschwindet, bevor auf dem Target der
Aufnalmeröhre eine zur Signalerzeugung hinreichende Ladungsmenge gespeichert ist.
Daher wird man bei einem zu kleinen Signalauschverhältnis des Dildsignals den Ilub
oder die Schnelligkeit der Bewegung verringern, br. die Periode vergrößern, und
vioe versa, bis man zu einem Optimum gelangt.
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In Figur 3 ist links eine Seitenansicht und rechts eine Vorderansicht
des Fernsehmikroskops gezeigt. IIierin ist 23 die Fernsebaufnahmekamera, 24 das
an einem Stativ befestigte Mikroskop,
25 der von einem Stellmotor
26 bewegbare Objekttisch, an welchem ein mechanischer Schwingungsgenerator 27 befestigt
ist, der dem Objekt eine parallel zur optischen Achse gerichtete Schwingung ertollt,
In dom unteren Geräteteil 28 befindet sich eine 13ildwiedergaberöhre 29, so eine
Anzahl von Bedienknöpfen und -schaltern, mit denen die Funktion der JCamera und
der elektromechanischen Motoren gesteuert werden kann. Das eine Mehrzahl von verschieden
starken Objektiven tragende Magazin 29 ist mit seiner Drehachse mit einem Schalter
verbunden, der den Ilub der Objektbewegung der jeweiligen Vergrößerung anzupassen
erlaubt.
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In Figur i ist ein entsprechender Schalter 30 mit Widerständen 30a,
b und c angegeben. Ferner ist in Figur 3 eino strichlierte Linie 31 zwischen der
Achse des Magazins und 29 und dem Geräteteil 28 gezogen, welche auf diese Umschaltung
der Hubamplitude hindeuten soll.
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Die Bedienung des Mikroskops ist aus Figur 4 zu entnehmen, wo der
untere Geräteteil 28 mit den Stellknöpfen im vergrößerten Maßstab dargestellt ist.
Um ein Objekt auf den Objekttisch zu legen, stellt man zunächst den Schalter 32
unten links in die Stellung "Lösen", drückt dann auf den Enopr 33t so daß der Objekt
tisch sich vom Mikroskop entfernt. Hiernach stellt man den Schalter 32 nach links
und veranlaßt duroh Drücken des Knopfes 34 eine Aufwärtsbewegung, welohe automatisch
gestoppt wird, wenn Bildsignale auftreten bzw. auf dem Leuchtschirm 29 ein Bild
erscheint. Nunmehr kann man durch Drehen des Knopfes 35 den Hub, und durch Drehen
des Knopfes 36 die Periodendauer so verändern, bis man größte Auflösung und Bildgüto
erzielt hat.
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Ein derartiges Fernsehmikroskop liefert also bei gleichem Objektiv
Bilder vesontlioh höherer Schärfe und höheren Kontrasts als bei der üblichen Betriebsweise
mit fest eingestellter Schärfeobene. Darüberhinaus kann für das Servosystem eine
automatische Schärfestellung erzielt werden, so daß Serienbechachtungen rascher
und müheloser abgewickelt werden können.