DE2205178C3 - Automatisches Scharfeinstellsystem - Google Patents

Description

wird.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder der Gitter (28, 30) ebenfalls au! der Fotokathode der Kamera gebildet werden und die Gitter so eingestellt sind, daß die Schlitze (32) zur Richtung der Zeilenabtastung senkrecht stehen.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das durch Zeilenabtastung erhaltene Videosignal synchron mit der Abtastung durch Stromkreiseinrichtungen (23, 25, 74, 76) ausgeblendet wird, um als zwei getrennte elektrische Signale die Amplitudenschwankungen des Videosignals freizugeben, welche den beiden Sätzen der schmalen Schlitze in den beiden Gittern entsprechen.

11. System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Durch schnittswertes der Amplitudenschwankungen während jeder Bildabtastung für jedes der beiden getrennten Signale und durch eine Vergleichseinrich'iung zum Vergleichen der beiden Durchschnittswerte, um ein Fehlersignal zu erzeugen.

12. System nach Anspruch 3, in Kombination mit einem Mikroskop für durchgehendes Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gitter auf jeder Seite der Blickfeldblende (24) eines sekundären Beleuchtungssystems (50) angeordnet sind, so daii sie sich längs einer Kante der Blickfeldblende in den Bereich derselben erstrecken, daß das sekundäre Beleuchtungssystem (50) eine Lichtquelle (14) aufweist, welche eine Strahlung erzeugt, deren Wellenlänge von jeder verschieden ist, die zum Erzeugen des Lichts für die Beleuchtung der Probe von unten verwendet wird, sowie daß die reflektierende Oberfläche auf dem Träger (42) aus einem die Wellenlänge auswählenden optischen Überzug oesteht, der das Licht von der unterhalb der Probe angeordneten Quelle (48) durchgehen läßt, aber das Licht des sekundären Beleuchtungssystems (50) reflektiert.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das scharf eingestellte Bild der Probe und die defokussierten Bilder der Gitter auf der Fotokathode einer Fernsehkamera gebildet werden, welche für beide Wellenlängen empfindlich ist.

14. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das durchgehende Licht von dem reflektierten Licht mit verschiedener Wellenlänge getrennt ist, sowie daß des scharf eingestellte Bild der durch durchgehendes Licht beleuchteten Probe auf der Fotokathode einer Fernsehkamera (66) gebildet wird, während die Bilder der beiden Gitter (28, 30) auf der Fotokathode einer anderen Fernsehkamera (64) gebildet werden.

Die Erfindung bezieht sich auf automatische Scharfeinstellungssysteme insbesondere für die Verwendung in Verbindung mit einem Mikroskop.

Wenn ein elektrisches Videosignal durch Abtasten von einem Bild abgeleitet wird, kann ein Maß der Schärfe des Brennpunktes des Bildes erhalten werden, indem ein Signal abgeleitet wird, dessen Amplitude zum Hochfrequenzinhalt des Videosignals proportional ist. Durch Einstellung des Brennpunkts wird sich die Amplitude des Signals, die dem Hochfrequenzinhalt des Videosignals entspricht, verändern und ein Maximum an

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fender Na! 5p"?j.=n Die

er Nähe der Stelle des optimalen Brennpunkts ^chen." Dieses Prinzip hat die Basis für viele "^matische Scharfeinstellungssysteme gebildet. In ? typischen Fall wird ein Fehlersignal erzeugt,

l_cs eine teilweise Veränderung des Brennpunkts ¹^k" Bildes bewirkt, und der Hochfrequenzinhalt des Jjjrfeosignals _w}_rd sowohl vor als auch nach der ^weisen Veränderung des Brennpunkts verglichen. Je eh dem Ergebnis des Vergleichs wird _apäter »in {Swersignal erreugt, um das ursprüngliche Fehlersignal feuheben, wenn die Veränderung des Brennpunkts ■ Verringerung des Hochfrequenzinhalts ergeben El oder um ein zweites ähnliches Fehlersignal zu eräugen, wenn das erste Fehlersignal eine Verbesse-

ne des Hochfrequenzinhalts des Videosignals bewirkt Tt Au^{f diese Weise kann ein Svstem} ausgebildet \icrdsn, das nach der Stellung des optimalen Brenn-

Dunkts sucht.

- Leider weisen solche Systeme zwei ernstliche

' Nachteile auf. Der erste Nachteil besteht darin, daß sich

* das absolute Niveau des Hochfrequenzinhalts des

- ^deosignais mit dem Bildinhalt verändert, in einem

* Bild das eine große Zahl kleiner, scharf begrenzter BldDunkte enthält, wird daher der Hochfrequenzinhalt viel hoher sein als in einem Videosignal, welches einem Bild entspricht, das nur einen kleinen, scharf begrenzten

* Bildpunkt enthält. Der zweite Nachteil besteht in der Tatsache, daß viele Bildpunkte nicht scharf begrenzt and Es ist manchmal schwierig, einen genügend hohen Hochfrequenzinhalt von dem Videosignal eines solchen Bildpunktes abzuleiten, wie zum Beispiel einer patholo-(rischen oder biologischen Probe, um die Ableitung eines

die Schärfeeinstellung regelnden Signals zu ermöglichen Wenn die Probe selbst nur einen geringen Kontrast aufweist, ist es außerdem sehr wahrscheinlich, daß sich das System auf die Trägerplatte der Probe oder (falls vorgesehen) auf das aus Glas besiehende Deckplättchen der Probe einstellt, da diese Gegenstände ein höheres Niveau des Hochfrequenzinhalts im Videosignal liefern als die Probe selbst.

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht daher in der Ausbildung eines automatischen Scharfeinstellungssystems, in welchem das die Schärfeeinstellung regelnde Signal von dem Inhalt des einzustellenden Bildes unabhängig ist.

Eine zweite Aufgabe besteht in der Ausbildung eines Scharfeinstellungssystems, in welchem zwei elektrische Signale erzeugt werden, deren relative Amplituden verglichen werden können, um anzuzeigen, ob das Bild scharf eingestellt ist, und wenn dasselbe unscharf ist, in welcher Richtung das System eingestellt werden muß, um den Brennpunkt des Bildes zu verbessern.

Die Erfindung ist unmittelbar geeignet für optische Systeme, in welchen die Probe durch auffallendes Licht beleuchtet wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht jedoch in der Ausbildung eines abgeänderten Systems, das für Proben verwendet werden kann, welche durchsichtig oder durchscheinend sind und welche durch sogenanntes durchgehendes Licht beleuchtet werden. fco

Noch eine weitere Aufgabe besteht in der Ausbildung eines automatischen Scharfeinstellungssystems, in welchem das Maß des Brennpunkts und ein Korrektursignal aus einer einzigen Abtastung durch übliche Zeilenabtastung des Feldes erhalten werden können. (>5

Ein System zum Erzielen eines korrekt scharf eingestellten Bildes einer auf einem Träger angeordneten Probe in einem optischen System ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine reflektierende Oberfläche auf dem Träger, welche die Bilder von zwei Gegenständen, die in verschiedenen Abständen von der reflektierenden Oberfläche liegen, auf eine lichtempfindliche Vorrichtung reflektiert von welcher durch Zeilenabtastung zwei getrennte elektrische Signale erhalten werden, deren Größe die Schärfe des Brennpunkts der beiden Gegenstandsbilder anzeigt, welch letztere durch den Abstand zwischen dem Träger und dem optischen System bestimmt wird, wobei die relativen Stellungen der beiden Gegenstände und der lichtempfindlichen Vorrichtung derart ausgewählt werden, daß die beiden Gegenstandsbilder in gleicher Weise defokussiert werden, wenn der Abstand zwischen dem Träger und dem optischen System ein korrekt scharf eingestelltes Bild der Probe ergibt, sowie durch Stromkreiseinrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Fehlersignals, dessen Größe zu irgendeiner Differenz zwischen den Größen der beiden elektrischen Signale proportional ist, und durch einen Schärfeeinstellungsregler, der entsprechend einem Fehlersigna! wirksam ist, um den Abstand zwischen dem Träger und dem optischen System derart zu verändern, daß die Größe des Fehlersignals verringert wird.

Die Polarität des Fehlersignals zeigt vorzugsweise an, ob der Abstand zu vergrößern oder zu verkleinern ist (d. h. die Richtung, in welcher der Träger relativ zum ersten optischen System bewegt werden muß oder umgekehrt), um die Größe des Fehlersignals zu verringern.

Die beiden Gegenstände bestehen vorzugsweise aus Gittern, weiche parallele, abwechselnd schmale und breite Schlitze aufweisen, wobei die beiden Gitter so angeordnet sind, daß die schmalen Schlitze des einen mit den breiten Schlitzen des anderen ausgerichtet sind und umgekehrt.

Wenn die Probe größtenteils undurchsichtig ist, kann gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung die Oberfläche derselben als die reflektierende Oberfläche auf dem Träger verwendet werden. Falls die Probe nicht hinreichend undurchsichtig ist, sondern von oben durch auffallende: Licht beleuchtet werden kann, wird die Probe vorzugsweise auf einer reflektierenden Unterlage angeordnet, welche dann die reflektierende Oberfläche bildet. Es kann aber auch eine polierte Oberfläche des Trägers die reflektierende Oberfläche bilden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die auf ein Mikroskop für auffallendes Licht zur Anwendung kommt, sind die beiden Gitter auf jeder Seite der Blickfeldblende im Beleuchtungssystem angeordnet, so daß sich die beiden Gitter längs einer Kante der Biickfeldblende in den Bereich derselben erstrecken, wodurch der wirksame Beleuchtiingsbereich auf der Probe in geringem Maße verringert wird, während die beiden Gitter in der vorstehend beschriebenen Weise ausgerichtet sind. Wenn das scharf eingestellte Bild der Probe auf der Fotokathode einer Fernsehkamera gebildet wird, bildet dieselbe die lichtempfindliche Vorrichtung. Das durch Abtasten in der Kamera abgeleitete Videosignal wird während jeder Bildabtastung über jene Teile des Bildes ausgeblendet, welche den reflektierten Bildern der Gitter entsprechen. Zweckmäßig werden die Gitter so angeordnet, daß ihre Schlitze zu der Zeilenabtastung senkrecht stehen. Da dieselben relativ zu der Abtastung fixiert sind, wenn die Abtastgeschwindigkeit konstant ist, können die Amplitudenschwankungen des Videosignals, welche dem einen Satz der schmalen Schlitze

2ntsprechen, von jenen getrennt werden, welche dem anderen Satz der Schlitze entsprechen (sowie auch vom gesamten Videosignal), um dadurch die beiden getrennten Videosignale zu erzeugen. Die Amplitudenschwankungen (oder Durchschnittswerte) der beiden Signale können verglichen werden, um ein Fehlersignal abzuleiten. Je nachdem, welches Signal stärker ist als das andere, kann dem Fehlersignal die eine oder andere Polarität gegeben werden, so daß ein die Schärfeeinstellung regelndes Signal erzeugt werden kann, das auf eine Wandlereinrichtung zur Einwirkung gebracht wird, um eine relative Bewegung zwischen dem Probenträger und dem Mikroskopobjektiv zu bewirken.

Ein deutlicher Vorteil wird erzielt, wenn die Oberfläche der Probe oder die Probenunterlage an Stelle einer getrennten Oberfläche auf dem Träger verwendet wird, um die in den beiden unscharfen Bildern der Gitter enthaltene Einstellungsinformation zu reflektieren. Die Oberfläche ist nicht nur relativ zu der Probe fixiert, sondern es kann außerdem ein einziges optisches System verwendet werden, um das Bild der Probe und die Bilder der beiden Gitter zu erzeugen, wie vorstehend beschrieben wurde. Wenn die Probe undurchsichtig ist oder auf einer undurchsichtigen Unterlage aufruht, kann dies leicht erreicht werden. Wenn jedoch die Probe nur durch durchgehendes Licht beleuchtet werden kann (und daher als eine Probe für durchgehendes Licht bezeichnet wird), dann ist keine Oberfläche leicht verfügbar, von welcher die unscharfen Bilder der beiden Gitter reflektiert werden können.

Der sehr kleine Prozentsatz der Reflexion, die durch gewöhnliche Glasoberfiächen erzielt werden kann, ist unzureichend, da die Vorteile der Erfindung am besten verwirklicht werden, wenn vor den reflektierten Bildern der Schlitze in den Gittern ein starkes Signal erhalten wird. Dieses Problem bei Proben, welche durch durchgehendes Licht beleuchtet werden, kann gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung überwunden werden, indem zwei verschiedene Beleuchtungsquellen vorgesehen werden. Die eine liefert das Licht für die durchgehende Beleuchtung der Probe, während die andere eine verschiedene Art der Beleuchtung für die Gitter vorsieht Die erste Quelle ist so ausgewählt daß sie das Licht liefert, das durch die Probe hindurchgeht, und die zweite Quelle ist so ausgewählt, daß sie das Licht liefert das zum größten Teil durch die Probe oder eine mit der Probe verbundene Oberfläche reflektiert wird. In einigen Fällen weist das die Probe bildende Material oder die Unterlage für die Probe ein ausreichendes Trennungsvermögen auf, um beispielsweise zu ermöglichen, daß eine Farbe des Lichts für die durchgehende Beleuchtung der Probe und eine andere Farbe zum Beleuchten der Gitter und zum Erzeugen der Bilder der Gitter auf der Probe verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Licht im sichtbaren Spektrum beschränkt und die eine oder andere der Quellen kann auch im ultravioletten oder infraroten Bereich liegen. Das Trennungsvermögen der Probe oder der Unterlage für die Probe kann verbessert werden, indem die Probe oder die Unterlage mit einem die Wellenlänge ^₀ auswählenden optischen Überzug bedeckt wird.

Solche Überzüge sind bekannt und ein typischer Überzug, der sichtbares Licht durchgehen läßt aber infrarotes Licht reflektiert, ins CALFLEX-C

Nachstehend werden einige beispielsweise Aus- _6; führungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in weichen zeigt

Fig.l schematisch das optische System eines Mikroskops zum Betrachten einer Probe, die durch auffallendes Licht beleuchtet wird, welches durch das Objektiv des Mikroskops auf die Probe gerichtet ist, wobei das optische System Scharfeinstellungsgitter gemäß der Erfindung enthalt,

Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht des optischen Systems gemäß Fig. 1, und zwar der Blickfeldblende und der beiden Gitter auf jeder Seite derselben,

F i g. 3a eine Fernsehdarstellung dessen, was durch das Mikroskop der Fig.l sichtbar ist, wenn das System in geringem Maße unscharf eingestellt ist, so daß der eine Satz der Gitterschlitze scharf eingestellt und der andere Satz unscharf eingestellt ist,

F i g. 3b eine F i g. 3a ähnliche Darstellung, welche den Zustand veranschaulicht, wenn das System in gleichem Maße in der entgegengesetzten Richtung unscharf eingestellt ist, so daß der andere Satz der Gittei schlitze scharf eingestellt ist,

Fig.4 ein Blockschaltbild eines vollständigen Systems gemäß Fig.l,

F i g. 5 einen Schnitt durch den Objektträger eines Mikroskops, der eine Probe trägt, welche durch durchgehendes Licht beleuchtet ist,

F i g. 6 eine schematische Darstellung des optischen Systems eines Mikroskops zum Betrachten einer durch durchgehendes Licht beleuchteten Probe, wobei das optische SJystem Scharfeinstellungsgitter gemäß der Erfindung enthält, und

Fig.7 ein Blockschaltbild, welches ein vollständig automatisches Scharfeinstellungssystem für ein Mikroskop veranschaulicht, dessen optisches System dem in F i g. 6 dargestellten entspricht.

Fig.l veranschaulicht einen Teil des optischen Systems eines allgemein mit 10 bezeichneten Mikroskops zum Betrachten einer Probe 12, welche durch auffallendes Licht von einer Quelle 14 beleuchtet wird. Nur die Optik bis zur und einschließlich der Bildebene des Mikroskops 10 ist dargestellt, da oberhalb dieser Stelle die Optik irgendeine übliche Ausbildung aufweisen kann. Ein halbreflektierender Spiegel 16 ist zwischen die Bildebene und das Objektiv 18 eingeschaltet und so angeordnet, daß das Licht von der Quelle 14 in der Richtung nach unten durch das Objektiv 18 und auf die Oberfläche der Probe 12 reflektiert wird. Infolge der halbreflektierenden Eigenschaften des Spiegels 16 kann jedoch das Licht, das von der Oberfläche der Probe 12 durch das Objektiv 18 zurückreflektiert wird, durch den Spiegel 16 hindurchgehen, wie durch die unterbrochene Linie 20 angedeutet ist.

Das Licht von der Quelle 14 wird durch eine Linse 22 scharf eingestellt und eine Blickfeldblende 24 ist an der Brennpunktebene des optischen Beleuchtungssystems angeordnet. In üblicher Weise sind die Stellung der Quelle 14 sowie die Stellung und Eigenschaften dei Linse 22 derart, daß in Kombination mit dem Spiegel H und dem Objektiv 18 die Blickfeldblende 24 auf dit Oberfläche der Probe 12 scharf eingestellt ist, wenn da; optische System des Mikroskops einschließlich de: Objektivs 18 ein scharf eingestelltes Bild der Proben oberfläche auf der Bildebene 26 erzeugt.

Gemäß der Erfindung sind Gitter 28, 30 auf jede Seite der Blickfeldblende 24 angeordnet Die Stellungei der beiden Gitter sind relativ zu der Blickfeldblende 2 so ausgewählt, daß, wenn die Blickfeldblende auf di Probenoberfläche scharf eingestellt ist die beide Gitter 28 und 30 in gleichem Maße unscharf eingestel! sind. Die relative Bewegung zwischen dem Mikrosko 10 und der Probe 12 (während alle anderen Parameu

konstant gehalten werden) ermöglicht daher, daß das eine oder andere der beiden Gitter 28 und 30 auf die Probenoberfläche scharf eingestellt werden kann. Zweckmäßig sind die beiden Gitter relativ zueinander versetzt, so daß das Bild des einen von dem Bild des anderen auf der Probenoberfläche unterschieden werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Bild der Gitter durch das Mikroskop zu betrachten und festzustellen, wie der Brennpunkt des Bildes der Probe 12 eingestellt werden muß.

Eine Anordnung der Blickfeldblende 24 und der Gitter 28,30 ist in F i g. 2 schaubildlich dargestellt. Der Deutlichkeit halber ist das Gitter 28 teilweise weggeschnitten.

Jedes Gitter enthält eine Ausnehmung, welche der Ausnehmung in der Blickfeldblende 24 entspricht, deren untere Kante aber mit mehreren Schlitzen 32 und öffnungen 33 versehen ist. Bei Anordnung in der in F i g. 2 gezeigten Weise und bei Betrachtung längs der optischen Achse der Lichtquelle überdecken die Schlitze 32 des Gitters 28 die öffnung 33 zwischen den Schlitzen 32 des Gitters 30. Es ist ersichtlich, daß die Gitter nur einen kleinen Bereich am unteren Ende der Ausnehmung in der Blickfeldblende 24 überlagern (welcher die Fläche bestimmt, auf der die Probe beleuchtet wird) und infolgedessen ist auf der Probe 12 nur ein schmales Band sichtbar, das die scharf eingestellten Bilder der Gitter enthält. Der übrige Teil der Probe v, ird in der üblichen Weise beleuchtet.

Obwohl eine solche Anordnung verwendet werden kann, um die manuelle Scharfeinstellung eines Mikroskops zu erleichtern, findet das System insbesondere Anwendung bei einem automatischen Scharfeinstellungssystem. Dies ist in Fig.4 dargestellt, gemäß welcher das durch das Mikroskop erzeugte Bild auf die Fotokathode einer Fernsehkamere scharf eingestellt ist, welche in üblicher Weise ein abgetastetes elektrisches Videosignal erzeugt, dessen Veränderungen den Veränderungen im Gegensatz zu dem auf die Fotokathode scharf eingestellten Bild entsprechen. Dieses Signal wird durch den Videoverstärker 13 verstärkt. Die Kamera ist so eingestellt, daß die Zeilenabtastrichtung ihres Abtastsystems zu der längeren Abmessung der rechtekkigen Ausnehmung in der Blickfeldblende 24 im wesentlichen parallel ist. Auf diese Weise kreuzen die Zeilenabtastungen jeden der Schlitze 32 in senkrechter Richtung. Das den Schlitzen entsprechende Videosigna! wird von dem übrigen Teil durch Auftastimpulse 15 ausgeblendet, welche von den Bildabtastsignalen abgeleitet werden, und die den beiden Sätzen der Schlitze entsprechenden Signale werden durch Auftastimpulse von einem Rechteckwellengenerator 17 erhalten, der mit den Zeilenabtastsignalen synchronisiert ist Zwei Steuersignale werden verglichen durch Kombination der Auftastimpulse in den beiden Toren 19, 21, um die beiden Tore 23, 25 zu steuern, die das Ausgangssignai des Verstärkers 13 steuern, so daß ein erstes Signal erhalten wird, weiches nur die den Schlitzen 32 des Gitters 28 entsprechende Videoinformation enthält, bzw. ein zweites Videosignal, welches nur den Schlitzen ^₀ 32 des Gitters 30 entspricht Die Tore 23,25 haben auch eine blockierende Wirkung, so daß die resultierenden Signale den Modulationsgrad anzeigen. Die ausgeblendeten Signale werden auf Weißspitzendetektorstromkreise 27, 29 zur Einwirkung gebracht, deren Integrierwirkung auch dazu dient den Geräuschpegel zu verringern. Die Ausgangssignale der Stromkreise 27,29 werden auf den Differenzverstärker 31 zur Einwirkung gebracht, um irgendeine Differenz in der Amplitude der beiden Signale anzuzeigen und demgemäß irgendeine Differenz im Brennpunkt des Bildes des einen Satzes der Schlitze im Vegleich zu jenem des anderen Satzes der Schlitze, so daß ein Fehlersignal erzeugt wird, das irgendeiner solchen Differenz entspricht. Wenn das System mit einem einzigen Bildanalysiersystem verwendet werden soll (zum Beispiel wenn die Probe durch ein Blitzlicht beleuchtet wird und das restliche Bild auf der Fotokathode der Kamera später für ein Bild abgetastet wird), wird ein weiterer Auftastimpuls auf die (als »aktives Feld« bekannten) Tore 19, 21 für die Dauer jeder Bildabtastung zur Einwirkung gebracht. Steuersignale werden auf die Weißspitzendetektorstromkreise zur Einwirkung gebracht, wobei Prüf- und Haltestromkreise mit den Weißspitzendetektoren verbunden sind.

Wenn die Weißspitzensignale der Stromkreise 27, 29 unterhalb eines Niveaus liegen, das durch eine (als Kontrollbereich bekannte) Schwelle i eingestellt wird, dann ist das System weitgehend unscharf eingestellt und der Motor des Scharfeinstellungssystems wird veranlaßt, den ganzen Bereich rasch abzutasten, bis das eine oder andere der Weißspitzensignale innerhalb des Kontrollbereichs gelangt, der durch die Schwelle 1 eingestellt ist

Wenn sich das Differenzsignal innerhalb des Kontrollbereichs befindet, wird dasselbe zur Ableitung eines Fehlerausgangssignals verwendet, um den Motor in dei korrekten Richtung um eine kleine Strecke pro Meßbilc anzutreiben. Die Größe der Strecke wird gewählt, um die Schleifenstabilität sicherzustellen.

Wenn das Differenzsignal kleiner wird als ein Niveau das durch die Schwelle H eingestellt wird, welche eine »tote Zone« definiert, wird das Fehlersignal aufgehober und das Scharfeinstellungssystem bleibt in diesen" Zustand.

Während der nachfolgenden Abtastung einer Probe hält das System das Mikroskop im Brennpunkt, inderr weitere Fehlersignale erzeugt werden, wenn die; angemessen erscheint. Wenn jedoch die erforderliche Korrekturgeschwindigkeit zu groß wird, überschreite! das Fehlersignal eine dritte Schwelle (Schwelle III) welche einen unscharf eingestellten Zustand definiert Ein Warnsignal wird erzeugt und die Abtastung unterbrochen.

Der unscharf eingestellte Zustand definiert der annehmbaren Bereich des Brennpunkts und die »tot« Zone« ist entsprechend kleiner als dieser Bereich.

Die F i g. 3a, 3b der Zeichnungen veranschaulichei die Darstellung, die auf einem Bildschirm vom Ausgang der Fernsehkamera erhalten wird. Die Probe enthäl eine Anzahl von Bildpunkten, die mit 34 bezeichnet sind und die Bildpunkte werden zusammen mit dem Bild dei Schlitze 32 der Gitter 28 und 30 auf dem Bildschirn dargestellt. Die Gitter erscheinen längs der unterei Kante des dargestellten Bildes. In F i g. 3a ist der eini Satz der Schlitze scharf eingestellt während der anden Satz der Schlitze (welche in den öffnungen zwischei den Schlitzen des anderen Satzes liegen) unschar eingestellt ist Durch Einstellung des Schärfereglers de Mikroskops kann die entgegengesetzte Situatioi erhalten werden, in welcher der erste Satz der Schlitzt unscharf eingestellt und der andere Satz schar eingestellt ist Die relative Bewegung des Mikroskop und der Probe aus dem in Fig.3a dargestellte! Zustand in den in F i g. 3b dargestellten Zustand win zu einer bestimmten Zeit die beiden Weißspitzensignal· ergeben, welche im wesentlichen die gleiche Amplitud

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aufweisen, wobei dieser Zustand einen scharf eingestellten Zustand der Blickfeldblende 24 auf der Probe 12 entspricht. Es ist zu bemerken, daß das Mikroskop und das Beleuchtungssystem (in der üblichen Weise) während der Herstellung eingestellt werden müssen so daß das optische System des Mikroskops ein scharf eingestelltes Bild einer Probe 12 zu der gleichen Zeit erzeugt, in der die Blickfeldblende 24 auf die Oberfläche der Probe 12 scharf eingestellt ist. Sobald diese Einstellung erzielt worden ist, ist keine weitere Einstellung der Stellung der Blickfeldblende 24 oder der Linse 22 usw. mehr erforderlich.

Das in den F i g. 1 bis 4 dargestellte System weist die folgenden Merkmale auf:

1. Dunkle Bildpunkte in der Probe, welche durch die Schlitze sichtbar sind, erzeugen kein Fehlersignal selbst wenn dieselben scharf eingestellt sind Sie verringern einfach die weiße Fläche, welche zur Ableitung des Spitzenwertes verwendet wird und der Fehler ist vernachlässigbar, wenn sie nicht zu einem sehr hohen Verhältnis der Schlitzbereichsfläche beitragen.

2. Da es sich um ein Differentialsystem handelt ist der Nullpunkt vom Lichtniveau unabhängig.

3. Eine Neigung der Probe erzeugt nur Fehler sekundärer Ordnung.

ρ ?fu ,^SySi.^{em iSt} S^eei8.^{net für ein}e helle, auffallende Feldbeleuchtung von spiegelnden, reflektierenden Pro ben mit einer ein gleichmäßiges Weiß reflektierenden Oberfläche, wobei einige Bildpunkte ein unterhalb des weißen Hintergrundes liegendes Lichtniveau erzeugen (d.h. das Reflexionsvermögen der Bildpunkte ist geringer als das Reflexionsvermögen des Hintergrundes). Fur B.ldpunkte jedoch, die ein Reflexionsvermö gen aufweisen das größer ist als jenes des Hintergrundes konnten d.e Schlitze durch Finger ersetzt werden welche auf der reflektierenden Oberfläche der Probe schwarze Striche erzeugen, und die Spitzenweißdetektoren könnten durch Spitzenschwarzdetektoren ersetzt

Die Fig.5 der Zeichnung veranschaulicht im Längsschnitt eine typische Mikroskopprobe bei wel eher das Probenmaterial oder die Scheibe 36 zwischen einem Deckplättchen 38 und einem Objektträger 40 angeordnet ist. Sowohl das Deckplättchen 38 als auch der Objektträger 40 bestehen aus GIa, Falls da Probenmatenal 36 einen vom Objektträger und/oder der Montageplatte genügend verschiedenen Brechung index aufweist und durch auffallendes Licht beleuchtet wird, kann das in Fig.1 beschriebene System verwendet werden, und es wird ein reflektiertes Bild der F.nger der beiden Gitter erhalten. Wenn jedoch das Probenmatenal 36 keinen genügend verschiedenen Brechungsindex aufweist und für die Analyse von unten" beleuchtet werden muß, muP das System gemäß F i « l in der in Fig.6 gezeigten Weise abgeändert werden Be, diesem abgeänderten System wird ein überzug aus die Weilenlange auswählendem Material auf Ϊ Oberseiteι des Objektträgers 40 oder irgendeine ändere G^oberfläche aufgebrach,, die mit dem Probenmate rial 36 in Berührung steht. Zwei Lichtquellen werden verwendet wobei das Licht der einen Quelle durch de! d.e Wellenlange auswählenden Überzug hid? während das Lieh, der anderen Quelle'vÄ reflektiert wird. Erforderlichenfalls werden verSe ie Bilderzeuger verwendet, der eine zum Betrachten ier Probe und der andere zum Aufnehmen und Able" ei ;.nes abgeleiteten elektrischen Videosignals von dem

reflektierten Bild der Gitter.

In Fig.6 ist eine Probe, die allgemein mit 4i bezeichnet und in der in Fig. 5 gezeigten Weiss ausgebildet ist, unterhalb des Objektivs 44 eine: Mikroskops angeordnet, das allgemein mit 46 bezeich net ist. Die Probe 42 wird von unten durch eine Quelle für durchgehendes Licht beleuchtet, die allgemein mit4f bezeichnet ist. Eine zweite Lichtquelle ist vorgesehen die allgemein mit 50 bezeichnet ist und die auch ίο Scharfeinsteilungsgitter enthält, von denen eines aul jeder Seite der Blickfeldblende der Quelle füi auffallendes Licht angeordnet ist.

Wie unter Bezugnahme auf F i g. 5 beschrieber wurde, weist der Probenträger einen die Wellenlänge ■ 5 auswählenden Überzug auf. Die beiden Lichtquellen 48 und 50 sind so ausgewählt, daß das Licht der Quelle 4« direkt durch die Probe hindurchgeht, während das Licht der Quelle 50 von dem die Wellenlänge auswählenden Überzug reflektiert wird. Licht im sichtbaren Spektrum kann beispielsweise durch die Quelle 48 für die Beleuchtung der Probe durch hindurchgehendes Licht erzeugt werden, während ultraviolettes oder infrarotes Licht durch die Quelle 50 erzeugt werden kann. Die Probe kann aber auch von unten durch ultraviolettes (oder infrarotes) Licht beleuchtet werden, in welchem Fall die Quelle für anfallendes Licht im sichtbaren Bereich oder im infraroten Bereich liegen kann. Daraus ist ersichtlich, daß das einzige Kriterium darin besteht, daß das Licht von der einen Quelle keine Komponente aufweisen muß, die sie mit dem Licht von der anderen Quelle gemeinsam hat. Unter Umständen kann in ΤΙ⁰*^{11 gezo}S^en werden, daß beide Quellen Licht im W /, _^{n Bereicn}- aber mit zwei verschiedenen Wellenlängen liefern, welche genügend weit auseinanaeriiegen, so daß sie durch Filter oder Zweifarbcnfilter^sP'egei trennbar sind.

Nur zur Vereinfachung der Beschreibung soll angenommen werden, daß durch die beiden Quellen 48 und 50 der F i g. 6 Licht im sichtbaren Bereich (im Falle der Quelle 48) und ultraviolettes Licht (im Falle der Quelh 50) erzeugt wird.

Da d.e Q_ue„_e S_{0 der in Fjg} , _dargeste||_ten sehr anniich ist, sind die gleichen Bezugsziffern verwendet worden um gleiche Teile zu bezeichnen. Dieselbe Desteht daher aus einer Quelle 14 ultravioletten Lichts. riff ™ ²²· ^einer Blickfeldblende 24 und zwei gittern 28,30. Da die Quelle 14 und die Gitter 28.30 nur erwendet werden, um einen schmalen Scharicinstel-,„ ϊ"-⁸!⁵ϊ^βΙί^{η auf} der Probenoberfläche zu erhalten. ZTs ^B!ickfeIdblende 24 nur einen schmalen Spalt Ζ, u^{mit den} blitzen in den Gittern 28, 30 ausgerichtet ist Von den Gittern gelangt das ullravioletd« M-L . ^{h einen} "^reflektierenden Spiegel 54 in „ ren^w- ^OSkOP- <* ^{und wird} durch das Objektiv 44 den « · ^{SOWle durch einen} zweiten halbreflektierencn spiegel 56 auf den die Wellenlänge auswählenden «Slf ³^ ^d^^{r Probe}" ^{Das von dem die} Wellenlänge hEnν ^Uberzug reflektierte Bild wird durch den halbreflektierenden Spiegel 56 wieder reflektiert, und kannT ^ha.^ibreflektierenden Spiegel 56 reflektierte Teil men λ ^{elnen ents}Prechenden Detektor aufgenom-

BiIdPh „' ^{der ein} Abbildungssystem auf der einer ρ"⁶ " ?^Ufweist· ^{Ein sol}<*er Detektor bes.eh. aus ft< ultr/vi^ ^{kamera mit eine}«- Fotokathode, die für beX?£ ^{S ÜCht e}"-<Pnndlich ist. Wie vorstehend

beeurh^⁵"' ^{Wird die Probe 42 aucb von Unlen} Licht ,f.' ""I ^{das durch di}« Probe hindurchgehende ^{lntt auc}" in das Objektiv 44 ein. Fin Teil dieses

Lichts geht durch den halbreflektierenden Spiegel 56 hindurch und erzeugt das Bild der Probe im Mikroskop auf der Bildebene I. Um zu verhindern, daß sichtbares Licht auf das auf der Bildebene Il erzeugte Bild des Scharfeinstellungsstreifens störend einwirkt, ist zwisehen den beiden halbreflektierenden Spiegeln 54 und 56 ein optisches Filter 52 angeordnet. Das Filter läßt ultraviolettes Licht durchgehen, absorbiert aber Licht im sichtbaren Spektrum. In ähnlicher Weise ist ein zweites Filter 58 zwischen dem halbreflektierenden Spiegel 56 und der Bildebene I angeordnet. Dieses zweite Filter läßt Licht im sichtbaren Spektrum durchgehen, absorbiert aber ultraviolettes Licht.

Die beiden Filter 52 und 58 sind jedoch nicht notwendig, wenn der halbreflektierende Spiegel 56 ein Zweifarbenfilterspiegel ist, d. h. ultraviolettes Licht reflektiert, aber Licht im sichtbaren Bereich durchgehen läßt.

Wenn beide Lichtquellen 48 und 50 Licht im sichtbaren Bereich, aber mit verschiedenen Wellenlängen verwenden, werden die Filter 52, 58 wahrscheinlich benötigt und ein weiteres Filter 60 wird in der Quelle 48 erforderlich sein, da das Filter 60 die Eigenschaft hat, daß es nur Licht mit einer Wellenlänge durchgehen läßt (und zwar jener Quelle, die zur Beleuchtung der Probe durch hindurchgehendes Licht gewählt wird). Das Filter 60 kann aber auch innerhalb des Probenträgers angeordnet werden, entweder durch Anordnung eines Überzuges unmittelbar unterhalb der Probe oder durch Anordnung der Probe auf einem Stück gefärbten Filterglases.

Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das auf der Bildebene I erhaltene Bild der Probe durch eine Fernsehkamera betrachtet werden. Im Hinblick auf die verwendeten Filterverfahren wird kein Teil der durch die Fernsehkamera sichtbaren Fläche der Probe durch den Scharfeinstellungsstreifen verdunkelt. Es kann daher das ganze Blickfeld für die Probe verwendet werden.

F i g. 7 veranschaulicht das vollständig automatische Scharfeinstellungssystem, welches ein mit einer durch hindurchgehendes Licht beleuchteten Probe versehenes Mikroskop enthält, das in der in Fig. 6 gezeigten Weise arbeitet. Es sind möglichst die gleichen Bezugsziffern verwendet worden. Das allgemein mit 62 _4i bezeichnete Mikroskop enthält eine optische Bildröhre 46, welche am unteren Ende ein Objektiv 44 zum Betrachten einer Probe aufweist, die von unten durch emc Lichtquelle 48 beleuchtet wird. Eine getrennte Lichtquelle 50 ist vorgeseiien, welche einen Scharfein- _so stellur.gsstreifen auf der Probe erzeugt und weiche ein optisches System enthält zum Erzeugen eines Bildes des Scharfeinstellungsstreifens auf der Fotokathode einer ersten Kamera 64, sowie ein optisches System zum Erzeugen eines Bildes der Probe auf der Fotokathode _sj einer zweiten Kamera 66.

Zweckmäßig weisen die beiden Kameras eine gemeinsame Stromzuführung auf und werden durch gemeinsame Zeitablenkschaltungen angetrieben, um die Zeilen- und Bildabtastungen zu erzeugen. Zu diesem f,₀ Zweck ist eine einzige Zeilenzeitablenkung 68 und eine einzige Bildzeitablenkung 70 dargestellt.

Da das scharf eingestellte Bild durch die Kamera 66 nicht sichtbar ist. braucht das A.usgangssignal der Kamera 66 nicht ausgeblendet zu werden und es kann _h<i ein direktes Signa! für die Übertragung auf einen Monitor oder cmc Bildanalysiervorrichtung erhalten werden.

Der Ausgang der Kamera 64 besteht ebenfalls nur aus einem abgetasteten Videosignal, das dem Scharfeinstellungsstreifen entspricht, und keine Ausblendung ist daher erforderlich, um den Inhalt des Scharfeinstellungsstreifens von dem übrgen Teil eines Bildes zu trennen. Eine Ausblendung ist jedoch erforderlich, um den Inhalt des Videosignals, der dem einen Satz der Schlitze eines Gitters entspricht, von jenem zu trennen, der den Schlitzen im anderen Gitter entspricht. Zu diesem Zweck werden Synchronisierungsimpulse von der Zeiienzeitablenkung abgeleitet, um einen Rechteckwellengenerator 72 auszulösen. Der Generator ist angeordnet, um η Austastimpulse während einer Zeiienabtastperiode zu erzeugen und dann in einen Ruhezustand zurückzukehren, um die Ankunft eines Synchronisierungsimpulses abzuwarten, der den Beginn der nächsten Zeilenabtastung anzeigt. Die Anzahl der Austastimpulse ist so gewählt, daß sie der Anzahl der Schlitze in dem einen oder anderen der Gitter 28, 30 entspricht. Vorzugsweise ist ein (nicht darges'ellter) Schiebestromkreis mit veränderlicher Phase in der Leitung vorgesehen, welche dem Rechteckwellengenerator 72 die Synchronisierungsimpulse zuführt, so daß die Erzeugung der Austastimpulse genau der Lage der Amplitudenveränderungen in dem Videosignal entsprechen kann, das den Schlitzen in dem Gitter entspricht. Das Ausgangssignal des Rechteckwellengenerators 72 wird auf den einen Eingang eines Und-Tores 74 (kein logisches Tor, aber ein Analog-Tor) zur Einwirkung gebracht, dessen anderem Eingang das Videoausgangssignai der Kamera 64 zugeführt wird. Die Rechteckwellenimpulse sind so angeordnet, daß sie das Ur.d-Tor 74 sperren so daß es das Videosignal von der Kamera 64 für die Dauer jedes Rechteckimpulses durchgehen läßt, aber das Videosignal während der Zwischenräume zwischen den Impulsen blockiert.

Ein zweites Und-Tor 76 ist vorgesehen, dessen einem Eingang ebenfalls das Videosignal der Kamera 64 zugeführt wird, während dem anderen Eingang das Komplement der Recheckwellenimpulse des Generators 72 zugeführt wird (welches abgeleitet wird, indem da? Ausgangssignal des Generators 72 einer Phasenumkehrschaltung 78 zugeführt wird). Der Ausgang der Phasenumkehrschal'.ung 78 besteht daher aus einer Impulsfolge, in welcher die Impulse den Zwischenräu-τ.κη in der Impulsfolge am Ausgang des Genentors 72 entsprechen.

Das ausgeblendete Videosignal der beiden Und-Tore 74 und 76 wird in Hochpaßfiltern 78 bzw. 80 gefiltert und später in Videoverstärkern 82 und 84 verstärkt. Die beiden Signale werden dann auf einen Differentialverstärker 86 zur Einwirkung gebracht, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Größe der Amplitudendifferens zwischen den Ausgangssignalen der Verstärker 82. 84 entspricht und dessen Polarität davon abhängig ist welches Ausgangssignal stärker ist als das andere. Da« so erzeugte Fehlersignal wird auf einen Leistungsverstärker 88 zur Einwirkung gebracht, um einen Strorr zum Antrieb einer (nicht dargestellten) Wandlereinheil zu erzeugen, die einen Teil eines Schärfeeinsteilungsre glers 90 bildet. Die Wandlereinheit folgt Veränderunger der Amplitude und der Polarität des Stromes vorr Verstärker 88. um die Brennpunkteinstellung des Mikroskops 62 zu korrigieren.

Selbstverständlich kann irgendein Verfahren ange wendet werden, um das durch den Differentialvcrstär ker 86 abgeleitete Fehlersignal zu verwenden. Die einfache Anordnung gemäß Fi ρ 7 κι nur lii-itnipku/ρί.

»e dargestellt Als eine Alternative kann ein Servosystem verwendet werden, ü welchem das Fehlersignal der Schwellenanzeige unterworfen wird. Ein binäres Steuersignal kann von dem Fehlersignal längs einer von zwei Leitungen abgeleitet werden in Abhängigkeit von der Polarität des ursprünglichen Signals. Das binäre Signal bewirkt eine teilweise Veränderung der Brennpunkteinstellung in der entsprechenden Richtung. Die Anordnung der Schwelle gewährleistet, daß Geräusch aus dem Signal eliminiert wird, das dem Schärfeeinstellungsregler zugeführt wird, führt aber einen festgesetzten Scharfeinstellungsfehler ein. Sobald nämlich das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 86 schwächer ist als die Schwelle, werden keine weiteren teil weisen Veränderungen bewirkt und das Scharf ein-Stellungssystem wird sich nach der letzten Einstellung des SchärfeeinsteJJungsreglers richten. Ein deutlicher Vorteil eines solchen Systems besteht jedoch darin, daß die Scharfeinstellungs-Servoeinrichtung nicht kontinuierlich nach einer Stellung des optimalen Brennpunkts suchen wird.

Bei der in den F ig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind das durchgehende Licht und das reflektierte Licht getrennt und werden zwei getrennte Detektoren (Kameras 64 und 66) zugeführ:. U.ucr ücr Voraussetzung jedoch, daß sowohl das reflektierte Licht als auch das durchgehende Licht durch einen einzigen Detektor angezeigt werden ip'ynrr

können, wie'zum Beispiel einer Fernsehkamera mit einer entsprechenden Fotokathode, kann sowohl das Bild der Probe (welches dem durchgehenden Licht entspricht) als auch das Bild des Scharfcinsteilungsstreifens (welches dem reflektierten Licht entspricht) auf der Bildebene 1 abgebildet werden, in welchem Fall der halbreflektierende Spiegel 54 und das Filter 58 nicht erforderlich sind, während der halbreflektierende Spiegel 56 derart ausgebildet sein muß, daß derselbe Licht von der Quelle 50 sowohl durchgehen läßt als auch reflektiert Da iedoch sowohl das Bild der Probe als auch das Bild des Scharfeinstellungsstreifens auf der Fotokathode der gleichen Kamera erscheinen, sind weitere Sperrstromk-eise erforderlich (wie unter Bezugnahme auf Fig.4 beschrieben wurde), um das abgetastete Videosignal während jeder Bildabtastung aufzuteilen, sowie zwischen jenen Zeilenabtastungen, welche nur die Probe kreuzen, und jenen Zeilenabtastungen, welche den Scharfeinstellungsstreifen kreuzen, der von dem die Wellenlänge auswählenden Überzug auf der Probe reflektiert wird.

Selbstverständlich kann irgendeines der Verfahren zur Erzielung von Signalen angewendet werden, welche dem Brennpunkt der Schlitze entsprechen, und es können sowohl die Spitzenweiß- (Spitzenschwarz-; Detektorstromkreise 27,29 der Fig.4 als auch die Hochpaßfilter 78, 80 verwendet werden, die untei Bezugnahme auf F i g. 7 beschrieben wurden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   ί. System zum Erzielen eines korrekt scharf eingestellten Bildes einer auf einem Träger angeordneten Probe in einem optischen System, gekennzeichnet durch eine reflektierende Oberfläche (12, 40) auf dem Träger (42), welche die Bilder von zwei Gegenständen (28, 30), die in versch.sdenen Abständen von der reflektierenden Oberfläche liegen, auf eine lichtempfindliche Vorrichtung (11, 64) reflektiert, von welcher durch Zeilenabtastung zwei getrennte eiektrische Signale erhalten werden, deren Größe die Schärfe des ß/ennpunkts der beiden Gegenstandsbilder anzeigt, welch letztere durch den Abstand zwischen dem Träger (42) und dem optischen System (46) bestimmt wird, wobei die relativen Stellungen der beiden Gegenstände (28,30) und der lichtempfindlichen Vorrichtung (11, 64) derart ausgewählt werden, daß die beiden Gegen-Standsbilder in gleicher Weise defokussiert werden, wenn der Abstand zwischen dem Träger und dem optischen System ein korrekt scharf eingestelltes Bild der Probe ergibt, sowie durch Stromkreiseinrichtungen (13,23,25,27,29,31) zum Erzeugen eines elektrischen Fehlersignals, dessen Größe zu irgendeiner Differenz zwischen den Größen der beiden elektrischen Signale proportional ist, und durch einen Schärfeeinstellungsregler (90), der entsprechend einem Fehlersignal wirksam ist, um den Abstand zwischen dem Träger und dem optischen System derart zu verändern, daß die Größe des Fehlersignals verringert wird.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität des Fehlersignals anzeigt, ob der Abstand zu vergrößern oder zu verkleinern ist, um die Größe des Fehlersignals zu verringern.
3. 3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gegenstände (28, 30) aus Gittern bestehen, welche parallele, abwechselnd schmale und breite Schlitze (32,33) aufweisen, wobei die beiden Gitter so angeordnet sind, daß die schmalen Schlitze des einen mit den breiten Schlitzen des anderen ausgerichtet sind und umgekehrt.
4. 4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Probe (12) die reflektierende Oberfläche bildet.
5. 5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe auf einem das Licht reflektierenden Unterlagsmaterial angeordnet ist, welch letzteres die reflektierende Oberfläche bildet.
6. 6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die polierte Oberfläche des Trägers (42) die reflektierende Oberfläche bildet.
7. 7. System nach einem der Ansprüche 3 und 4 bis 6

   in Kombination mit einem Mikroskop für auffallen- ^₀ des Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gitter auf jeder Seite der Blickfeldblende (24) des Beleuchtungssystemens angeordnet sind, so daß sie sich längs einer Kante der Blickfeldblende in den Bereich derselben erstrecken.
8. 8. System nach Anspruch 7 in Kombination mit einer Fernsehkamera, dadurch gekennzeichnet, daß das scharf eingestellte Bild der Probe auf der

   Fotokathode der Fernsehkamera (11, 66) gebildei