DE2512384C2 - Feinfokussiereinrichtung für das Objektiv eines optischen Instrumentes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feinfokussiereinrichtung für das Objektiv eines optischen Instrumentes (Mikroskop, Kamera und dergleichen) mit einem Ge-

65 häuse, einer Objektivhalterung und einer Feinverstell-Anordnung zum Verschieben der Objektivhalterung gegenüber dem Gehäuse.

Feinfokussiereinrichtungen dieser Art werden typischei weise bei Mikroskop-Mustererkennungssystemen für biologische und medizinische Untersuchungen benötigt, die eine selbsttätige Fokussierung eines Mikroskopes mit äußerst geringer Toleranz erforderlich machen; mitunter wird eine Fokussiergenauigkeit innerhalb eines halben μπι gefordert

Die exakte Fokussierung ist gerade bei automatischen Systemen zur selbsttätigen Fokussierung notwendig. Während das Auge einer Bedienungsperson wegen seiner eigenen Einstellmöglichkeiten eine geringe Fokusabweichung des Mikroskopes tolerieren kann, ist dies bei einem automatischen System nicht möglich.

Es ist allseits bekannt die Feinverstell-Anordnung der eingangs bezeichneten Feinfokussiereinrichtung als mechanische Übertragungsanordnung, bevorzugt in Form eines Getriebemechanismuses, aufzubauen. Derartige mechanische Übertragungsanordnungen haben den Nachteil eines relativ großen Spieles in bezug auf die verlangte Einstellgenauigkeit sowie daß sie häufig einen Hystereseeffekt aufweisen. Es ist daher nicht nur schwierig, eine vorbestimmte Feinverstellung vorzunehmen, sondern auch — wie es für automatische Systeme zwingend notwendig ist (Istwerterfassung) — die tatsächliche Verstellung exakt festzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der eingangs bezeichneten Einrichtung diese so auszubilden, daß sie eine äußerst feinfühlige Fokussierung ohne Hystereseeffekte mit exakter Erfassung der Feinverstellungen erlaubt

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß mindestens ein flaches Federelement vorgesehen ist, das sich quer zur optischen Achse des Objektives erstreckt, das einmal an zwei gegenüberliegenden Punkten starr mit dem Gehäuse und zum anderen, beabstandet von den Befestigungspunkten des Gehäuses, starr mit der Objektivhalterung befestigt ist, und daß eine auf die Verschiebung der Objektivhalterung ansprechende elektrische Sensoranordnung zur Erfassung der Größe der Relativbewegung zwischen Objektivhalterung und Gehäuse vorgesehen ist.

Wesentliches Element der erfindungsgemäßen Feinfokussiereinrichtung ist die flache Federanordnung, deren inneres, zentrisches Ende, das die Objektivhalterung trägt, frei bewegbar ist. Wenn somit die Objektivhalterung durch die Feinverstell-Anordnung direkt bewegt wird, wird das Federelement zentrisch durchgebogen. Das sich unter dem Einfluß der Feinverstellung durchbiegende Federelement ist somit die einzige mechanische Verbindung zwischen Gehäuse und Objektivhalterung. Es besteht dabei auch keine Reibverbindung zwischen letzteren Bauelementen. Die Bewegungsübertragung zwischen Objektivhalterung und Gehäuse ist daher spielfrei und frei von merklichen Hystereseeffekten.

Feinfokussiereinrichtungen für das Objektiv eines optischen Instrumentes mit einer nicht mechanischen Feinverstell-Anordnung sind an sich bekannt (Rev. Sei. Instrument, Vol.45, Nr.8, August9174, Seite 1026 bis 1027). Bei der bekannten Einrichtung wird jedoch nicht die Objektivhalterung gegenüber einem Gehäuse verschoben, sondern die Objektivhalterung selbst, der Tubus, besteht aus einem piezo-elektrischen Material, der sich ausdehnt und zusammenzieht, d. h. in sich bewegt und damit das an einem Ende des Tubus angebrachte Objektiv verschiebt; Objektivhalterung und Feinver-

stell-Anordnung sind bei der bekannten Feinfokussiersinrichtung integrale Bestandteile eines einzigen Bauelementes.

Die bekannte Feinfokussiereinrichtung ist daher von einer anderen Gattung.

Die federelastische Halterung von optischen Bauelementen, insbesondere der Linsen bei Satelliten-Erdbeobachtungsgeräten ist ebenfalls an sich bekannt (Machine Design VoL 46, Nr. 30, Seite 121 bis 127 vom 12. 12.1974). Die bekannten Aufhängungen sind jedoch für die gattungsgemäße Feinfokussiereinrichtung, bei der die Objektivhalterung parallel zur optischen Achse des Objektives zu führen ist, nicht geeignet, weil bei der bekannten Anordnung sich die optische Achse der gehalterten optischen Elementes bei Ansprechen der Federanordnung seitlich verschieben würde. Die Halterungen für die optischen Elemente bei Geräten für die Erdbeobachtung von Satelliten aus müssen daher einer völlig anderen Kategorie als die gattungsgemlßen Feinfokussiereinrichtungen für ein Objektiv zugeordnet werden; wegen des großen Abstandes zur Erde liegt im bekannten Fall das Objekt ständig optisch im Unendlichen, d. h. einer Fokussierung oder gar einer Feinfokussierung bedarf es daher nicht

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein zweites flaches Federelement vorgesehen, das sich ebenfalls quer zur Längsachse der Relativbewegung der Objektivhalterung zum Gehäuse erstreckt, wobei das eine Federelement am einen Ende und das zweite Federelement an dem anderen Ende der Objektivhalterung befestigt ist, wobei beide Federelemente winkelmäßig um 90° um die Längsachse der Relativbewegung der Objektivhalterung gegenüber dem Gehäuse zueinander versetzt angeordnet sind.

Dadurch ist mit Vorteil eine sehr präzise Halterung und Führung der Objektivhalterung möglich.

Nach einem weiteren ausgestaltenden Merkmal weist die Feinverstellanordnung eine Kristallanordnung auf, die an ihren Enden vom Gehäuse getragen wird, wobei eine Linse, die in der Objektivhalterung angebracht ist, zentrisch auf der Kristallanordnung befestigt ist und in bezug auf das Gehäuse durch eine Verbiegung der Kristallanordnung verschoben wird.

Derartige piezo-elektrische FeinverstelUAnordnungen sind an sich in der Optik bekannt (DE-AS 23 23 586, Anspruch 3; DE-OS 22 44 578, Seite 3, zweiter Absatz).

Die elektrische Sensoranordnung besteht zweckmäßigerweise aus einer Dehnungsmeßstreifen-Anordnung, die auf der piezo-elektrischen Feinverstell-Anordnung aufgebracht ist, und die eine einfache und genaue Messung der Verstellung ermöglicht.

Weitere ausgestaltende Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiebn.

F i g. 1 ist eine Perspektivansicht eines Mikroskopes, an dem die Erfindung verwirklicht ist,

Fig.2 ist eine vergrößerte Perspektivansicht des Feinfokussieraufbaues nach der Erfindung, in Explosionsdarstellung unter Fortlassung der elektrischen Schaltungen aus Gründen der Klarheit,

F i g. 3 ist eine vergrößerte Seitenansicht, bei der in senkrechtem Schnitt Teile des Feinfokussieraufbaues dargestellt sind,

Fig.4 ist ein senkrechter Schnitt nach Linie 4-4 in F i g. 3, wobei der Linsenaufbau aus Gründen der Klarheit voll gezeichnet ist,

Fig.5 ist eine Schnittansicht nach Linie 5-5 der Fig. 3,

F i g. 6 ist ein Schnitt nach Linie 6-6 der F i g. 3,
F i g. 7 ist ein vergrößerter Schnitt nach Linie 7-7 in Fig. 2,

F i g. 8 ist eine vergrößerte Draufsicht auf den in der Feinfokussiereinrichtung verwendeten Kristall mit zugehörigen Anschlußdrähten,

F i g. 9 ist eine Unteransicht des in F i g. 8 dargestellten Kristalles,
Fig. 10 ist ein schematisches Schaltbild für den am Kristall benutzten Dehnungsmesser.

In der Zeichnung bedeuten gleiche Bezugszahlen gleiche Teile eines Mikroskopes gemäß der Erfindung. Das Mikroskop 20 besitzt unter anderem ein Okular 22, einen Grobfokussierknopf 24, eine Feinfokussiereinrichtung 26, einen Objektträger 28 und ein von diesem getragenes Objektglas 30, das zur Betrachtung im Mikroskop eingesetzt ist.

Das Mikroskop 20 wird durch Drehung des Grobfokussiergriffes 24 fokussiert, bis das Objekt auf dem Träger 30 so weit wie möglich scharf eingestellt ist Die Feinfokussiereinrichtung 26 wird dann bedient, um die Objektivlinse in Bruchteilen eines Mikrons zu bewegen, z. B. um eine Einstellung des Mikroskops auf das zu untersuchende Objekt auf dem Glas 30 innerhalb eines halben Mikron zu erreichen. Die Feinfokussiereinrichtung 26 besitzt einen ringförmigen Anschlag 32, ein oberes Teil 34 des Gehäuses für die Feinfokussiereinrichtung, eine piezo-elektrische Kristallfassung 38, einen Objektivaufbau 40, eine obere Halterungsfeder 42, eine Objektivhalterung 44, ein unteres Teil 46 des Gehäuses für die Feinfokussiereinrichtung, eine untere Halterungsfeder 48, ein Linsenschild 50 und einen Kristallmontagering 52, der an der Kristallfassung 38 befestigt ist.

Der Anschlag 32 hat im allgemeinen zylindrische Gestalt und besitzt ein Außengewinde 54, das am besten in F i g. 4 zu sehen ist, ein Paar flache Ausnehmungen 56 von kleinem Durchmesser, um den Anschlag zur Befestigung in der Gewindebohrung 58 des Oberteiles 54 des Gehäuses für die Feinfokussierung eindrehen zu können. Wie ebenfalls am besten aus F i g. 4 ersichtlich, besitzt der Anschlag 32 abgeschrägte Kanten 60 an jedem Ende der zylindrischen Bohrung 61 des Anschlages 32. Wie am besten aus F i g. 3 und 4 ersichtlich, besitzt das Oberteil 34 des Gehäuses eine Ringplatte 62 mit einer daran hängenden Umfangsschürze 64 und einem aufragenden Ansatz 66. Die Bohrung 58 des Oberteiles 34 ist innerhalb der Platte 62 und des Ansatzes 66 reduziert. Er erstreckt sich axial durch das Oberteil 34 innerhalb des Ansatzes 66 und der Schürze 64 axial zu dem Gehäuse. Die Außenfläche des Ansatzes 66 besitzt ein Gewinde, so daß sie in den Tubus eines Mikroskops eingeschraubt werden kann.
Das Oberteil 34 besitzt am ganzen Umfang eine abge-

schrägte Kante 68, die zur glatten Überleitung zwischen der Platte 62 und der herabhängenden Schürze 64 dient. Über die abgeschrägte Kante 68 und die herabhängende Schürze 64 sind mehrere Löcher 70 verteilt, die oben erweitert sind, um die Köpfe von Befestigungsschrauben für das Oberteil 34 am unteren Teil 46 aufzunehmen. Wie am besten aus F i g. 4 ersichtlich, sind an der Unterseite der Platte 62 Gewindebohrungen zur Aufnahme eines Paares Befestigungsschrauben für die Festlegung der Feder 36 an der Unterseite der Platte 62 des Unterteiles 34 vorgesehen. Wie aus F i g. 2 und 4 ersichtlich, besitzt die Feder 36 einen zentrischen kreisförmigen Durchbruch 72 und ein Paar einander diametral gegenüberliegender kleinerer Löcher 74 neben dem

Durchbruch 62 etwa in der Mitte der Feder 36.

Wie aus F i g. 3 ersichtlich, ist die Feder 36 vorzugsweise eine Blattfeder, die in ihrem Mittelteil 75 normal gewölbt ist, während ihre Enden 76 schwach U-förmig zurückgebogen sind. Der Durchbruch 72 ist in der Mitte des zentrischen Federteiles vorgesehen. Gemäß F i g. 4 erstrecken sich Befestigungsschrauben 70 durch die Löcher 74 zwecks Festlegung der Feder 36 an der Unterseite der Platte 62 des Gehäuseoberteiles 34. Wie aus der nachstehenden Erläuterung hervorgeht, dient die Feder 74 dazu, den Kristall 38 gegen die Oberseite des Unterteiles 46 zu halten und einen zusätzlichen Federdruck auszuüben, um einer Aufwärtsbewegung des Objektivlinsenaufbaues elastisch entgegenzuwirken, wenn die unterste Kante des Objektives entweder gegen einen Objektträger oder ein Objektglas stößt.

Das Unterteil 46 des Gehäuses ist am besten in F i g. 2, 3, 4 und 5 zu sehen. Es ist im wesentlichen zylindrisch und besitzt einen erweiterten Teil 78 und einen zurückgesetzten Teil 80, die beide durch einen erweiterten Teil 82 verbunden sind. Gemäß Fig.4 hat der erweiterte Teil 78 des Gehäuseoberteiles 46 im wesentlichen denselben Umfang, so daß die Vereinigung des Ober- und Unterteiles eine glatte Außenfläche ergibt. Das Unterteil 46 besitzt ferner ein Paar aufragende Bogenflansche 84 (siehe F i g. 2), die sich über einen Teil des Umfanges der zylindrischen Bohrung 86 des Unterteiles 46 erstrekken. Die Flansche 84 liegen einander diametral gegenüber, und ihre Krümmungen sind koaxial, so daß sie einen Teil eines Zylinders bilden. Die Flansche passen in einen Teil der Bohrung innerhalb der Schürze 64 des Oberteiles 34.

Wie aus F i g. 3 und 4 ersichtlich, ruht die Kristallfassung 38 auf den Flanschen 84. Die Flansche 84 ragen von einer ebenen Oberfläche 88 nach oben, die sich in einer Querebene zur Achse des Unterteiles 64 erstreckt.

Mehrere Löcher 90 sind in der Oberfläche 88 vorhanden und dienen zur Aufnahme von Befestigungsschrauben für die Festlegung des Oberteiles an dem Unterteil. Gemäß F i g. 5 ist die Bohrung 86 des Unterteiles 46 unregelmäßig geformt und erstreckt sich axial durch das Unterteil. Die Bohrung 86 ist am weitesten an ihrem oberen Ende, wo sie ein Paar diametral gegenüberliegende axiale Ausschnitte 92 aufweist, die die Bohrung erweitern. Die Unterseite der Ausschnitte 92 bildet eine horizontale ebene Fläche 94, auf der die obere Halterungsfeder 42 festgelegt ist Gemäß F i g. 4 ist die Bohrung 86 unterhalb der Fläche 94 zylindrisch im Teil 96 und erweitert sich wiederum in Teil 100, der praktisch denselben Durchmesser wie der Teil 96 hat. Die Achse des zylindrischen Teiles der Bohrung 86 fällt mit der Achse der Feinfokussiereinrichtung zusammen.

Die Unterseite des unteren Gehäuseteils 46 ist eben und besitzt mehrere Löcher zur Aufnahme von Befestigungsschrauben 102, die die Objektivabschirmung 50 am Boden des Gehäuseunterteiles festlegen. Gemäß F i g. 3 sind auch Gewindelöcher zur Aufnahme von Befestigungsschrauben 104 vorgesehen, um die untere Halterungsfeder 48 an dem Gehäuseunterteil festzulegen. Die Objektivabschirmung 50 ist am besten in F i g. 2,3 und 4 zu sehen.

Die Abschirmung besitzt an der Basis einen zylindrischen Teil 106 und eine kreisförmige Platte, die sich radial vom Umfang des zylindrischen Teiles erstreckt, sowie einen aufragenden Ringflansch 110 am Umfang der Platte 108. Der Flansch 110 besitzt mehrere durchgehende Löcher zur Durchführung der Schrauben 102, wenn sie die Abschirmung 50 mit dem Boden des Unterteiles 46 verbinden. Die Abschirmung 50 besitzt eine durchgehende Axialbohrung 112, die am engsten in dem zylindrischen Teil 106 und am weitesten in dem zylindrischen Teil 110 ist. Innerhalb des Flansches 110 dient die Bohrung zum Einbau der unteren Halterungsfeder 48.

Die obere und die untere Halterungsfeder 42 und 48 sind Blattfedern und normalerweise eben. Die Feder 42 (F i g. 5) ist am Gehäuseunterteil 46 befestigt. Wie oben erwähnt, ruht die Feder 42 mit ihren Enden auf Flächen 94, und diese sind am Gehäuse mit einem Paar Befestigungsschrauben 114 gesichert, die durch Löcher 116 (F i g. 2) in den Enden der Feder 42 geführt sind. Die Feder 42 besitzt in der Mitte eine kreisförmige Durchbrechung 118, die sich am Objektiv 40 befindet.

!5 Die Feder 42, die annähernd Rhombusform hat, besitzt auch ein Paar Löcher 120, etwa auf deren Mittellinie diametral zu beiden Seiten des Durchbruches 118. Gemäß F i g. 3 sind durch die Löcher 120 Befestigungsschrauben 122 geführt, um die Feder 42 an der Objektivhalterung 44 zu befestigen. Die Ebene der Blattfeder 42 verläuft senkrecht zur Achse des Linsenaufbaues 40, des Objektives der durch die Durchbrechung 118 geführt ist. Der Linsenaufbau bewegt sich jedoch mit der Feder 42, da die Objektivhalterung 44 an der Feder befestigt ist. Wenn also der Linsenaufbau sich axial zum Gehäuse 46 bewegt, wird die Feder 42 mit ihrem Mittelteil längs der Linie abgebogen, die durch die Löcher 120 bestimmt ist; die Objektivhalterung bewegt sich, während die Endteile der Feder an den Löchern 116 gegenüber dem Gehäuse ortsfest bleiben.

Die Halterungsfeder 48, deren Umfang die Form eines Kreises mit zwei weggeschnittenen diametral gegenüberliegenden Sektoren hat, ist im übrigen ähnlich ausgeführt wie die Feder 42. Die Feder 48 ist eine Blattfeder mit zwei Endlöchern 124, in die ein Paar Befestigungsschrauben 104 paßt, welche die Enden der Feder 48 am unteren Ende des Gehäuseunterteiles 46 festlegen. Die Feder 48 besitzt auch eine zentrische kreisförmige Durchbrechung 126, an deren Seiten sich diametral gegenüberliegend mittlere Löcher 128 befinden. In diese ist ein Paar Befestigungsschrauben 130 eingeführt, die zur Befestigung des Mittelteiles der Feder 148 am Halter 44 dienen (siehe F i g. 4).

Es ist anzumerken, daß die Feder 48 auch normalerweise flach ist und sich ebenfalls quer zur Achse des Linsenaufbaus erstreckt Außerdem sind die Federn 42 und 48 zueinander um 90° versetzt Nach Fig.3 kann also die Feder 48 am Unterteil 46 durch Schrauben 104 befestigt sein, während die Befestigung der Feder 48 an der Objektivhalterung 44 nicht zu sehen ist. Andererseits ist die Feder 42 sichtbar mit ihrer Mitte an der Halterung 44 angebracht, während die Anbringung am Unterteil 46 durch das Objektiv 40 verdeckt ist In der um 90° gegenüber F i g. 3 versetzten F i g. 4 ist dagegen die Feder 42 mit ihren Enden links und rechts am Unterteil 46 befestigt zu sehen, während ihre Anbringung an der Halterung 44 durch das Objektiv 40 verdeckt ist In ähnlicher Weise ist die Anbringung der Feder 48 an der Halterung 44 durch Schrauben 130 zu sehen, während die Endbefestigungsschrauben 104 durch das Objektiv 40 verdeckt sind.

Gemäß F i g. 2,3 und 4 besteht die Objektivhalterung 44 aus einer Zylinderhülse mit einem Paar achsparalleler Bohrungen 132, die einander diametral zu einer zylindrischen Bohrung gegenüberliegen, die die Objektivhalterung 44 axial durchsetzt Die Öffnungen 132 nehmen die Schrauben 122 zur Anbringung der Feder 42 an der Oberseite der Objektivhalterung 44 auf. In ein

Lochpaar sind Schrauben 130 am Ende der Halterung 44 eingeschraubt (F i g. 4). Die Bohrung 134 der Objektivhalterung 44 besitzt gemäß F i g. 2 und 4 eine Schulter 136, welche das Gewicht des Objektivaufbaues 40 trägt.

Der Linsenaufbau des Objektives ist von einem Zylindermantel 138 (F i g. 2) gehalten, der eine Schulter 140 besitzt. Diese ruht auf der Schulter 136 in der Bohrung der Objektivhalterung 44. Es ist zu bemerken, daß das Objektiv 40 in der Halterung 44 durch eine Vorbelastung gehalten wird, die aus dem Gewicht des Objektivs 40 und zusätzlichen Vorbelastungskräften besteht, welche durch die Festlegung des Linsenaufbaues hinzutreten. Das Objektiv 40 gleitet relativ zur Halterung 44, wenn eine Kraft in Richtung des Pfeiles 142 in F i g. 4 auf das Objektiv ausgeübt wird, die größer ist als das Gewicht des Aufbaues. Die Gleitbarkeit des Linsenaufbaues gegenüber der Halterung 44 ist eine Sicherheitsmaßnahme, um zu verhindern, daß die Objektivlinsen brechen, wenn die Bodenfläche des Objektivs 40 entweder auf das Objektglas 30 oder den Objektträger 28 aufstößt. Wenn keine Kraft oder eine geringere Kraft als die Vorbelastungskräfte, die auf den Linsenaufbau einwirken, auf das Objektiv 40 entsprechend dem Pfeil 142 in F i g. 4 ausgeübt wird, bewegt sich das Objektiv 40 mit der Halterung 44 und es wird von der Schulter i36 der Halterung 144 getragen.

Die aus der F i g. 2,8 und 9 ersichtliche Kristallanordnung, der Kristallaufbau 38 hat die Form eines Kreises mit zwei diametral gegenüberliegenden weggeschnittenen Sektoren. Der Kristallaufbau besitzt eine kreisförmige zentrische Durchbrechung 144 (F i g. 7) und ein Paar piezoelektrischer Kristallschichten 146 und 148, eingeschoben in eine Messinghülse 150. Am Umfang des Kristallaufbaues 38 befindet sich ein Epoxyharzüberzug zur Abdichtung der Kanten 152. In ähnlicher Weise ist ein Epoxyharzüberzug 154 am Umfang der Durchbrechung 144 vorgesehen, um die übrigen Kanten der Kristallschichten und Messinghülse abzudichten.

Wie aus F i g. 2,3 und 4 ersichtlich ist ist der Kristallmontagering 52 an dem Kristallaufbau innerhalb der Durchbrechung 184 vorzugsweise mit einem Epoxyharz verklebt Der Montagering 52 besitzt an der Unterseite einen Ansatz 156, der in die Durchbrechung im Kristallaufbau 38 eingreift Der Ring besitzt ferner ein Paar radialer Gewindebohrungen, in die Befestigungsschrauben 158 zur Sicherung des Ringes am Objektiv 40 eingreifen.

Wie aus F i g. 4 ersichtlich, ist der Kristallaufbau 138 durch ein Kabel 160 an eine elektrische Stromquelle angeschlossen. Wie nachstehend näher erläutert wird, sind Meßfühler an der Oberfläche des Kristallaufbaues 38 vorgesehen, die auch durch Drähte im Kabel 160 an geeignete elektrische Einrichtungen zur Ermittlung des Bewegungsausmaßes oder Ortes des Objektivs 40 angeschlossen sind. Gemäß F i g. 3 wird der Kristallaufbau 38 an seinen Enden 162 von der Oberseite der Flansche 84 des Gehäuseunterteiles 46 getragen. Die Spannungsanlegung an den Kristallaufbau 38 über Kabel 160 ruft eine bogenförmige Biegung des Kristallaufbaues 38 hervor, wobei dessen Mitte entsprechend der an den Kristallaufbau angelegten Spannungshöhe angehoben wird. Je größer also die Spannung ist desto stärker wird die Mitte des Kristallaufbaues 38 angehoben; daher wird das Objektiv 40 umso mehr angehoben, je größer die an den Kristallaufbau 38 angelegte Spannung ist

Es ist zu betonen, daß das Objektiv 40 sich in der Halterung 44 im Hinblick darauf bewegt daß die Halterung 44 infolge der auf den Mantel des Objektivs 40 ausgeübten Vorbelastung die Mitte der Federn 42 und 48 in Abwärtsrichtung vorgespannt hat, bevor Spannung an den Kristallaufbau angelegt wurde. Solange der Objektivaufbau sich mit der Halterung 44 bewegt, besteht kein Reibungseingriff zwischen dem Objektiv und der Halterung 44 und dem Gehäuse der Feinfokussiereinrichtung. Dies bedeutet, daß keine Kraft, wie Reibung, der Bewegung des Objektives entgegenwirkt. Die einzigen Teile, die zwischen der Halterung 44 und dem Gehäuse eingeschaltet sind, sind die Federn 42 und 48, die in ihrem Mittelteil gegenüber dem Gehäuse abgebogen sind. Demgemäß besteht kein Hystereseeffekt, wenn die Spannung reduziert worden ist und der Objektivaufbau sich in entgegengesetzter Richtung bewegt.

Ein Hystereseverlust ist im wesentlichen deshalb ausgeschaltet, weil kein Reibungseingriff vor Bewegung des Objektivaufbaues gegenüber dem Gehäuse vorhanden ist. Ein etwaiger Hystereseeffekt, der durch die Abbiegung der Federn 42 und 48 hervorgerufen wird, ist äußerst klein in bezug auf Reibungshysterese.

In F i g. 7, 8 und 9 ist der Kristallaufbau 38 vor der Befestigung des Montageringes 42 am Kristallaufbau 38 gezeigt. Gemäß Fig.8 und 9 enthält das Kabel 160 mehrere Vorsorgungsleitungen 164, 166 und 168, welehe die Spannungen an die Schichten des Kristallaufbaues heranführen und diesen durch somit entsprechend einer angelegten Spannungshöhe verbiegen lassen. Wie schon erwähnt, wirkt der Kristallaufbau als Translationsmittel zur Bewegung des Objektivs. Innerhalb des Kabels 160 sind auch mehrere abgeschirmte Leitungen 170 vorgesehen, die an Klemmenleisten 172 und 174 (F i g. 9) und eine Klemmleiste 176 (F i g. 8) angeschlossen sind. In Nähe der Klemmleisten 174(Fi g. 9) ist ein Paar von Dehnungsmessern 178 an der Kristallschicht 148 befestigt und elektrisch mit den verschiedenen Klemmen der Klemmleiste 174 verbunden. Benachbart zur Klemmleiste 176 (F i g. 8) ist ein Paar von Spannungsmessern 180 an der Kristallschicht 146 befestigt die elektrisch mit verschiedenen Klemmen der Klemmleiste 176 verbunden sind. Die Klemmleisten sowie die Dehnungsmesser 178 und 180 sind in geeigneter Weise auf die Außenfläche der Kristallschichten 146 und 148 aufgeheftet

Die Versorgungsleitung 164 ist an die Außenfläche durch Verlöten an den Außenflächen der Kristallschicht 146 angeschlossen. Über die Lötstelle und den freiliegenden Teil der Leitung 164 ist eine dünne Epoxyschicht aufgebracht so daß die Verbindung zwischen der Leitung 164 und der Außenseite des Kristalles geeignet

so isoliert ist Auf der Unterseite des Kristalles ist die Leitung 166 an die Messinghülse 150 bei 182 angelötet Die Messinghülse ist durch eine öffnung 184 freigelegt die in der Kristallschicht 148 vorgesehen ist Die Leitung 164 ist an der Außenseite der Kristallschicht 148 bei 186 angelötet Die beiden Lötverbindungen 182 und 186 sind mit einer dünnen Epoxyharzschicht 188 bzw. 190 abgedeckt welche die Lötstellen isolieren. Außerdem sind die Leitungen 164 und 166 und 168 an der Kristallschicht 148 durch einen dünnen Überzug oder eine Schicht aus Epoxyharz 192 physikalisch festgelegt jedoch nicht elektrisch.

Die Leitung 164 liefert eine positive Spannung, die entsprechend dem erforderlichen Bewegungsausmaß des Objektivs schwankt Die Leitung 166, die an die Messinghülse angeschlossen ist ist geerdet und die Leitung 168 führt negative Spannung entsprechend dem im Objektivaufbau erforderlichen Bewegungsausmaß.
Auf Grund von Versuchen wurde festgestellt daß

vorzugsweise nur die Leitungen 164 und 166 benutzt werden, um im Objektivaufbau 40 die erforderliche Bewegung zu erteilen. Bei Anlegung positiver Spannung an dem unteren Kristall wird sich also die untere Kristallschicht gegenüber der Messinghülse zusammenziehen und dadurch die Mitte des Kristallaufbaues 38 gemäß F i g. 3 und 4 zur Aufwärtsbewegung bringen. Es versteht sich jedoch, daß die Leitungen 166 und 168 ohne die Leitung 164 benutzt werden können, indem man die negative Spannung an die obere Schicht des Kristalles anlegt und dadurch eine Ausdehnung der Kristallschicht 146 gegenüber der Messinghülse hervorruft, so daß sie sich biegt, was zur Aufwärtsbewegung der Mitte des Kristallaufbaues 38 führt.

Die Dehnungsmesser 178 und 180 sind an den Kristallschichten so montiert, daß bei Biegung der Längsachse des Kristallaufbaues die Widerstände der Messer 178 und 180 sich entsprechend dem Biegungsausmaß des Aufbaues verändern.

Das schematische Schaltbild der Fig. 10 zeigt die Verbindung von Eingangsleitungen und Ausgangsleitungen mit den Dehnungsmessern 178 und 180. Die positive Spannungsausgangsleitung 200 ist an den Widerstand 202 angeschlossen, der einen der Dehnungsmesser darstellt und der wiederum an den Widerstandsmesser 204 angeschlossen ist, der dem anderen Dehnungsmesser 180 zugeordnet ist Die positive Spannungseingangsleitung 206 ist an den Verbindungspunkt der Dehnungsmesser 202 und 204 angeschlossen. Die negative Ausgangsleitung 208 ist an den Verbindungspunkt zwischen den Spannungsmessern 204 und 210 angeschlossen. Die negative Spannungseingangsleitung 212 ist an den Verbindungspunkt zwischen den Dehnungsmessern 210 und 214 und die positive Ausgangsleitung 216 an das andere Ende des Dehnungsmessers 214 angeschlossen. Die Dehnungsmesser 202, 204, 210 und 214 der Dehnungsmesserpaare 178 und 180 sind in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeschlossen, so daß Veränderungen der Impedanz in den von den Widerständen 202, 204, 210 und 214 in Fig. 10 wiedergegebenen Dehnungsmessern entsprechend der Streckung oder Zusammenziehung der Dehnungsmesser Ausgangssignale an die Leitungen 200, 208 und 216 abgeben, die direkt proportional zum Biegungsausmaß des Kristallaufbaues schwanken. In einer passenden elektrischen Schaltung können diese Signale benutzt werden, um das Bewegungsausmaß des Objektives 40 festzustellen, d.h. ob sich die Objektivlinsen wie erforderlich bewegen.

Im Betrieb gestattet die Feinfokussiereinrichtung 26 eine äußerst genaue Fokussierung, weil sie eine Bewegung des Linsenaufbaues 40 um so kleine Bruchteile, wie V|6 eines Mikrons ermöglicht Das Kabel 160 liefert Signale an den Kristall, die entsprechend dem für die Objektivlinsen gewünschten Bewegungsausmaß verändert werden. Wenn also Spannung in der Leitung ansteigt, die an die Kristallschicht 148 angeschlossen ist, bewegt die Zusammenziehung der Kristallschicht 148 gegenüber der Hülse 150 die Abbiegung des Kristalles 3S, so daß dessen Mitte gegenüber den Kristallenden angehoben wird. Damit wird der Objektivlinsenaufbau 40 in bezug zu dem aus den Teilen 34 und 46 bestehenden Gehäuse angehoben. Die Federn 42 und 48 werden in ihren Mittelteilen abgebogen, da sie dem Objektiv 40 folgen, das von der Objektivhalterung 44 getragen und mit diesem bewegt wird. Es ist daran zu erinnern, daß die Vorbelastung des Objektives und der Halterung 44 die Federn 42 und 44 auf eine niedrigere Lage vorspannt so daß bei Anhebung des Objektivs durch den Linsenaufbau die Federn 42 und 48 die Halterung 44 zwingen, dem Objektivaufbau zu folgen.

Wenn beabsichtigt ist, daß das Objektiv 40 sich senkt, wird die Spannung in der an die untere Kristallschicht 148 angeschlossenen Eingangsleitung herabgesetzt, wodurch der Zusammenziehungsgrad der Kristallschicht mit der Hülse des Kristalls 38 reduziert wird. Dadurch wird das Objektiv gesenkt, während der Kristallaufbau sich abflacht.

Das Bewegungsausmaß des Objektivs 40 gegenüber dem Gehäuse wird durch die Dehnungsmesser 178 und 180 genau gemessen. Wenn also die Kristallschichten 146 und 148 sich dehnen oder zusammenziehen, wird entsprechend der Widerstand der Dehnungsmesser 178 und 180 herabgesetzt oder erhöht. Wenn demnach die Oberfläche der Kristallschicht ansteigt, steigt auch der Widerstand des Spannungsmessers an. Wenn die Kristallschicht sich zusammenzieht, vermindert sich der Widerstand der daran angeschlossenen Spannungsmesser. Wie aus F i g. 10 ersichtlich, bewirkt die Verbindung der Dehnungsmesser in einer Wheatstone'schen Brükkenschaltung Veränderung in den Spannungssignalen in den Ausgangsleitungen 200, 208 und 216, die sich entsprechend der Abbiegung des Kristallaufbaues verändem. Diese Signale dienen dazu, eine genaue Anzeige der Gesamtbewegung des Objektivlinsenaufbaues 40 zu liefern.

Es ist auch zu bemerken, daß die einzige mechanische Verbindung zwischen dem Linsenaufbau 40 (Objektiv) und dessen Halterung 44 und dem Gehäuse der Feinfokussiereinrichtung aus dem Federpaar 42 und 48 besteht. Es gibt also keinen Reibungseingriff zwischen der Halterung 44 und dem Gehäuse, und die einzige Wechselwirkung zwischen der Halterung 44, die sich mit dem Objektiv bewegt, und dem Gehäuse besteht in der Abbiegung der Federn 42 und 49. Infolgedessen ist ein praktisch zu vernachlässigender Hystereseeffekt als Folge dieser Wechselwirkung im Hinblick auf die Tatsache gegeben, daß praktisch keine Reibungsnacheilung vorhanden ist, wenn die Bewegungsrichtung des Objektivaufbaues sich ändert

Die Feder 36 hat eine doppelte Aufgabe. Sie hält nicht nur den Kristallaufbau 38 an seinen Ort auf der Oberseite des Gehäuseunterteiles 46, sondern belastet auch das Objektiv 40 in Abwärtsrichtung, so daß das Objektiv eine Federvorspannung besitzt, wenn es auf dem Objektträger oder auf dem Objektglas des Objektträgers eines Mikroskops auftrifft um zu verhindern, daß der Objektivaufbau gegen die obere Wand der Feinfokussiereinrichtung gestoßen wird. Der Anschlag 32 dient dazu, daß die Linse des Objektivaufbaus nicht berührt wird, sondern vielmehr trifft der Anschlag 32 auf den Kriitallmontagering, um die Bewegung des Objektivaufbaues nach oben abzubrechen.

Wie schon erwähnt wurde, wird der Objektivaufbau von der Schulter 146 der Objektivhalterung 144 getragen. Wenn er auf den Objektivträger aufstößt kann er auf die Halterung 44 aufwärts gleiten. Infolgedessen wird keine übermäßige Beanspruchung auf die Federn 42 und 48 aufgebracht

Es ist also ersichtlich, daß die Erfindung eine neue und verbesserte Feinfokussiereinrichtung vorsieht Sie gestattet eine äußerst feine Einstellung, während sie den Benutzer mit einer genauen Information versieht, welehe die Bewegung der Feinfokussiereinrichtung anzeigt so daß der Aufbau bei automatischen Fokussiersystemen benutzt werden kann. Die Kristallbewegung gestattet, dem Feinfokussieraufbau eine Bewegung in au-

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ßerst kleinen Bruchteilen zu erteilen. Daraus ergibt sich eine äußerst genaue Fokussierung. Außerdem überwindet die Erfindung durch die Anordnung von Halterungsfedern das brennende Problem von Hystereseeffekten bei der Bewegung des Linsenaufbaues gegenüber dem Gehäuse. Außerdem gestatten die Halterungsfedern ein rasches Ansprechen des Linsenaufbaus auf die Translationskräfte des Kristallaufbaues. Die Bewegung des Linsenaufbaues erfolgt also sehr rasch. Die Halterungsfedern gestatten auch eine Wiederholung der Objektivbewegung. Ferner wird eine völlig lineare Translation des Objektives erzielt, weil Fehlausrichtung aufgrund von Verspannung ausgeschaltet ist. Schließlich können alle diese Vorteile mit sehr feiner Steuerung erreicht werden.

Der piezoelektrische Kristall bietet auch Vorteile für das System auf Grund der Ausnutzung einer beträchtlichen Energiemenge für die Verschiebung des Objektivsystemes. Außerdem wird sehr wenig Wärme an dem Kristallaufbau verteilt, und deshalb ist die Wärme zu gering, um irgendeine Schädigung des Linsenaufbaues zu verursachen.

Ein anderer äußerst wichtiger Vorteil des piezoelektrischen Kristalles ist die dem Kristall anhaftende kleine Zeitkonstante, die eine äußerst rasches Ansprechen auf eine Änderung der daran angelegten Spannung ermöglicht. Ferner bietet die Montierung des piezoelektrischen Kristalles zwangsläufig einen Schutz gegen Anprall, weil dann der Objektivaufbau aus dem Objektivhalter herausbewegt wird, wenn der Aufbau auf dem Objektivträger des Mikroskopes aufstößt.

Schließlich gestattet die sichere Anbringung der Halterungsfedern 42 und 48 an dem Gehäuse und der Halterung 44 einen größtmöglichen Abstand längs der Federn zwischen dem Gehäuse und der Halterung. Mit anderen Worten gestattet die maximale Trennung längs der Feder eine größtmögliche Bewegungsstrecke der Halterung gegenüber dem Gehäuse. Dies ergibt sich aus der Befestigung der Federenden an dem Gehäuse und der Halterung allein in der Mitte der Federn. Die Durchbrechungen 118,126 der Halterungsfedern ermöglichen, daß der Objektivaufbau sich durch die Federn erstreckt und die Halterung doch an der Feder in der Federmitte festgelegt wird.

45 Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Feinfokussiereinrichtung für das Objektiv eines optischen Instrumentes, mit einem Gehäuse, einer Objektivhalterung und einer Feinverstell-Anordnung zum Verschieben der Objektivhalterung gegenüber dem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein flaches Federelement (42) vorgesehen ist, das sich quer zur optischen Achse des Objektives erstreckt, das einmal an zwei gegenüberliegenden Punkten starr mit dem Gehäuse (46) und zum anderen, beabstandet von den Befestigungspunkten des Gehäuses, starr mit der Objektivhalterung (44) befestigt ist, und daß eine auf die Verschiebung der Objektivhalterung ansprechende elektrische Sensoranordnung (178, 180) zur Erfassung der Größe der Relativbewegung zwischen Objektivhalterung und Gehäuse vorgesehen ist

2. Feinfokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites flaches Federelement (48) vorgesehen ist, das sich ebenfalls quer zur Längsachse der Relativbewegung der Objektivhalterung zum Gehäuse (46) erstreckt, wobei das eine Federelement (42) am einen Ende und das zweite Federelement an dem anderen Ende der Objektivhalterung befestigt ist

3. Feinfokussiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federelemente (42, 48) winkelmäßig um 90° um die Längsachse der Relativbewegung der Objektivhalterung gegenüber dem Gehäuse zueinander versetzt angeordnet sind.

4. Feinfokussiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinverstellanordnung eine Kristallanordnung (38) aufweist, die an ihren Enden vom Gehäuse getragen wird, und daß eine Linse, die in der Objektivhalterung angebracht ist, zentrisch auf der Kristallanordnung befestigt ist und in bezug auf das Gehäuse durch eine Verbiegung der Kristallanordnung verschoben wird.

5. Feinfokussiereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallanordnung einen Messingstreifen und mindestens eine Schicht aus einem piezoelektrischen Kristall aufweist, dieser Kristall durch Anlegen einer Potentialdifferenz über der Kristallschicht und dem Messingstreifen gebogen wird und die Verbiegung der Kristallanordnung proportional der Größe der Potentialdifferenz ist, die über der Kristallanordnung liegt.

6. Feinfokussiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung mindestens einen Dehnungsmeßstreifen (172, 174), der auf der Oberfläche der Kri-Stallanordnung befestigt ist, aufweist.

7. Feinfokussiereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dehnungsmeßstreifen auf der Oberfläche der Kristallanordnung befestigt und zu einer Wheatston'schen Brücken-Schaltung zusammengeschaltet sind.