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Autofokus für Mikroskope
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Autofokus für Mikroskope Zur automatischen Fokusnachstellung an Mikroskopen
sind eine ganze Reihe nach unterschiedlichen Prinzipien arbeitender Systeme bekannt,
die sich aber bisher aus Gründen zu hohen Aufwandes oder mangeinder Zuverlässigkeit
nicht allgemein durchsetzen konnten.
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So ist ein Autofokus bekannt, der auf der Ausfilterung bestimmter
für den Fokussierzustand charakteristischer Frequenzen aus dem Videosignal einer
mit dem Mikroskop verbundenen Kamera basiert. Das so aus dem Bildinhalt gewonnene
Signal zur Fokusnachstellung enthält jedoch keine Richtungsinformation, deswegen
muß die Nachstellung in Form eines Suchlaufs erfolgen. Nachteilig ist außerdem die
erfordernis einer Fernsehkamera.
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Weiterhin ist es bekannt ein der Fokusverstellung dienendes Signal
durch Überlagerung des Zwischenbildes mit einem schwingenden Gitter zu erzeugen,
dem mehrere Fotoempfänger nachgeschaltet sind. Zur Richtungserkennung wird die Phase
der Signale jeweils paarweise nebeneinander in der Pupillenebene angeordneter Empfönger
verglichen. Dieses System besitzt Nachteile wegen der Verwendung mechanisch bewegter
Teile.
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Aus der DE-OS 24 47 398 ist ein Autofokus, allerdings für Photoapparate,
bekannt, der ein in der Bildebene eines bJilfsobjektivs angeordnetes, aus mehreren
Eìnzeldioden bestehendes Detektorfeld besitzt. In der Pupille des Hilfsobjektivs
sind Mittel angeordnet, die jeweils alternierend nur eine Hälfte der Pupille freigeben.
nei Defokussierung tritt bezüglich der beiden, den jeweiligen Pupillenhälften zugeordneten
Teilbildern eine Parallaxe auf, so daß die Detektoren ein Wechselspannungssignal
im Takte der Pupillenabdeckung liefern, das der Fokusnachstellung dient. Dieses
System hat sich jedoch nicht durchgesetzt, da es schwierig ist, geeignete Mittel
zur wechselseitigen Abdeckung der Objektivpupille zu finden, die möglichst ohne
mechanisch bewegte Teile arbeiten. Für die Mikroskopie ist ein solches an die Verwendung
eines Hilfsobjektivs gebundenes Fokussiersystem außerdem nicht geeignet.
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Für Photoapparate sind weiterhin Fokussiersysteme bekannt, die in
einen
vom Hauptstrahlengang abgezweigten, zweiten Strahlengang eine
Pupillenteilung vornehmen und die bei Defokussierung auftretende statische Parallaxe
im Intensitätsmuster zweier, den jeweiligen Pupillenhälften zugeordneter, zeilenförmiger
Detektoren zur Gewinnung des Fokussiersignals auswerten. Solche Systeme sind z.B.
in der DE-OS 29 22 080, der DE-OS 29 46 380 oder der US-PS 41 32 888 beschrieben.
Bei diesen Systemen ist der Autofokus entweder während des Belichtungsvorganges
abgeschaltet oder er benötigt einen Teil des eigentlich zur Pildentstehung vorgesehenen
Lichtes. Der Einsatz dieses Systems bei einem Mikroskop ist problematisch, weil
hier ein ständiges Fokussieren gefordert wird und eine zusätzliche Verminderung
des durch Kontrastierungsverfahren ohnehin meist recht intensitätsgeschwächten Nutzlichtes
für den hutofokus unerwünscht ist. Zudem arbeiten die bisher genannten Autofokussysteme
zufriedenstellend nur dann, wenn das beobachtete Objekt einen ausreichenden Eigenkontrast
besitzt.
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In bekannten Autofokussystemen für Geräte zur Beobachtung schwach
strukturierter Objekte wird in der gel eine Marke auf das Objekt projiziert und
in Autokollimation auf sich selbst abgebildet. Derartige Systeme sind z.B. in der
DE-PS 24 47 663, der US-PS 34 21 815 und der DE-PS 21 02 922 beschrieben. Das aus
der DE-PS 24 47 663 bekannte System benutzt jedoch ein Hilfsobjektiv zur Markenprojektion
und liefert ein Autofokussignal ohne Richtungsinformation. Auch der aus der US-PS
34 21 815 bekannte Autofokus für einen Diaprojektor arbeitet mit einem Hilfsobjektiv,
hier in Form einer Zylinderlinse, und ist daher nicht zur Verwendung in einem Mikroskop
geeignet.
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Lediglich der aus der DE-PS 21 02 922 bekannte Autofokus ist auf die
Verwendung in einem Mikroskop zugeschnitten. Er besitzt die im Oberbegriff des Hauptanspruches
genannten Merkmale. In einer zur Pupille des Objektivs konjugierten Ebene des Strahlenganges
der Hilfsbeleuchtung ist eine Blende angeordnet, die das Licht der Hilfsbeleuchtung
auf eine Pupillenhälfte begrenzt. In zur Objektebene konjugierten Fbenen sind je
eine Marke in Form einer Spalt- oder lochblende und eine zwischen zwei Empfängern
liegende Dunkelmarke angeordnet, auf die das Licht der Lochblende nach Reflexion
am Objekt bei exakter Fokussierung fällt. Im defokussierten Zustand des Mikroskops
wird die Lochblende aufgrund des
Parallaxeneffektes nicht exakt
auf die Dunkelmarke abgebildet sondern auf einen der beiden photoelektrischen Empfänger,
der dann ein der Fokusstellung dienendes Signol liefert.
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Bei diesem statischen System wirken sich Zentrierfehler der Flenden
und Verkippungen der Objektfläche sehr stark auf die Genauigkeit der roKusverstellung
aus.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen zuverlässig und
mit hoher Genauigkeit arbeitenden Autofokus für Mikroskope zu schaffen, der möglichst
einfach aufgebaut ist.
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Ausgehend von einem System nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches
wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung gemäß den im Kennzeichen angegebenen Merkmalen
dadurch gelöst, daß die Hilfsbeleuchtung mindestens zwei alternierend geschaltete
Lichtquellen enthält, die nebeneinander in der Nähe einer Pupille des Mikroskops
angeordnet sind.
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Durch diese Ausbildung bleiben Gleichlichtanteile, die aus Dejustierungen
und Objektverkippungen resultieren, ohne Einfluß auf das Regelsignal. Ein Eingriff
in die im allgemeinen wenig zugängliche Objektivpupille ist nicht erforderlich.
Das System gewährleistet außerdem das Erkennen der Richtung der Defokussierung,
beispeilsweise durch einen Vergleich der Phase zwischen der Schaltspannung für die
Lichtquellen und den von den Detektoren abgegebenen Signalen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Einspiegelung der Hilfsbeleuchtung in
Auflicht erfolgt und eine von der Hilfsbeleuchtung be- bzw. durchstrahlte spiegelnde
Marke in der Nähe einer Luke angeordnet und in Autokollimation auf sich selbst abgebildet
wird. Diese Marke ist zweckmäßig ein metallbedampftes Spritzgußteil in Form eines
aus durchlässigen und spiegelnden Streifen gebildeten Gitters, wobei die spiegelnden
Streifen in zwei Gruppen angeordnet sind, die gegen die optische Achse symmetrisch
geneigt sind.
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Dann sind lediglich zwei, den jeweiligen Gruppen von Spiegelstreifen
zugeordnete Empfänger nötig, die nur dann mit Licht beaufschlagt wer-
den,
wenn nicht korrekt fokussiert ist. Auf diese Weise erhält man einen vom Bildinhalt
bzw. dem Bildkontrast unabhängig arbeitenden Autofokus, der mit wenigen preiswerten
Bauteilen arbeitet und äußerst empfindlich ist. Dieser Autofokus ist nicht nur für
Auflichtmikroskope sondern auch für Durchlichtaufbauten brauchbar, wenn dafür gesorgt
ist, daß der Objektträger in dem Spektralbereich der Hilfsbeleuchtung genügend gut
reflektiert, was durch eine geeignete Beschichtung immer erreicht werden kann.
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Es ist jedoch auch möglich und insbesondere bei häufigem Arbeiten
mit gut strukturierten Durchlichtobjekten vorteilhaft die Einspiegelung der Hilfsbeleuchtung
im Durchlicht vorzunehmen und in der Bildebene einen Empfänger zu verwenden, der
aus einer Vielzahl von einzelnen Detektorelementen besteht, z.B. ein sogenanntes
selbstabtastendes Detektorarray, das eine der Objekthelligkeitsverteilung entsprechende
Signal folge liefert.
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Bei Defokussierung verschiebt sich diese Signalfolge im Takte der
Umschaltung der Hilfsbeleuchtung und kann daher bei geeigneter Auswertung zur Bildung
eines Nachführsigncis für die Fokussiermechanik des Mikroskops dienen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen
und sind nachstehend anhand der Fig. 1-5 der beigefügten Zeichnungen erläutert:
Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeipiels der Erfindung; Fig.
2 ist eine detailliertere Darstellung des Gitters 15 aus Fig. 1 in geändertem Maßstab;
Fig. 3 ist eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Signal verlaufs des Detektors 121 aus
Fig. 3;
Fig. 5 ist eine Teilskizze eines gegenüber Fig. 3 leicht
modifizierten Ausführungsbeispiels.
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In Fig. 1 ist mit 1 der vertikal verstellbare Tisch eines Auflichtmikroskops
bezeichnet, auf den das zu untersuchende Objekt 2 aufgelegt ist. Dieses wird durch
das Objektiv 3 beobachtet, hinter dem ein halbdurchlässiger Teilerspiegel 4 zur
Einspiegelung des Beleuchtungsstrahlengangs angeordnet ist. Darauf folgen die Tubuslinse
10 und ein Prisma 11 zur Ausspiegelung des Beobachtungsstrahlenganges in die nicht
dargestellten Okulare. Die Tubuslinse 10 entwirft an der Stelle der Blende 13 das
vom Beobachter wahrgenommene Zwischenbild des Objekts 2.
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Der Beleuchtungsstrahlengang enthält eine Glühlampe 9, einen Kondensor
8, eine Aperturblende 7, eine Leuchtfeldblende 6 sowie eine Hilfslinse 5 zur Abbildung
der Aperturblende 7 in die hintere Brennebene des Objektivs 3. Soweit entspricht
die Darstellung der eines herkömmlichen Au fl icht-hlikroskops.
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Das Prisma 11 besteht aus zwei Teilen, zwischen denen eine wellenlängenselektive
Teilerschicht 30 angeordnet ist. Über diese Teilerschicht wird das von zwei Infrarotdioden
17 und 18 abgegebene Licht der Hilfsbeleuchtung für den Autofokus nach Umlenkung
am Vollspiegel 14 in den Strahlengang des Mikroskops eingespiegelt. Selbstverständlich
ist es -auch möglich dieses Ausführungsbeispiel 30 abzuwandeln, daß zusätzlich noch
eine Kamera angeschlossen werden kann. In diesem Falle würde man die wellenlängenselektive
Teilerschicht in den Spiegel 14 verlegen und die Schicht 30 als einfachen Strahlteiler
ausbilden oder das Prisma 11 verschiebbar lagern.
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Zwischen den nebeneinander in einer Pupille angeordneten Dioden 17
bzw.
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18 und dem Spiegel 14 ist in einer der Objektoberfläche konjugierten
Ebene eine Marke 15 angeordnet. Diese Marke wird von den Dioden 17 und 18 mit Fhlfe
der Linse 16 beleuchtet und von der Tubuslinse 10 und dem Objektiv 3 in die Objektebene
und in Autokollimation wieder auf sich selbst abgebildet.
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Die Marke 15 besteht aus einer transparenten Platte aus Kunststoff,
die
wie Fig. 2 zeigt auf der Seite der Dioden 17/18 eben und unverspiegelt
ist und objektseitig mehrere gitterförmige, nebeneinander angeordnete Rillen aufweist.
Diese Rillen besitzen ebene, schräggestellte und verspiegelte Seitenwände 26 und
28 und sind durch unverspiegelte Stege 27 voneinander getrennt.
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Zwischen der Marke 15 und dem Spiegel 14 sind außerhalb der optischen
Achse jedoch symmetrisch zu ihr ein Paar Detektoren 21 und 22 mit zugehörigen Hilfslinsen
19 bzw. 20 angeordnet. Die !4ilfslinsen 19 und 20 bilden in Verbindung mit den ihnen
zugeordneten Spiegelstreifen 28 und 26 jeweils die Pupille des Objektivs 3 auf die
Empfänger 21 bzw. 22 ab.
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Die Empfänger sind ebenso wie die Leuchtdioden 17 und 18 mit einer
Elektronikeinheit 23 verbunden, die die Dioden 18 und 19 alternierend ansteuert
und die von den Detektoren 21 und 22 gelieferten Signale im Takte der Diodensteuerung
zu einem Fokusfehlersignal verarbeitet, das zur Ansteuerung eines Motors 24 dient.
Dieser Motor 24 verstellt über ein Getriebe 25 den Tisch 1 in seiner Höhe.
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Alle Bauteile des Autofokus sind zu einer am Stativ des Mikroskops
zu befestigenden Baugruppe 29 zusammengefaßt.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Befindet sich das
Objekt 2 im Fokus, so werden die transparenten Stege 27 der Spiegelmarke 15 exakt
auf sich selbst abgebildet, gleichgültig von welcher Diode 17 oder 18 die Marke
15 gerade beleuchtet wird. Angedeutet ist dies in Fig. 2 durch den schräg auf den
Steg 27 auffallenden Strahl a der Diode 17, der nach Reflexion an der Objektoberfläche
als Strahl a' wieder an der gleichen Stelle durch den Steg 27 hindurchtritt.
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Befindet sich das Objekt 2 nicht exakt im Fokus, so erfährt der Strahl
a bei der Reflexion am Objekt einen seitlichen Versatz und gelangt je nach Vorzeichen
der Defokussierung als Strahl b bzw. Strahl c auf eine der schräggestellten Spiegel
flächen 26 bzw. 28 und nachstehend durch die Optik 19 bzw. 20 auf einem der Detektoren
21 oder 22. Entsprechendes gilt für das von der zweiten Diode 18 abgegebene Licht.
Dabei ist jedoch festzustellen, daß aufgrund des Parallaxeneffektes von den bei-
den
in utterschiedlichen Pupillenhälften angeordneten Dioden jeweils unterschiedliche
Detektoren beleuchtet werden.
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Aus dem Gesagten ergibt sich, daß die beiden in Differenz geschalteten
Detektoren 21 und 22 ein Wechselspannungssignal abgeben, dessen Amplitude der Größe
der Defokussierung entspricht und dessen Phasenlage in Bezug auf die Schaltspannung
der Dioden 17 und 18 die Richtung der Refokussierung angibt. Dieses Signal dient
nach phasenempfindlicher Gleichrichtung in der Steuereinheit 23 zur Regelung des
Motors 24, der zur Refokussierung den Tisch 1 verstellt.
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Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Autofokussiersystems
für Durchlichtmikroskope verwendet keine in Autokollimation auf sich selbst abgebildete
Marke sondern basiert wie nachstehend beschrieben auf dem Prinzip der Autokorrelation
zweier Objektbilder.
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Der Beobachtungsstrahlengang des ttikroskops besteht wieder aus einem
Objektiv 103, mit dem das auf dem Tisch 101 aufliegende Durchlichtobjekt 102 betrachtet
wird. Das Objektiv 103 erzeugt in Verbindung mit der Tubuslinse 110 ein Bild des
Objekts an der Stelle der Feldblende 113 nach Umlenkung des Strahlenganges durch
das aus zwei Teilen 111 und 112 bestehende Prisma. Die Kittschicht zwischen den
Teilen 111 und 112 ist als Strahlteiler ausgebildet, so daß über das Prisma 112
ein Zusatzteil z.B. eine Kamera angeschlossen werden kann.
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Beleuchtet wird das Objekt 102 von einer Glühlompe 109, die von einem
Kollektor 108 und einer dorauffolgenden Hilfslinse 105 nach Umlenkung am Spiegel
120 in die hintere Brennebene des Kondensors 119 abgebildet wird, wo sich die Aperturblende
107 befindet. Mit 106 ist die Leuchtfeldblende bezeichnet.
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Zwischen der Leuchtfeldblende 106 und dem Kondensor 119 ist ein wellenlängenselektiver
Strahlteiler 114 angeordnet, der die Infrarotstrahlung zweier wiederum alternierend
geschalteter Leuchtdioden 117 und 118 in den Beleuchtungsstrahlengang einspiegelt.
Die Dioden 117 und 118 sind nebeneinander angeordnet und werden von der Linse 116
in die Ebene der Aperturblende 107 abgebildet.
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Hinter dem Objektiv 103, an einer Stelle, an der üblicherweise die
Auflichtbeleuchtung eingespiegelt wird, ist ein zweiter wellenlängenselektiver Strahlteiler
104 angeordnet, der die von den Dioden 117 und 118 abgegebene Strahlung aus dem
Beobachtungsstrahlengang wieder ausspiegelt. Eine Linse 115 erzeugt das Bild der
Probe 102 im Lichte dieser Strahlung.
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In der Bildebene ist ein selbstabtastendes Detektorarray 121 angeordnet,
dessen Abtastfrequenz mit der Schaltfrequenz der Dioden 1171118 synchronisiert ist.
Die Abtastung von Detektorarray und Dioden erfolgt durch eine Steuereinheit 123,
die auch das von der Detektorzeile abgegebene Signal verarbeitet und daraus ein
Steuersignal zur Verstellung des Tisches 101 für den über das Getriebe 125 mit dem
Tisch 101 verbundenen Elektromotor 124 bildet.
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Befindet sich das auf dem Tisch 101 aufliegende Objekt 102 im Fokus
des Objektivs 103, so sind die beiden Signal folgen, die das Array 121 bei Beleuchtung
des Objekts einmal durch die Diode 117 und das andere mal durch die Diode 118 abgibt,
identisch und entsprechen der Helligkeitsverteilung im Objektbild an der Stelle
des Arrays 112.
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Ist das Objekt jedoch außer Fokus, so tritt aufgrund der außerochsialen
Beleuchtung durch die. Dioden 117 und 118 ein Parallaxeneffekt auf und das Bild
des Objekts 102 verschiebt sich in der Ebene des Detektorarrays 121 alternierend
im Takte der Schaltfrequenz der Dioden. Dieser Fall ist in Fig. 4 erläutert. Aufgetrogen
ist dort die Bildhelligkeit I über die Elemente des Arrays 121. Der Graph L 17 gibt
die Helligkeitsverteilung bei Beleuchtung des Objekts 102 durch die Diode 117 und
der Graph L 18 die Verteilung bei Beleuchtung des Objekts durch die Diode 118 wieder.
Richtung und Ausmaß der Verschiebung beider Kurven sind durch Richtung und Ausmaß
der Defokussierung bestimmt.
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Die Abtastung des Arrays 121 im Takte der Schaltfrequenz der Dioden
117 und 118 liefert also zwei Signalfolgen, deren Phasenverschiebung durch eine
geeignete Schaltung im Steuerteil 123 erkannt und zur Bildung des Regelsignals für
den Motor 124 herangezogen wird.
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In der modifizierten Ausführungsform nach Fig. 5 ist das Array 121
in der Bildebene mittels einer nicht dargestellten Handhobe verschiebbar gelagert,
wie dies durch die Pfeile 129 angedeutet ist. Das ermöglicht ein gezieltes Auswählen
des Probenortes, auf den der Autofokus scharf stellt. Damit die Lage des Arrays
21 für den Beobachter sichtbar ist, sind an beiden Enden des Arrays 121 je eine
Leuchtdiode 127 bzw. 128 befestigt. Diese Dioden werden mit Hilfe eines hinter dem
Teilerspiegel 104 angeordneten Tripelprismas in die Zwischenbildebene am Ort der
Blende 113 abgebildet.