DE3641048A1

DE3641048A1 - Vorrichtung zur erkennung des fokussiergrades

Info

Publication number: DE3641048A1
Application number: DE19863641048
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Miyahara
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-12-02
Filing date: 1986-12-01
Publication date: 1987-06-04
Anticipated expiration: 2006-12-02
Also published as: DE3641048C3; JPS62131219A; JP2614843B2; US4769530A; DE3641048C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Ober begriff des Anspruches 1 zur Erkennung des Fokussier grades in einer automatischen Fokussiervorrichtung, die unter Verwendung von Infrarotstrahlen erkennt, ob ein optisches System im fokussierten Zustand ist oder nicht und wenn das optische System nicht fokussiert ist, die ses automatisch fokussiert oder scharfstellt. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrich tung zur Erkennung des Fokussiergrades, welche präzise den Grad der Fokussierung in einem optischen System un geachtet der Versetzung von Bildebenen durch infrarote und sichtbare Strahlen erfassen kann, wobei die Verset zung der Bildebenen aus einer chromatischen Aberration eines Objektives in Abhängigkeit des achromatischen (o der apochromatischen) Typs des Objektives und der Brennweite des Objektives entsteht.

Vorrichtungen zur Erkennung des Fokussiergrades, die in optischen Instrumenten und medizinischen Vorrichtungen wie Kameras, Mikroskopen, Endoskopen oder Dokumentations kameras verwendet werden, benötigen ein gutes Ansprechver halten und hohe Genauigkeit. Aus der JP- OS 60-42725 ist eine Vorrichtung mit Lichtmarkierungsprojektion bekannt. Um bei dieser bekannten Vorrichtung den Grad der Fokus sierung erkennen zu können, durchlaufen ein ausgesendeter Lichtstrahl und ein reflektierter Lichtstrahl verschiedene optische Pfade in einem optischen System. Die Verschiebung des reflektierten Lichtpunktes der Lichtquelle der Bild ebene wird dann als Fokussierungsgrad erkannt. Bei Erken nungsvorrichtungen des Projektionstypes sind die soge nannten TTL-Typen die am meisten verwendeten. Da weiterhin der reflektierte Projektionsstrahl in das Beobachtungsfeld eintritt, werden für die Projektionsstrahlen Infrarot strahlen verwendet.

Die Bildebenen, die von Infrarotstrahlen und sichtbaren Strahlen erzeugt werden, werden aufgrund der chromatischen Aberration des Objektives versetzt. Somit müssen Maßnahmen ergriffen werden, diese Versetzung der Bildebenen zu kor rigieren. Die chromatische Aberration ändert sich in Ab hängigkeit der Brennweite und des Achromatentyps des Ob jektives. Somit muß jedes Mal dann, wenn das Objektiv ausgewechselt wird, der Korrekturwert der Korrekturein richtung geändert werden. Dies ist insbesondere dann pro blematisch, wenn ein Mikroskop verwendet wird, bei dem sehr hohe Brennweitenunterschiede der Objektive vorlie gen.

Eine Vorrichtung zur Korrektur der Versetzung der Bild ebene aufgrund eines Objektivwechsels ist in der DE-OS 32 19 503.6 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird ein optisches Korrektursystem, das in Richtung der optischen Achse um einen festen Betrag beweglich ist vorgesehen, um die Bildebene zu bewegen, die von den Infrarotstrahlen bestimmt ist. Wenn das Objektiv ausgewechselt wird, wird das optische Korrektursystem bewegt.

Die Fig. 16 bis 18 zeigen den grundlegenden Aufbau dieser bekannten Vorrichtung. Fig. 16 zeigt, wie ein Objektiv A ein Bild formt. Durchgezogene Linien zeigen Strahlen sichtbaren Lichtes und gestrichelte Linien zeigen Infra rotstrahlen. Die Laserstrahlen im infraroten Bereich, die von einer Laserdiode 101 emittiert werden, werden über eine Konvexlinse 102, eine Korrekturlinse 103, eine Tu buslinse 104 und das Objektiv A auf ein Objekt gerichtet. Zwischen der Konvexlinse 102 und der Korrekturlinse 103 ist ein Spiegel 105 angeordnet. Die von dem Spiegel 105 reflektierten Laserstrahlen werden von einer Bildlinse 106 fokussiert und auf einen Fotosensor 107 gerichtet, so daß sich das Objektbild auf dem Sensor 107 abzeichnet.

Fig. 17 zeigt wie ein Objektiv B mit einer Brennweite, die sich von der des Objektives A unterscheidet, ein Bild formt. In diesem optischen System wird das von den sicht baren Strahlen erzeugte Bild in der gleichen Lage wie im Fall von Fig. 16 erzeugt, aber das von den Infrarotstrah len erzeugte Bild wird in einer anderen Lage als in Fig. 16 erzeugt. Der Grund hierfür ist, daß die verschiedenen Brennweiten der verwendeten Objektive zu verschiedenen Aberrationen führen. Im Fall von Fig. 16 werden die In frarotstrahlen der Laserdiode 101 nicht auf dem Fotosensor 107 fokussiert, so daß das optische System unscharf einge stellt ist.

Wie aus Fig. 18 hervorgeht, wird nun die Korrekturlinse 102 von Hand oder elektrisch bewegt, um die Fokussierlage der Infrarotstrahlen zu korrigieren.

Die Betätigung von Hand ist aufgrund der feinfühligen und präzisen Neupositionierung der Korrekturlinse bei jedem Auswechseln des Objektives schwierig und verlangt hohes Geschick. Die Bewegung durch eine elektrische Vorrichtung benötigt einen teuren Motor mit seiner teuren Treiber- und Steuerschaltung, so daß die gesamte Vorrichtung komplexen Aufbau aufweist und entsprechend teuer ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erkennung des Fokussiergrades des Licht marken-Projektionstypes zu schaffen, welche unter Verwen dung von Infrarotstrahlen den Fokussiergrad eines opti schen Systems erfaßt, wobei die Versetzung der Bildebenen von sichtbaren Strahlen und Infrarotstrahlen aufgrund ei ner chromatischen Aberration und Vergrößerung eines Ob jektives zuverlässig und preiswert erfolgt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnen den Merkmale des Anspruches 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 und 2 Ansichten von optischen Systemen zur Erläu terung des Prinzips der erfindungsgemäßen Vor richtung zur Erkennung des Fokussiergrades eines optischen Systemes, wobei Fig. 1 ein optisches System im fokussierten Zustand zeigt und Fig. 2 ein optisches System im nichtfokussierten Zustand zeigt;

Fig. 3 bis 5 Ansichten zur Erläuterung eines optischen Verkleinerungssystems, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei Fig. 3 den Fall einer Tubuslinse mit der Brennweite f _T, Fig. 4 den Fall einer konvexen Verkleinerungslinse mit der Brennweite 2 f _T zusätzlich zu der Tubuslinse von Fig. 3 und Fig. 5 den Fall einer Verkleinerungs linse mit der Brennweite 0,2 f _T zusätzlich zu der Tubuslinse von Fig. 3 zeigt;

Fig. 6 eine normale Bildabbildung in dem optischen Ver kleinerunssystem gemäß der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 7 eine graphische Erläuterung der Charakteristik des optischen Verkleinerungssystemes gemäß Fig. 6;

Fig. 8 ein optisches System eines automatisch fokussie renden Mikroskopes mit einer ersten Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Er kennung des Fokussiergrades;

Fig. 9 einen Querschnitt durch ein fotoempfindliches Element in der ersten Ausführungsform;

Fig. 10 ein Blockdiagramm eines elektrischen Schaltkrei ses, der dem fotoempfindlichen Element der ersten Ausführungsform nachgeschaltet ist;

Fig. 11 im Blockdiagramm den Fokussierschaltkreis von Fig. 10;

Fig. 12 im Blockdiagramm den Offset-Signalgenerator von Fig. 11;

Fig. 13A bis 13E Wellendiagramme zur Erläuterung der Ar beitsweise der ersten Ausführungsform;

Fig. 14 ein Blockdiagramm einer Abwandlung des Schalt kreises von Fig. 10;

Fig. 15 ein optisches System, in welchem eine zweite Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung des Fokussiergrades eingebaut ist; und

Fig. 16 bis 18 Erläuterungen des Standes der Technik zur Veranschaulichung der Versetzung der Bildebenen von sichtbaren und infraroten Strahlen, welche durch die chromatische Aberration eines Objektives verursacht wird, wobei Fig. 16 zeigt, wie ein Bild von einem Objektiv A erzeugt wird, Fig. 17 zeigt, wie ein Bild von einem Objektiv B erzeugt wird und Fig. 18 zeigt, wie die Versetzung der Infrarot- Bildebene durch eine Korrekturlinse korrigiert wird.

Vor der Beschreibung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung des Fokussierungsgrades soll anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden, wie der Fokussierungsgrad in einem optischen System erkennbar ist. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erkennung des Fokussierungsgrades (im folgenden mit "Fokus-Erkennungsvorrichtung" bezeichnet), bei der ein Objekt 2 im Brennpunkt einer Objektivlinse (fotografische Linse) 1 angeordnet ist. In dem darge stellten optischen System durchläuft eine Vielzahl von Lichtstrahlen verschiedene optische Wege, die von der op tischen Achse des optisches Systems abweichen. Beispiels weise durchlaufen die Strahlen "a" und "b" optische Pfade, die zur optischen Achse des Objektives 1 geneigt sind. Diese Strahlen werden auf das Objekt 2 gerichtet. Die Lichtstrahlen werden von dem Objekt 2 reflektiert und treffen auf ein fotoempfindliches Element 3. Die Abwei chung des reflektierten Lichtpunktes von der optischen Achse auf dem fotoempfindlichen Element 3 wird zur Erken nung des Fokussierungsgrades verwendet. Zur Beschreibung des Prinzips der Erfassung des Fokussierungsgrades reicht die Bezugnahme auf einen einzelnen Lichtstrahl.

Ein Punktbild von einem lichtemittierenden Element (La serdiode) 7, welches Infrarotstrahlen emittiert durchläuft eine kleine Linse 5 und eine Position P, welche bezüglich der Bildebene des Objektives 1 konjugiert ist. Das Punkt bild wird von einem Strahlenteiler 4 aufgespaltet und durchläuft als Lichtstrahl "a" das Objektiv 1. Danach wird es als Punktbild Qa auf dem Objekt 2 abgebildet, welches in dem Brennpunkt angeordnet ist. Wenn das Objekt 2 eine rauhe Oberfläche hat, wird das Punktbild Qa gestreut und trifft auf die gesamte Öffnung des Objektives 1 und bildet ein Punktbild Qa′ auf dem fotoempfindlichen Element 3, welches in der Bildebene angeordnet ist. Wenn das Objekt 2 eine glänzende Oberfläche hat, wird das Punktbild Qa an dem Objekt reflektiert und wird zu einem Lichtstrahl "b", der als Bildpunkt Qa′ auf dem fotoempfindlichen Element 3 abgebildet wird.

Ein Punktbild, das von einem lichtemittierenden Element 8 durch eine kleine Linse 6 emittiert wird, wird als Punkt bild Qb′ auf dem fotoempfindlichen Element 3 dargestellt.

Somit sind im fokussierten Zustand des optischen Systemes das Punktbild Qa′ des lichtemittierenden Elementes 7 und das Punktbild Qb′ des lichtemittierenden Elementes 8 beide als Punktbilder auf der gleichen Stelle der optischen Achse abgebildet.

Fig. 2 zeigt ein optisches System, in welchem das Objekt 2 aus dem Brennpunkt des Objektives 1 herausversetzt ist. Das Punktbild des lichtemittierenden Elementes 7 läuft durch die kleine Linse 5 und die Position B, welche bezüg lich der Bildebene des Objektives 1 konjugiert ist. Es wird von dem Strahlenteiler 4 aufgespalten und durchläuft das Objektiv 1 als Lichtstrahl "a". Der Lichtstrahl "a" wird als nichtfokussiertes Punktbild Qa auf dem Objekt 2 in der Außerbrennpunktlage dargestellt. Die Brennpunktlage ist mit dem Bezugszeichen 2′ dargestellt. Wenn das Objekt 2 eine rauhe Oberfläche hat, wird das Punktbild Qa ge streut und wird zu einem Lichtfluß mit einem Durchmesser der der Öffnung des Objektives 1 annähernd entspricht. Das gestreute Licht durchläuft das Objektiv 1 und bildet ein unscharfes Punktbild Qa′ auf dem fotoempfindlichen Element 3 in der Bildebene. Wenn das Objekt 2 eine polierte Ober fläche hat, wird der Lichtstrahl an dem Objekt 2 reflek tiert und trifft als Strahl "c" auf das fotoempfindliche Element 3. Der Strahl "c" bildet ein Punktbild Qa′ auf dem fotoempfindlichen Element 3.

Das Punktbild des lichtemittierenden Elementes 8 durch läuft die kleine Linse 6 und bildet auf dem fotoempfind lichen Element 3 ein Punktbild Qb′ (beachte Lichtstrahl "b" und "d").

Somit ist in einem nichtfokussierten Zustand die Lage des Punktbildes Qa′ des lichtemittierenden Elementes 7 von der Bildlage Qb′ des lichtemittierenden Elementes 8 verschie den, d. h., die beiden Punktbilder befinden sich zueinan der versetzt auf verschiedenen Positionen der optischen Achse.

Wenn die lichtemittierenden Elemente 7 und 8 alternierend betrieben werden, bilden sich im fokussierten Zustand die Bildpunkte der lichtemittierenden Elemente 7 und 8 auf dem fotoempfindlichen Element 3 an der gleichen Stelle, wohingehend im nichtfokussierten Zustand die Bildpunkte Qa′ und Qb′ an verschiedenen Positionen ausgebildet wer den.

Um somit einen Fokussiervorgang durchzuführen, müssen nur die lichtemittierenden Elemente 7 und 8 alternierend an getrieben werden und das Objektiv 1 (im Falle eines Mi kroskopes das Objekt 2) entlang der optischen Achse bewegt werden, so daß der Bildpunkt in einer festen Lage gehalten ist.

Es ist möglich einen vor- oder nachfokalen Punkt und den Betrag der Defokussierung zu erkennen. Wenn der Betrag der Defokussierung gering ist, kann der Defokussierungsgrad "d" des Bildes auf der Oberfläche des fotoempfindlichen Elementes wie folgt ausgedrückt werden:

d = δ/2 tan(R/2)) (1)

wobei R der Winkel zwischen den von den lichtemittierenden Dioden 7 und 8 emittierten Lichtstrahlen ist und δ der Bewegungsabstand des Punktbildes entlang der optischen Achse ist.

Der fokussierte Zustand kann durch Bewegen des Objektives um einen Abstand "d′" hergestellt werden, wobei

d′ = δ/(2 β²tan(R/2)) (2)

und wobei β die Vergrößerung des optischen Systemes ist.

Obwohl bisher nur von einem Punktbild gesprochen wurde versteht sich, daß die vorliegende Erfindung auch auf Bilder anwendbar ist, die nicht punktförmig sind.

Das Prinzip eines verkleinernden oder reduzierenden opti schen Systems zur Korrektur einer Differenz zwischen den Bildpositionen der Bilder der Infrarotstrahlen und sicht baren Strahlen wird nun im folgenden beschrieben:

Fig. 3 zeigt wie ein Bild von einer Tubuslinse O gebildet wird, welche Teil eines Objektives mit einer Brennweite f _T ist. In der Figur sind Lichtstrahlen des sichtbaren Lichtes mit ausgezogenen Linien dargestellt. Ein Bild M des sichtbaren Lichtes wird in einem Abstand f _T von der Tubuslinse O erzeugt. Gestrichelte Linien zeigen Licht strahlen des infraroten Lichtes von einem Objektiv X (nicht dargestellt). Ein Bild Nx der Infrarotstrahlen wird in einer Position mit einem Abstand von 0,2 f _T von dem Bild M des sichtbaren Lichtes gebildet. Mit strichpunk tierten Linien sind Lichtstrahlen von Infrarotlicht eines Objektives Y (nicht dargestellt) eingezeichnet. Ein Bild Ny der Infrarotstrahlen wird in einem Abstand von 0,4 f _T von dem Infrarotbild Nx erzeugt. In diesem Fall sei ange nommen, daß die Vergrößerung des Bildes M der sichtbaren Strahlen gleich β ist, die Vergrößerung des Bildes Nx der Infrarotstrahlen 1,2b und die Vergrößerung des Bildes Ny der Infrarotstrahlen gleich 1,6β ist.

Fig. 4 zeigt den Bilddarstellungszustand der vorliegt, wenn eine konvexe Linse C (konvergierende Linse mit posi tivem Brechungsindex) in einem Abstand 2 f _T zu der Anord nung gemäß Fig. 3 in einem Punkt 0,2 f _T zwischen der Tu buslinse O und ihrer Bildebene angeordnet wird. Wenn dies erfolgt, wird das Bild Nx des Objektives X der infraroten Strahlen 0,13 f _T hinter dem Bild M der sichtbaren Strahlen und das Bild Ny des Objektives Y der infraroten Strahlen 0,13 f _T nach dem Bild Nx ausgebildet. Die Vergrößerung des Infrarotbildes Nx ist β und die Vergrößerung des Infra rotbildes Ny ist 1,22β. Wenn somit die konvexe Linse C zwischen die Tubuslinse O und das Bild M der sichtbaren Strahlen (d. h. der Bildebene der Tubuslinse O) angeordnet wird, kann die Versetzung der Infrarotbilder Nx und Ny die Objektive X und Y auf 0,13 f _T verringert werden, was we niger ist, als die Versetzung (0,4 f _T) die vorhanden ist wenn die konvexe Linse C nicht verwendet wird. Weiterhin kann die Bildvergrößerungsvariation ebenfalls verringert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Beschreibung die konvexe Linse C als Reduktionslinse bezeichnet, da sie die Versetzung und die Vergrößerung der Infrarotstrahlenbilder reduziert.

Fig. 5 zeigt die Abbildungsbedingungen die vorliegen, wenn eine Verkleinerungslinse C (mit einer Brennweite von 2 f _T) gemäß Fig. 4 von einer Verkleinerungslinse C′ mit einer Brennweite von 0,2 f _T ersetzt wird. In diesem Falle wird das Bild Ny der Infrarotstrahlen des Objektives X 0,07 f _T vor dem Bild M der sichtbaren Strahlen und das Bild Ny der Infrarotstrahlen von dem Objektiv Y wird 0,05 f _T vor dem Bild M der sichtbaren Strahlen gebildet. Die Vergrößerung des Infrarotbildes Nx beträgt nun 0,33β und die Vergröße rung des Bildes Ny der Infrarotstrahlen beträgt 0,25β. In diesem Fall kann also mit der Verkleinerungslinse C, zwi schen der Tubuslinse O und dem Bild M der sichtbaren Strahlen die Versetzung der Infrarotbilder Nx und Ny auf 0,02 f _T verringert werden. Weiterhin kann eine Variation der Vergrößerungsrate verringert werden.

Wenn gemäß Fig. 6 ein virtuelles Bild, das in einem Ab stand "a" von der Linsenoberfläche einer konvexen Linse mit der Brennweite "f" angeordnet ist, in eine Position "b" projiziert wird, gilt die folgende Beziehung:

1/a + 1/b = 1/f (3)

Die Beziehungen "a" und "b" sind in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 7 ist der Bereich, in dem die Beziehung gemäß den Fig. 4 und 5 erfüllt ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. In diesem Bereich ist auch bei großen Ände rungen von "a" die Änderung von "b" gering. Speziell wenn "b" nahe des Brennpunktes der Verkleinerungslinse C ange ordnet ist, wird diese Tendenz sehr deutlich.

In der Praxis ist es wünschenswert, daß der Bildbrennpunkt der Verkleinerungslinse zwischen dem Objektiv und seiner Bildebene angeordnet ist und zwar hierbei näher an der Bildebene. Mit anderen Worten, ein Verkleinerungslin sen-System mit einer Brennweite kleiner als die Hälfte der des Objektives sollte derart angeordnet werden, daß der Bildbrennpunkt nicht zu weit von der Bildebene des Objek tives entfernt ist.

Wenn die Verkleinerungslinse auf diese Art zwischen dem Objektiv und seiner Bildebene angeordnet ist, kann die Versetzung der Bildebene der Infrarotstrahlen, die durch Änderungen der Brennweite des Objektives verursacht wird verringert werden.

Ein automatisch fokussierendes Mikroskop mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fokus-Erkennungs vorrichtung ist in Fig. 8 dargestellt. Die Fokus-Erken nungsvorrichtung weist im wesentlichen ein Objektiv 11, eine Tubuslinse 12, einen dichroitischen Spiegel 13, eine Verkleinerungslinse 14 (Konvexlinse) mit positivem Bre chungsindex, eine Linse 15 zur Punktprojektion von Infra rotstrahlen, einen Strahlteiler 16, eine Erfassunslinse 17, einen fotoempfindliches Element PSD 18 (PSD = position sensitive detector), ein Prisma 19, kleine Linsen 20 und 21 und infrarotemittierende Elemente (Laserdioden) 22 und 23 auf.

Die von den Laserdioden 22 und 23 alternierend emittierten Infrarotstrahlen durchlaufen die Linsen 20 und 21, werden von dem Prisma 19 reflektiert, durchlaufen den Strahlen teiler 16 und werden auf eine Bildfläche A durch die Pro jektionslinse 15 projiziert. Danach durchlaufen sie die Verkleinerungslinse 14, den dichroitischen Spiegel 13, die Tubuslinse 12 und das Objektiv 11 und werden auf den Ob jektträger B projiziert. Die von dem Objektträger B re flektierten Infrarotstrahlen durchlaufen erneut das Objektiv 11, die Tubuslinse 12, den dichroitischen Spiegel 13, die Verkleinerungslinse 14 und die Projektionslinse 15, werden von dem Strahlenteiler 16 reflektiert und bilden auf dem PSD 18 durch die Erkennungslinse 17 einen Punkt. Wenn ein nichtfokussierter Zustand vorliegt, sind die Punktbilder der Laserdioden 22 und 23 auf dem PSD 18 an verschiedenen Stellungen ausgebildet. Die Lagen der Punktbilder, die von den Laserdioden 22 und 23 alternierend emittiert werden, bewegen sich somit alternierend. Im fokussierten Zustand werden die Punktbilder der Laserdioden 22 und 23 in der gleichen Lage auf die PSD 18 ausgebildet und obwohl die Laserdioden 22 und 23 alternierend emittieren ändern sich die Punktlagen nicht. Somit wird der Fokussiervorgang durch Bewegung des Objektträgers B durchgeführt, um die Punktbilder in einer festen Lage abzubilden. Aus Richtung und Abstand der Bewegung der Punktbilder während des Fo kussiervorganges können ein vor- oder nachfokaler Punkt und der Betrag der Defokussierung erkannt werden.

Ein Prisma 24 mit einer halbverspiegelten Oberfläche, ein Infrarotfilter 25, ein Okular 26 und ein Film 27 bilden zusammen mit dem Objektiv 11 und der Tubuslinse 12 ein optisches Beobachtungs- und Fotografiersystem. Das opti sche Beleuchtungssystem besteht aus einem Halbspiegel 28, einem Kondensor 29 und einer Beleuchtungslichtquelle 30 zusammen mit der Objektivlinse 11 und der Tubuslinse 12.

Eine Stufe 31 mit einer Zahnstange 32 kann in Richtung der optischen Achse auf- und abbewegt werden. Ein Motor 33 mit einem Zahnrad 34, welches mit der Zahnstange 32 in Ein griff ist dient zum Antrieb der Stufe 31.

In der Fokus-Erkennungsvorrichtung ist die Verkleine rungslinse 14 zwischen der Bildebene A, die von der Ob jektivlinse 11 gebildet wird, angeordnet. Wenn somit - wie unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 erläutert - die Ob jektivlinse 11 durch eine Linse ersetzt wird, welche einen anderen Betrag der chromatischen Aberration und eine an dere Brennweite hat, um die Vergrößerung zu ändern, kann die Versetzung des Bildes der Infrarotstrahlen bezüglich der Bildfläche A minimiert werden.

In dieser Ausführungsform ist ein Schaltkreis vorgesehen, um die Objektivlinse 11 innerhalb des Bereiches entspre chend der Versetzung zu bewegen, wobei die verbleibende Versetzung der Infrarotstrahlbilder auf elektrischem Wege kompensiert werden kann, was durch einen Korrekturschalt kreis geschieht, der noch erläutert werden wird. Der Be trag der Versetzung der Infrarotstrahlbilder, der auf elektrischem Wege korrigiert werden kann, ist nicht sehr groß, da jedoch diese Versetzung bereits durch die Ver kleinerungslinse 14 im wesentlichen korrigiert wurde, kann die Versetzung durch den Korrekturschaltkreis vollständig korrigiert werden. Selbst wenn somit die Objektivlinse ausgetauscht wird, kann eine perfekte Fokussierung erhal ten werden.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau des PSD 18. Eine Widerstandsschicht 181 des p-Types und eine Schicht des n⁺-Typs sind auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Siliziumsubstrates 118 mit hohem Widerstand angeordnet. Zu der Schicht 182 des n⁺-Types führt eine gemeinsame Elektrode 183. An einander gegenüberliegenden Kanten der Widerstandsschicht 181 des p-Types sind Elek troden 184 und 185 angeschlossen. Wenn ein Lichtstrahl die Widerstandsschicht 181 trifft, tritt an dem p-n-Übergang ein fotoelektrischer Effekt auf. An den Elektroden 184 und 185 werden Ausgangsströme Ia und Ib abhängig von der Auf treffposition des Lichtes erzeugt. Wenn der Abstand zwi schen den Elektroden 184 und 185 zu "l" gesetzt wird, der Widerstand der gesamten Widerstandsschicht 181 zu "Rl" gesetzt wird, der Abstand zwischen der Elektrode 184 und dem Auftreffpunkt des Lichtes "x" ist, der Widerstandswert des Bereiches der Widerstandsschicht 181 zwischen der Elektrode 184 und der Auftreffposition des Lichtes "Rx" ist und der Fotostrom, der von dem auftreffenden Licht erzeugt wird zu "Io" gesetzt wird, können Ia und Ib wie folgt ausgedrückt werden:

Ia = (Rl - Rx)Io/Rl (4)
Ib = RxIo/Rl (5)

Wenn der Widerstand der Widerstandsschicht 181 des p-Typs über die gesamte Fläche hinweg gleichförmig ist, können die folgenden Beziehungen erhalten werden:

Ia = (l - x)Io/l (6)
Ib = xIo/l (7)

Somit können die Ausgangsströme Ia und Ib an den Elektro den 184 und 185 wie folgt ausgedrückt werden:

(Ia - Ib)/(Ia + Ib) = (l - 2x)/l (8)

Auf der Grundlage dieser Berechnung kann die Auftreffpo sition des Lichtes (d.h. der Abstand x) ungeachtet der Auftreffenergie des Lichtes erhalten werden. Die Licht menge drückt sich als:

Io = Ia + Ib (9)

aus.

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines Brennpunkt-Erkennungs schaltkreises, der dem PSD 18 nachgeschaltet ist. Ein Ausgangssignal Ia des PSD 18 wird über einen Strom/Span nungs-Wandler 35 einem Subtrahierer 37 zugeführt. Auf ähnliche Weise wird ein weiteres Ausgangssignal Ib des PSD 18 über einen weiteren Strom/Spannungs-Wandler 36 einem Addierer 38 zugeführt. Der Subtrahierer 37 führt die Ar beitsweise des Zählers in der Formel (8) durch und der Addierer 38 führt die Arbeitsweise des Nenners in der Formel (8) durch. Die Ausgänge des Subtrahierers 37 und des Addierers 38 werden einem Teiler 39 zugeführt. Der Teiler 39 führt die Formel (8) durch, um die Position x eines Punktbildes der lichtemittierenden Dioden 22 und 23 zu finden. Der Ausgang des Teilers 39 wird einem Fokus sierungsschaltkreis 40 zugeführt. Der Fokussierungs schaltkreis 40 steuert auch die alternierende Lichtemis sion der Laserdioden 22 und 23.

Fig. 11 zeigt den genaueren Aufbau des Fokussierungs schaltkreises 40. Der Ausgang des Teilers 39 wird über einen Abtast/Halte-Schaltkreis 50, einen Bandbaßfilter 52, einen Gleichrichter 54 und einen Tiefpaßfilter 56 einem Servoverstärker 58 zugeführt. Der Ausgang des Servover stärkers 58 wird zum Antrieb des Motors 33 über einen Leistungsverstärker 60 verwendet. Die Drehgeschwindigkeit des Motors 33 wird von einem Tachogenerator 64 erfaßt und über einen Signalwandelschaltkreis 66 auf den Servover stärker 58 zurückgekoppelt.

Der Ausgang eines Linsen-Identifizierungsschaltkreises 70, der mit dem Objektiv 11 verbunden ist, wird einem Offset signal-Generator 72 zugeführt. Der Signalgenerator 72 ist mit einer Offsetwert-Setzvorrichtung 74 verbunden. Der Ausgang des Signalgenerators 72 wird ebenfalls auf den Servoverstärker 58 zurückgeführt.

Fig. 12 zeigt in Blockdarstellung Details des Linsen-Iden tifizierungsschaltkreises 70, des Offset-Signalgenerators 72 und des Offsetwert-Setzschaltkreises 74. Ein Revolver kopf 68 mit einer Mehrzahl von Objektiven 11 ist vorgese hen und durch Drehung des Revolverkopfes 68 kann ein ge wünschtes Objektiv 11 aus diesen Objektiven ausgewählt und in den Strahlengang gebracht werden. Das Mikroskop ist mit einer Codeplatte 61 ausgerüstet, welche synchron mit der Drehung des Revolverkopfes 68 gedreht wird. Die Umfangs oberfläche der Codeplatte 61 ist mit reflektierenden Codes 82 markiert, wobei jeder Code 82 der Einschrauböffnung für ein Objektiv in dem Revolverkopf 68 entspricht. An einer Kante der Codeplatte 81 sind Schlitze 83 vorgesehen, wobei jeder Schlitz der Einschrauböffnung zur Befestigung eines Objektives entspricht. Signale eines Fotounterbrechers 84 zur Erkennung des Schlitzes 83 und eines Fotoreflektors 85 zur Ablesung der Codes 82 werden in einem Decoder 86 ein gegeben, der als Linsenunterscheidungsschaltkreis arbei tet.

Der Decoder 86 gibt ein Signal aus, das von der Brennweite eines jeden Objektives abhängt. Der Ausgang des Decoders 86 schaltet einen der Schalter in einem Schalterschalt kreis 87 ein. Durch Einschalten dieses Schalters wird ei ner der Ausgänge von Spannungsteilern 88, 89, 90 und 91, welche eine Gleichspannung Vref teilen über einen Addierer 94 als Offset-Signal dem Servoverstärker 58 zugeführt. Die Ausgangsspannungen der Spannungsteiler 88 bis 91 sind in Abhängigkeit der chromatischen Aberrationen der zugehöri gen Objektive bestimmt. Ein Spannungssetz-Schaltkreis 92 kann die gewünschte Gleichspannung durch Steuerung von außen erzeugen. Der Ausgang des Schaltkreises 92 wird ebenfalls dem Addierer 94 zugeführt.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 13A bis 13E erläutert. Zum Zeit punkt der Lichtemission durch die lichtemittierenden Ele mente 22 und 23 tastet und speichert der Abtast/Halte schaltkreis 50 den Ausgang des Teilers 39. Da die licht emittierenden Elemente 22 und 23 Lichtstrahlen aussenden, deren Winkel bezüglich der optischen Achse symmetrisch sind und in unterschiedliche Richtung weisen, erzeugt der Abtast/Halteschaltkreis 50 im außerfokussierten Zustand ein Signal von rechteckförmigen Verlauf, dessen Amplitude zwischen positiver und negativer Seite relativ zum Masse potential schwingt, wie in Fig. 13A dargestellt. Die Am plitude dieses Ausgangssignals ist ein Maß für den Grad der Defokussierung.

Der Ausgang des Bandpaßfilters ist in Fig. 13B darge stellt. Fig. 13C zeigt den Ausgang des Gleichrichters 54. Wenn dieses Signal durch den Tiefpaßfilter 56 läuft, wird ein Gleichspannungssignal gemäß Fig. 13D erhalten. Die Gleichspannungskomonente FE in Fig. 13D entspricht dem Grad der Defokussierung. Dieser Defokussierungsgrad wird durch die Formel (1) ausgedrückt. Somit ist im fokussier ten Zustand FE = 0, was dem Massepontential entspricht. Wenn der Brennpunkt in eine Richtung entgegengesetzt der oben genannten Richtung verschoben wird, wird eine nega tive Gleichspannung erzeugt, wie in Fig. 13D mit FE′ dar gestellt.

Unter Verwendung dieser Gleichspannung wird der Motor 33 über den Servoverstärker 58 und den Leistungsverstärker 60 betrieben, um die Stufe 31 zu bewegen, so daß ein Fokus sierungsvorgang durchgeführt wird, um den Betrag der De fokussierung FE auf Null zu setzen. Die Bewegungsentfer nung der Stufe 31 ist in Formel (2) ausgedrückt. Die Drehgeschwindigkeit des Motors 33 wird von dem Tachogene rator 64 erfaßt und von dem Signalwandelschaltkreis 66 entsprechend gewandelt. Dieses Signal wird dem Servover stärker 58 zurückgeführt, so daß ein Servosystem mit Dämpfungscharakteristik erzeugt wird und die Stabilität und Genauigkeit des Fokussiervorganges erhöht wird.

Da, wie beschrieben, die Bildpositionen der sichtbaren Strahlen und Infrarotstrahlen nicht übereinstimmen und der Abstand zwischen diesen Positionen von den Objektiven ab hängt, kann es manchmal passieren, daß bei einem bestimm ten Objektiv ein Fehlbetrag der Defokussierung FE erkannt wird. Jedoch ist in dieser Ausführungsform der Offset-Si gnalgenerator 72 vorgesehen, der für jedes Objektiv ein Offsetsignal erzeugt, um diesen Fehlbetrag der Defokus sierung zu kompensieren, wobei dieses Signal dem Servo verstärker 58 zugeführt wird. Somit kann der Defokussie rungsbetrag FE eines jeden Objektives vollständig korri giert werden. Die ausgehenden Offsetsignale ΔFE ₁ und ΔFE ₂ des Signalgenerators 72 sind in Fig. 13E dargestellt.

Da gemäß Fig. 12 das Offsetsignal mit dem Ausgang des Spannungs-Setzschaltkreises 92 addiert wird, kann jede gewünschte Offsetspannung gesetzt werden. So ist es auch möglich, wahlweise einen defokussierten Zustand festzu setzen, wenn dies nötig ist. Da die Brennpunkt-Erfas sungsmethode das reflektierte Licht verwendet, kann nur auf die Oberfläche eines Objektes (mit einer bestimmten Dicke), welche dem Objektiv gegenüberliegt fokussiert werden. Somit ist die wahlweise Festsetzung eines defo kussierten Zustandes dann von Sinn, wenn andere Teile ei nes Objektes beispielsweise unterhalb der Oberfläche be obachtet werden sollen. Dies ist beispielsweise dann nö tig, wenn die Fotomaske zur Herstellung eines integrier ten Schaltkreises untersucht werden soll. Weiterhin ist es möglich, den defokussierten Zustand durch Ändern des Spannungsverhältnisses der Spannungsteiler herbeizufüh ren.

Da, wie beschrieben, in der ersten Ausführungsform eine konvexe Linse (Verkleinerungslinse) zwischen das Objektiv und dessen Bildebene gesetzt ist, kann die Versetzung der Bildposition des Infrarotstrahles bezüglich der Bildposi tion des sichtbaren Strahles, die durch eine chromatische Aberration entsteht und die sich aufgrund der Brennweiten änderungen der Objektive ändert, verringert werden. Die verringerte Versetzung wird weiterhin durch die elektri sche Korrektur des Wertes des Fokusgrad-Erkennungssignales auf Null korrigiert. Somit kann eine hochgenaue Fokus-Er kennungsvorrichtung des Projektionstypes, welche den Fo kussierungsgrad unter Verwendung von Infrarotstrahlen er faßt, verwirklicht werden.

Wenn das Objektiv wieder eingesetzt wird, ist es unter Verwendung des Decoders 86 möglich, die Offsetspannung automatisch auf den Originalwert entsprechend eines jeden Objektives zurückzusetzen. Die Abtast/Halte-Funktion des Schaltkreises 50 ist nicht nötig, wenn die lichtemittie renden Elemente 22 und 23 das Licht alternierend in einem Zyklus von 50% abgeben.

Weiterhin kann eine λ/4-Platte 62 zwischen die Tubuslinse 12 und das Prisma 24 eingesetzt werden und der Strahlen teiler 16 kann durch einen polarisierenden Strahlenteiler ersetzt werden; Spiegelungen und Reflektionen von der Oberfläche der Linse zwischen der λ/4-Platte 62 und dem polarisierenden Strahlenteiler 16 werden entfernt und der reflektierte Lichtstrahl in Richtung des PSD 18 wird ver stärkt, so daß das Signal/Rauschverhältnis verbessert wird. Die λ/4-Platte 62 kann in Fig. 8 beliebig an den Positionen C, D oder E eingesetzt werden.

Die von den lichtemittierenden Elementen 22 und 23 emit tierte Wellenlänge des Lichtes muß nicht notwendigerweise gleich sein, sondern kann unterschiedlich sein. In diesem Fall ändert sich der Brechungsindex des Objektives in Ab hängigkeit der Wellenlänge, so daß es notwendig ist, das Signal für jede Wellenlänge zu ändern.

Weiterhin ist es möglich, anstelle von zwei lichtemittie renden Dioden nur eine vorzusehen. Wenn in diesem Fall die lichtemittierende Diode kontinuierlich Licht abstrahlt, kann auf den Abtast/Halte-Schaltkreis 50, den Bandpaßfil ter 52, den Gleichrichter 54 und den Tiefpaßfilter 56 verzichtet werden. In diesem Falle gibt der Teiler 39 di rekt ein Ausgangs-Gleichspannungssignal eines Wertes entsprechend der Defokussierung aus. Eine gewöhnliche Lampe, eine LED oder ein Laser können als lichtemittie rendes Element verwendet werden. Das fotoempfindliche Element kann ein gewöhnlicher Bildsensor sein und somit anstelle des PSD ein Bildsensor des CCD- oder MOS-Types sein.

Fig. 14 zeigt eine Abwandlung des Offsetsignal-Generators 72 der ersten Ausführungsform. Das Ausgangssignal vom Linsenidentifizierungsschaltkreis 70 wird einer CPU 140 zugeführt. Die CPU liest die dem identifizierten Objektiv zugehörigen Offsetdaten aus einem Speicher 141 aus. Diese ausgelesenen Daten werden dann über einen Eingabe/Ausga be-Schaltkreis 142 und einen Digital/Analog-Wandler 143 dem Addierer 94 zugeführt.

Fig. 15 zeigt ein optisches System gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem auto matisch fokussierenden Mikroskop. Teile die identisch mit der der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 8 sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In der zweiten Aus führungsform ist nur eine lichtemittierende Diode 22 vor gesehen. Der Lichtstrahl von der lichtemittierende Diode 22 durchläuft die kleine Linse 20, wird von einem Spiegel 94 reflektiert und durchläuft dann einen optischen Pfad, der von der optischen Achse abweicht. Nach dem Durchlaufen des Strahlenteilers 16, der Infrarotfleck-Projektionslinse 15, der konvexen Verkleinerungslinse 14, der Tubuslinse 12 und dem dichroitischen Spiegel 13 wird der Lichtstrahl auf einen Objektträger B durch das Objektiv 11 projiziert. Das von dem Objektträger B reflektierte Licht läuft entlang eines optischen Pfades, der innerhalb des Bereiches des Querschnittes des Lichtflusses ist und der bezüglich der optischen Achse gegenüber dem Teil des Querschnittes liegt, der den einfallenden Lichtstrahl enthält. Danach erreicht der Strahl den Strahlenteiler 16, wird dort re flektiert und durch die Erfassungslinse 17 auf den PSD 18 gerichtet. Das Prinzip der Brennpunkterkennung ist gleich dem der ersten Ausführungsform.

Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten in den folgenden Punkten: Der dichroitische Spiegel 13, der den Strahl auf die Fokus-Erkennungsvorrichtung richtet, ist unterhalb (nahe des Objektives 11) des Halb spiegels 28 angeordnet, der das Beleuchtungslicht richtet. Die Fokus-Erkennungsvorrichtung (welche in der Zeichnung mit der strichpunktierten Linie umgeben ist) ist als eine Einheit 98 zusammen mit dem Revolverkopf 47 vorgesehen und der Fokussierungsvorgang findet durch Bewegung des Revol verkopfes 47 anstelle des Objektträgers B statt. Somit kann bei einem Mikroskop des Types, in dem der Revolver kopf 47 zur Fokussierung bewegt wird, durch Ersetzung des Revolverkopfes 47 durch die Einheit 98 die manuelle Fo kussierungsvorrichtung problemlos in eine automatische Fokussierungsvorrichtung abgewandelt werden.

Wie aus der bisherigen Beschreibung hervorgeht, kann, wenn das Objektiv ausgewechselt wird, die Versetzung der Bild ebene der Infrarotstrahlen zur Erkennung des Fokussie rungsgrades, welche durch die chromatische Aberration hervorgerufen wird durch ein optisches Verkleinerungs system minimiert werden, ohne die Linse zur Korrektur der Aberration von Hand oder elektrisch betätigen zu müssen. Die verringerte Versetzung wird weiter unter Verwendung des Fokussierungsgrad-Erkennungssignales verringert. Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Vorrichtung zur Erkennung des Fokussierungsgrades des Lichtmarken-Projek tionstypes, bei dem der Fokussierungsgrad eines optischen Systemes unter Verwendung von Infrarotstrahlen erfaßt wird, welche zuverlässig und kostengünstig ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Mikroskope be schränkt, sondern ist auch auf andere optische Instrumente und medizinische Vorrichtungen, wie Kameras, Endoskop- und Dokumentations-Kameras anwendbar. Weiterhin ist die vor liegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausfüh rungsformen beschränkt, sondern kann auch bei anderen Vorrichtungen zur Erkennung des Fokussierungsgrades des Lichtmarken-Projektionstypes angewendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Erkennung des Fokussiergrades, mit einem optischen Beobachtungssystem, welches ein Ob jektiv (11) aufweist; und Einrichtungen (22, 23, 18) zur Erkennung des Fokussiergrades, welche Infrarot strahlen auf ein Objekt über einen Lichtpfad senden, der von der optischen Achse abweicht und die Infor mation über den Fokussiergrad des optischen Systems für das Objekt auf der Grundlage der Abweichung des von dem Objekt reflektierten Lichtes von der opti schen Achse erhalten, gekennzeichnet durch ein optisches Verkleinerungssystem (14) mit positi ver Brechkraft, welches zwischen dem Objektiv und der Bildebene des Objektives angeordnet ist; und einen Kompensationsschaltkreis (72) zur Korrektur der Fokussiergrad-Information, welche von den Ein richtungen zur Erkennung des Fokussiergrades stammen in Abhängigkeit von dem Vergrößerungsfaktor des Ob jektives.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch Einrichtungen (70) zur Identifizierung des Ob jektivtyps und zur Zuführung eines Ausgangssignales zu dem Kompensationsschaltkreis.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifizierungseinrichtung (70) ein Signal abgibt, welches die Vergrößerung und den Achro mat-Typen des Objektives anzeigt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erkennung des Fokussier grades lichtemittierende Einrichtungen (22, 23) zur Projektion von Infrarotstrahlen entlang des optischen Pfades, der von der optischen Achse des optischen Systems abweicht und eine Lageerkennungsvorrichtung (18) aufweisen, um die Versetzung des Bildes der In frarotstrahlen, die von dem Objekt reflektiert werden zu erfassen und die Fokussiergrad-Information ent sprechend der erfaßten Versetzung zu erzeugen, wobei der Kombinationsschaltkreis Einrichtungen (72) zur Erzeugung eines Offset-Signales in Abhängigkeit mit der Vergrößerung des Objektives und Einrichtungen (94) aufweist, welche das Offset-Signal zu der Fo kussiergrad-Information von der Lageerfassungsein richtung hinzuaddiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageerfassungseinrichtung einen p-n-Übergang (181, 182) mit fotoelektrischem Effekt und zwei Anschlüsse (184, 185) aufweist, welche an zwei ver schiedenen Kanten des p-n-Überganges angeordnet sind und Ströme in Abhängigkeit der Abstände zwischen den Lichtauftreffpunkten und den Kanten erzeugen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Einrichtungen eine Mehr zahl von lichtemittierenden Elementen aufweisen, die alternierend Infrarotstrahlen in einem Winkel symme trisch bezüglich der optischen Achse erzeugen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen Licht der gleichen Wellenlänge emittieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen Licht verschiedener Wellenlängen emittieren und die Offsetsignal-Erzeugungseinrichtung das entsprechende Offsetsignal während der Emittierungsperioden der Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen erzeugt, wobei das Offsetsignal der Wellenlänge angepaßt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Offsetsignal-Erzeugungseinrichtung einen Spannungsteiler-Schaltkreis (88, 89, 90, 91) auf weist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Offsetsignal-Erzeugungseinrichtung einen Speicher (141) zur Speicherung der Offsetdaten auf weist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Offsetsignal-Erzeugungseinrichtung eine Ein richtung (92) zur manuellen Korrektur des Offsetsi gnales aufweist.