DE3942514A1 - Verfahren zur automatischen justierung der mikroskopbeleuchtung - Google Patents

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Justierung der Mikroskopbeleuchtung ist vorzugsweise für Durchlichtmikroskope mit einer Leuchtfeldblende und/oder einer Aperturblende und/oder einem Kondensor, sowie für Durchlichtmikroskope mit einer Phasenkontrasteinrichtung anwendbar.

Die Einstellung der Beleuchtung von Mikroskopen ist ausschlag­ gebend für die Ausnutzung seiner Leistungsfähigkeit. Mittel zur ordnungsgemäßen Justierung mit der Hand sind an allen besseren Mikrsokopen vorhanden. Die Einstellung erfordert jedoch Sachkenntnis, ist zeitaufwendig und muß bei vielen Untersu­ chungsverfahren nach jedem Präparatewechsel neu durchgeführt werden. In der Praxis findet man daher überwiegend schlecht eingestellte, die Leistung ihres Beleuchtungssystems nicht ausnutzende Geräte.

Diese Tatsache hat zu vielfältigen Bemühungen geführt, dem Benutzer einen Teil der Einstellungen zu erleichtern bzw. abzu­ nehmen.

In einer bekannten Lösung (DE-OS 31 22 538) ist eine Beleuch­ tungsoptik-Wählvorrichtung beschrieben, bei der ein im Randbe­ reich der Zwischenbildebene angeordneter Lichtdetektor über eine Steuerschaltung und eine Antriebseinrichtung eine Beleuch­ tungsoptik aus mehreren Beleuchtungsoptiken für das jeweils eingeschaltete Objektiv auswählt. Es sind also mehrere Beleuch­ tungsoptiken erforderlich, deren Eignung für das eingeschaltete Objektiv erst getestet werden muß. Mehrere Beleuchtungsoptiken zu verwenden, verteuert das Gerät und vergrößert Masse und Volumen. In der Mikroskopie setzt man üblicherweise nur eine Beleuchtungsoptik aus Kondensor und Kollektor ein, die nach dem Köhlerschen Beleuchtungsverfahren an das Objektiv angepaßt werden.

Aus einer weiteren bekannten Lösung (DE-OS 26 44 341) ist ein Verfahren zur automatischen Verwirklichung des Köhlerschen Beleuchtungsprinzipes bei Mikroskopen mit variabler Vergröße­ rung und einem Beleuchtungssystem sowie Anordnungen zur Durch­ führung dieses Verfahrens bekannt, bei dem ausgehend von einer Messung der Bildhelligkeit in der Leuchtfeldblenden- oder einer dazu konjugierten Ebene in einem Wandler Steuersignale gewonnen werden, und mittels dieser Steuersignale über Stelleinrichtun­ gen jedoch nur die Öffnung der Leuchtfeldblende und/oder der Aperturblende beziehungsweise die Verschiebung der Pankratik eines pankratischen Kondensors zwecks Brennweitenvariation beeinflußt wird.

Darüber hinaus ist allen genannten Lösungen gemeinsam, daß nur ein Teil der erforderlichen Einstellungen für eine optimale Beleuchtungseinstellung durchgeführt werden.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur automatischen Justierung der Mikroskopbeleuchtung sowie der dazu erforderlichen Anordnung, die die genannten Nachteile der bisher bekannten Lösungen nicht aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatischen Justierung der Mikroskopbeleuchtung sowie der dazu erforderlichen Anordnung zu schaffen, bei dem für alle erforderlichen Justierschritte ein mit einer Sensoreinheit gewinnbares Kriterium ausgewertet wird und eine Beeinflussung der Elemente des Beleuchtungssystemes solange erfolgt, bis eine in einer Auswerteeinheit einstellbare Sollgröße des Justierzu­ standes des Beleuchtungssystemes, erreicht ist, und damit alle Kriterien des Köhlerschen Beleuchtungsprinzipes erfüllt sind. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur auto­ matischen Justierung der Mikroskopbeleuchtung bei Mikroskopen mit je einer im Beleuchtungsystem angeordneten verstellbaren Leuchtfeld- und Aperturblende zur Beleuchtungsbegrenzung, einem verstellbaren Kondensor, einem in einer zur Leuchtfeldblenden­ ebene konjugierten Ebene angeordneten Sensor, einer die Signale des Sensors bewertenden und auf den Justierzustand des Beleuch­ tungssystems abgestimmte Steuersignale bildende Auswerteeinheit und mindestens einer auf mindestens eines der Elemente, Leucht­ feldblende, Aperturblende, Kondensor wirkende, entsprechend den Steuersignalen reagierende Steuereinheit dadurch gelöst, daß mittels einer durch einen Sensor in Verbindung mit, in einem aus einem Abbildungsstrahlengang abgezweigten Meßstrahlengang, wahlweise angeordneten optischen elementen vorzunehmenden sta­ tischen und/oder dynamischen Messung der Lage, vorzugsweise des Schwerpunktes des Abbildungsstrahles in bezug auf die optische Achse in einer Zwischenbild- und/oder Pupillenbildebene oder zu diesen konjugierten Ebenen Signale abgeleitet werden und daß diese Signale in einer an sich bekannten, auf die Einhaltung aller Kriterien des Köhler-Beleuchtungsprinzips und einen opti­ malen Justierzustand mindestes eines der Elemente des Beleuch­ tungssystemes abgestimmten Auswerteeinheit in Steuersignale gewandelt werden und mittels dieser Steuersignale die Position mindestens eines der Elemente des Beleuchtungssystemes zur optischen Achse durch eine Steuereinheit, bis zur Erreichung einer in der Auswerteeinheit eingestellte Sollgröße des Ju­ stierzustandes des Beleuchtungssystemes, verändert wird. Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Anordnung zur automa­ tischen Justierung der Mikroskopbeleuchtung bei Mikroskopen mit je einer im Beleuchtungsystem angeordneten verstellbaren Leuchtfeld- und Aperturblende zur Beleuchtungsbegrenzung, einem verstellbaren Kondensor, einem in einer zur Leuchtfeldblenden­ ebene konjugierten Ebene angeordneten Sensor bewertenden und auf den Justierzustand des Beleuchtungssystemes abgestimmten Steuersignale bildende Auswerteeinheit und mindestens einer auf mindestes eines der Elemente, Leuchtfeldblende, Aperturblende, Kondensor wirkende, entsprechend den Steuersignalen reagierende Steuereinheit vorgesehen, die erfindungsgemäß

• - einen, mittels einem zwischen einem Objektiv (7) und ei­ nem Okular (9) angeordneten Strahlenteiler (8), aus einem Abbildungsstrahlengang (A) abgezweigten Meßstrahlengang (M);
• - einem vorzugsweise in einer Zwischenbildebene (6′′) ange­ ordneten Sensor (10);
  zwischen dem Strahlenteiler (8) und dem Sensor (10) an­ geordnete und wahlweise in den Meßstrahlengang (M) ein­ bringbare optische Elemente (11, 12, 13, 14, 15) und
• - mindestens einer mit einer Auswerteeinheit (E) in Ver­ bindung stehenden Steuereinheit (S), die mindestens mit einem der Elemente (3, 4, 5) des Beleuchtungssystemes in Wirkverbindung steht, aufweist.

Die wahlweise in den Meßstrahlengang einbringbaren, Bilder der Objektebene und/oder der Pupillenbildebene auf den Sensor ab­ bildenden optischen Elemente sind derart vorgesehen,

• - daß zwischen dem Strahlenteiler und dem Sensor eine Bertrandlinse verschiebbar gehaltert derart angeordnet ist, daß durch sie das Bild einer Aperturblende auf den Sensor abgebildet wird,
• - daß eine die Apertur auf vorzugsweise 20% der vollen Apertur begrenzende Blende senkrecht zur optischen Ach­ se des Meßstrahlenganges in einer zur Pupillenbildebene konjugierten Ebene zwischen dem Strahlenteiler und der Blende eine die Objektivpupille auf die Blende abbilden­ de Linse und zwischen der Blende und dem Sensor in einer zur Ebene des Objektes konjugierten Ebene eine das Bild der Objektebene auf den Sensor abbildende Linse vorgese­ hen sind, und daß die Elemente einzeln oder zusammenge­ faßt in einer Einheit verschiebbar gehaltert sind und
• - daß unmittelbar vor dem Sensor vorzugsweise mit einem maximalen Abstand von 5 mm eine verschiebbar gehalterte, spaltförmige Blende, vorgesehen ist.

Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsvarianten der Erfin­ dung bestehen darin, daß der Sensor ein positionsempfindlicher Vollflächensensor ist, und darin, daß die Elemente des Meß­ strahlenganges in einem Einschub angeordnet sind und der derart gestaltet ist, daß bei Anbringung des Einschubes an das Mikro­ skop der im Einschub befindliche Strahlenteiler im Abbildungs­ strahlengang positioniert ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auf einfache Weise die automatische Justierung von Beleuchtungssystemen, insbesondere zur Verwirklichung des Köhlerschen Beleuchtungsystemes, bei Mikroskopen in vollkommener Unabhängigkeit von einer Bedie­ nungsperson. Fokussieren und Zentrieren der Leuchtfeldblende sowie Zentrieren der Aperturblende und einer Ringblende und außerdem die Einstellung der Größe der Leuchtfeld- und Apertur­ blende wird automatisch durchgeführt, so daß eine Vielzahl von Fehlerquellen ausgeschaltet wird. Darüber hinaus ergibt sich neben der nicht unwesentlichen Zeitersparnis die absolute Re­ produzierbarkeit einer einmal erfolgten Einstellung der Be­ leuchtung. Damit wird der Anwender in die Lage versetzt, sich ganz auf die Beobachtung des Objektes zu konzentrieren, wobei die optimale Leistung der Mikroskope ausgenutzt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den Figuren ist jeweils schematisch die Anordnung im Zustand für einen Justierschritt zur Einstellung des Beleuchtungssyste­ mes dargestellt, es zeigt

Fig. 1 - die Anordnung im Zustand zur Leuchtfeldblendenzen­ trierung,

Fig. 2 - die Anordnung im Zustand zur Zentrierung der Aper­ turblende,

Fig. 3 - die Anordnung im Zustand zur Kondensorfokussierung und

Fig. 4 - die Anordnung im Zustand zur Einstellung der Leuchtfeldblendengröße.

In allen Figuren sind die Elemente 1-5 Teile der Beleuchtung. Die Lichtquelle 1 wird in üblicher Weise vom Kollektor 2 in die Aperturblende 4, die eine Iris- oder Ringblende sein kann, die dem Kollektor folgende Leuchtfeldblende 3 vom Kondensor 5 in die Ebene des Objektes 6 abgebildet.

Die an sich bekannten Zentrierelemente der Leuchtfeldblende 3, der Aperturblende 4 und des Kondensors 5 sind nicht darge­ stellt, sie stehen mit mindestens einer Steuereinheit S (Motoren, Zugmagnete, Piezosteller oder Nachbildungen von Mus­ keln) in Wirkverbindung. Durch das Objektiv 7 wird das Objekt 6 in die im Okular 9 liegende Zwischenbildebene 6′ abgebildet. Ein kleiner Teil des Abbildungsstrahles wird durch den Strahl­ teiler 8 seitlich in einen Meßstrahlengang M abgezweigt. Konju­ giert zur Zwischenbildebene 6′ ist in der im Meßstrahlengang M befindlichen Zwischenbildebene 6′′ ein Sensor 10 angeordnet (siehe Fig. 1). Hat der Mikroskopiker das Objekt 6 aufgelegt, das erforderliche Objektiv 7 ausgewählt und auf das Objekt 6 fokussiert, so können alle Einstellungen der Beleuchtung auto­ matisch abgerufen werden.

Wird der Sensor 10 von einer Lichtstrahlung getroffen, so flie­ ßen in den 4 Anschlüssen Ströme. Dabei teilen sich die Ströme an gegenüberliegenden Anschlüssen unabhängig von der Größe der bestrahlten Fläche und der Intensität nach der Lage des Schwer­ punktes der Strahlung in der jeweiligen Koordinate auf. Diese Eigenschaft des Sensors wird zur Gewinnung der Fehlersignale für alle Justierparameter ausgenutzt.

Ist das Bild der Leuchtfeldblende 3 gegenüber dem Sensor 10 dezentriert, so sind die Ströme in jeweils gegenüberliegende Anschlüssen unterschiedlich. Diese Stromdifferenz wird in be­ kannter Weise in der Auswerteeinheit E bewertet und die abge­ leiteten Steuersignale der Steuereinheit S zugeführt, die dann auf das Element 3 einwirkt, bis die Dezentrierung beseitigt ist. Prinzipiell kann die Beseitigung der Dezentrierung des Leuchtfeldblendenbildes je nach Erfordernissen auch durch Nach­ zentrieren des Kondensors 5 oder Objektives 7 in der beschrie­ benen Weise erfolgen.

Um die Zentrierung der Aperturblende einzuleiten, ist lediglich die Einschaltung einer Bertrandlinse 11 erforderlich (Fig. 2), die die Aperturblende auf den Sensor abbildet. Dabei auftreten­ de Stromdifferenzen werde analog ausgewertet und genutzt. Die­ ser Justiervorgang hat besondere Bedeutung bei der Durchführung des Phasenkontrastverfahrens, weil bei diesem Verfahren bei jedem Objektiv- und Objektwechsel eine Nachzentrierung einer Ringblende zum Phasenring erforderlich ist.

Zur Kontrolle der Fokussierung der Leuchtfeldblende 3 ins Ob­ jekt 6 ist eine Zwischenabbildung der Pupille vor dem Sensor mit der Linse 12 und die Abbildung der Objektebene auf dem Sensor 10 mit der Linse 13 erforderlich (Fig. 3). Führt man in der Ebene 7′′ des Zwischenbildes der Pupille eine Blende 14 ein, die etwa 20% der Objektivapertur freigibt und bewegt diese Blende 14 alternierend senkrecht zur optischen Achse, so wan­ dert der Schwerpunkt der Strahlung auf dem Sensor 10, wenn die Leuchtfeldblende 3 dort unscharf abgebildet ist. Aus der Rich­ tung der Verschiebung, d. h. der Änderung der Ströme relativ zur Bewegung der Blende 14 kann die Richtung der Defokussierung durch Phasenvergleich der die Blende 14 antreibenden mit den vom Sensor 10 abgegebenen Signalen erkannt und die Fokussierung über die Steuereinheit S bis zum Verschieben des Wechselsigna­ les vom Sensor 10 durchgeführt werden.

Soll eine bestimmte Blendengröße, z. B. der Leuchtfeldblende 3 eingestellt werden, so wird entsprechend Fig. 4 unmittelbar vor dem Sensor eine spaltförmige Blende 15 eingeführt.

Mit dem Öffnen der Leuchtfeldblende 3 verschiebt sich dabei der Schwerpunkt der bestrahlten Fläche auf dem Sensor um den halben Radius des Blendenbildes. Durch Bildung des Quotienten aus der Differenz und der Summe der Ströme der in Spaltrichtung liegen­ den Anschlüsse des Sensors 10 kann unabhängig von der einge­ strahlten Intensität ein Signal gewonnen werden, daß eindeutig die Größe des auf den Sensor 10 abgebildeten Blendenbildes cha­ rakterisiert. Dieses kann dann durch in bekannter Weise durch­ geführten Soll-Ist-Wertvergleich in der Auswerteeinheit E und mittels der Steuereinheit S auf die programmierte Größe einge­ stellt werden. Diese Funktion läßt sich auch in den in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausgestaltungen der Anordnung durchführen.

Bei Einstellung der Leuchtfeldblende 3 wird ohne Bertrandlinse 11, bei Einstellung der Aperturblende 4 mit eingeschalteter Bertrandlinse 11 gearbeitet.

Wie bei der visuellen Einstellung der Beleuchtung wird eine entsprechende Reihenfolge der Justierschritte durchgeführt. Es ist daher für die Durchführung der Gesamtjustierung eine Ab­ laufsteuerung vorgesehen, in der zu Beginn eine Grundjustierung und anschließend ein Kontrollgang mit Feinjustierung durchge­ führt wird.

Ablaufsteuerung:

• 1. Schließen der Leuchtfeldblende,
• 2. Zentrierung der Leuchtfeldblende (Abb. 1) grob,
• 3. Zentrierung der Aperturblende (Abb. 2) fertig,
• 4. Einstellen der Größe der Aperturblende (= Abb. 4) fertig,
• 5. Fokussieren des Kondensors fertig (Abb. 3),
• 6. Zentrieren der Leuchtfeldblende fertig (Abb. 1),
• 7. Einstellen der Größe der Leuchtfeldblende fertig (Abb. 4).

Bei der Einstellung des Phasenkontrastverfahrens ändern sich die Programmschritte 3 und 4 wie folgt:

• 3. Auswahl der zum Objektiv gehörenden Ringblende (= Abb. 4),
• 4. Zentrieren der Ringblende zum Phasenring (= Abb. 2).

Ist einmal eine Einstellung des Objektives 6 von Hand erforder­ lich oder gewünscht, können die Programmschritte wahlweise über die Auswerteeinheit E einzeln abgerufen werden.

Eine vorteilhafte, nicht dargestellte, erfindungsgemäße Ausfüh­ rungsvariante besteht darin, daß die Elemente (8, 10, 11, 12, 13, 14, 15) des Meßstrahlenganges (M) in einem Einschub ange­ ordnet sind und der derart gestaltet ist, daß bei Anbringung des Einschubes an das Mikroskop der im Einschub befindliche Strahlenteiler (8) im Abbildungsstrahlengang (A) positioniert ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur automatischen Justierung der Mikroskopbe­ leuchtung bei Mikroskopen mit je einer im Beleuchtungssystem angeordneten verstellbaren Leuchtfeld- und Aperturblende zur Beleuchtungsbegrenzung, einem verstellbaren Kondensor, einem in einer zur Leuchtfeldblendenebene konjugierten Ebene ange­ ordneten Sensor, einer die Signale des Sensors bewertenden und auf den Justierzustand des Beleuchtungssystems abge­ stimmte Steuersignale bildende Auswerteeinheit und minde­ stens einer auf mindestens eines der Elemente, Leuchtfeld­ blende, Aperturblende, Kondensor wirkende, entsprechend den Steuersignalen reagierende Steuereinheit, gekennzeichnet dadurch, daß mittels einer durch einen Sensor (10) in Verbindung mit, in einem aus einem Abbildungsstrahlengang (A) abgezweigten Meßstrahlengang (M), wahlweise angeordneten optischen Ele­ menten (11, 12, 13, 14, 15) vorzunehmenden statischen und/ oder dynamischen Messung der Lage, vorzugsweise des Schwer­ punktes des Abbildungsstrahles in bezug auf die optische Achse (0) in einer Zwischenbild- und/oder Pupillenbildebene oder zu diesen konjugierten Ebenen (6′, 6′′, 7′, 7′′) Signale abgeleitet werden und daß diese Signale in einer an sich bekannten, auf die Einhaltung aller Kriterien des Köhler- Beleuchtungsprinzips und einen optimalen Justierzustand min­ destens eines der Elemente (3, 4, 5) des Beleuchtungssyste­ mes abgestimmten Auswerteeinheit (E) in Steuersignale gewan­ delt werden und mittels dieser Steuersignale die Position mindestens eines der Elemente (3, 4, 5) des Beleuchtungs­ systemes zur optischen Achse (0) durch eine Steuereinheit (S), bis zur Erreichung einer in der Auswerteeinheit (E) eingestellten Sollgröße des Justierzustandes des Beleuch­ tungssystemes, verändert wird.

2. Anordnung zur automatischen Justierung der Mikroskopbeleuch­ tung bei Mikroskopen mit je einer im Beleuchtungssystem an­ geordneten verstellbaren Leuchtfeld- und Aperturblende zur Beleuchtungsbegrenzung, einem verstellbaren Kondensor, einem in einer zur Leuchtfeldblendenebene konjugierten Ebene ange­ ordneten Sensor, einer die Signale des Sensors bewertenden und auf den Justierzustand des Beleuchtungssystemes abge­ stimmten Steuersignale bildende Auswerteeinheit und minde­ stens einer auf mindestens eines der Elemente, Leuchtfeld­ blende, Aperturblende, Kondensor wirkende, entsprechend den Steuersignalen reagierende Steuereinheit, gekennzeichnet durch

• - einen, mittels einem zwischen einem Objektiv (7) und ei­ nem Okular (9) angeordneten Strahlenteiler (8), aus einem Abbildungsstrahlengang (A) abgezweigten Meßstrahlengang (M);
• - einem vorzugsweise in einer Zwischenbildebene (6′′) ange­ ordneten Sensor (10);
• - zwischen dem Strahlenteiler (8) und dem Sensor (10) ange­ ordnete und wahlweise in den Meßstrahlengang (M) ein­ bringbare optische Elemente (11, 12, 13, 14, 15) und
• - mindestens einer mit einer Auswerteeinheit (E) in Verbin­ dung stehenden Steuereinheit (S), die mindestens mit ei­ nem der Elemente (3, 4, 5) des Beleuchtungssystemes in Wirkverbindung steht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensor (10) ein positionsempfindlicher Vollfächensensor ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Strahlenteiler (8) und dem Sensor (10) ei­ ne Bertrandlinse (11) verschiebbar gehaltert derart ange­ ordnet ist, daß durch sie das Bild einer Aperturblende (4) auf den Sensor (10) abgebildet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß eine die Apertur auf vorzugsweise 20% der vollen Aper­ tur begrenzende Blende (14) senkrecht zur optischen Achse des Meßstrahlenganges (M) in einer zur Pupillenbildebene (7′) konjugierten Ebene (7′′) zwischen dem Strahlenteiler (8) und der Blende (14) eine die Objektivpupille auf die Blende (14) abbildende Linse (12) und zwischen der Blende (14) und dem Sensor (10) in einer zur Ebene des Objektes (6) konju­ gierten Ebene eine das Bild der Objektebene auf den Sensor (10) abbildende Linse (13) vorgesehen sind, und daß die Ele­ mente (12, 13, 14) einzeln oder zusammengefaßt in einer Ein­ heit verschiebbar gehaltert sind.

6. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß unmittelbar vor dem Sensor (10), vorzugsweise mit einem maximalen Abstand von 5 mm, eine verschiebbar gehalterte, spaltförmige Blende (15) vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elemente (8, 10, 11, 12, 13, 14, 15) des Meßstrahlenganges (M) in einem Einschub angeordnet sind und der derart gestaltet ist, daß bei Anbringung des Einschubes an das Mikroskop der im Einschub befindliche Strahlenteiler (8) im Abbildungsstrahlengang (A) positioniert ist.