DE4131737C2 - Autofokus-Anordnung für ein Stereomikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Autofokus-Anordnung für ein Stereo-Mikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 32 28 609 C2 ist eine Einrichtung zum Feststellen der Scharfeinstellung eines Stereo-Mikroskopes bekannt. Dort wird über einen der beiden Beobachtungsstrahlengänge das Bild einer beleuchteten Marke auf ein Objekt projiziert. Im zwei­ ten Beobachtungsstrahlengang wird der vom Objekt reflektierte Strahl über einen entsprechenden Teilerspiegel ausgekoppelt und auf ein photoelektrisches Wandlerelement umgelenkt. Die­ ses photoelektrische Wandlerelement erzeugt in Abhängigkeit vom Ort des registrierten Reflexionsstrahles ein Steuersignal für die motorische Fokussierung. Nachteilig bei einerderar­ tigen Anordnung ist die Abbildung einer Markierung über die Beobachtungsoptik. Beim Abbilden einer Blende beliebiger Form auf das Objekt, wobei die Lateralabmessungen der abgebildeten Markierung größer sind als das Auflösungsvermögen des Objek­ tives, ergeben sich Fokussierungsprobleme, wenn die Oberfläche des be­ trachteten Objektes Bereiche stark unterschiedlicher Reflek­ tivität aufweist. Dies ist beispielsweise bei Operationsmi­ kroskopen oft der Fall. Dort weist dann auch die auf das pho­ toelektrische Wandlerelement projizierte bzw. reflektierte Markierung unter Umständen eine derartige Reflexstruktur auf. Es resultieren infolgedessen Schwierigkeiten bei der zuver­ lässigen Auswertung der Position der reflektierten Markierung auf dem photoelektrischen Wandlerelement.

Die Verwendung eines Lasers als Abbildungslichtquelle hat zur Folge, daß bei einer aus­ gedehnten Leuchtmarkierung auf dem Objekt sogenannte Speck­ les, d. h. unkorrelierte Interferenzerscheinungen, auf dem photoelektrischen Wandlerelement ebenso die Auswertung er­ schweren wie die vorher beschriebenen Reflexerscheinungen.

Die US 4,447,717 zeigt eine Autofokusanordnung für ein Stereomikroskop, bei dem für die beiden Beobachtungsstrahlengänge ein gemeinsames Objektiv vorgesehen ist. Bei dieser Autofokusanordnung wird eine kreisförmige Feldblende über einen Projektionsstrahlengang auf das Objekt abgebildet, wobei das vom Objekt reflektierte Licht des Projektionsstrahlenganges außerhalb der beiden Beobachtungsstrahlengänge geführt ist.

Die aus der DE 24 23 136 C3 bekannte Autofokusanordnung bildet eine kreisförmige Blende über einen Projektionsstrahlengang auf das zu beobachtende Objekt ab und koppelt das von dem Objekt reflektierte Licht des Projektionsstrahlenganges aus jedem der Beobachtungsstrahlengänge aus und lenkt es auf jeweils eine Photodiode. Eine Defokusierung wird durch eine Differenz zwischen den von den Photodioden gemessenen Intensitäten erfaßt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Objekten mit stark variierender Reflektivität die Zuverlässigkeit einer Autofokus-Anordnung für Stereo-Mikroskope zu erhöhen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Autofokus-Anordnung mit den Kennzeichen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Abbildung einer dünnen, linienförmigen Leuchtmarkierung auf die beobachtete Objekt­ oberfläche, wobei der Projektionsstrahlengang nicht mit einem der beiden Beobachtungsstrahlengänge zusammenfällt.

Durch die Erfindung kann die Breite der strich- bzw. linienförmigen Leuchtmarkierung auf dem Objekt bei gleichzeitiger ausreichender Helligkeit der Leuchtmarkierung so gering sein, daß sie dem durch Beugungseffekte begrenzten Auflösungsvermögen der Projektionsoptik entspricht.

Hierzu wird ein Strahlenbündel, vorzugsweise von einer Laserdiode, über eine Kollimatorlinse und eine Zylinderoptik als dünne, linien­ förmige Markierung bzw. Leuchtmarkierung abgebildet und diese über eine weitere Linse und eine Umlenkeinrichtung durch das Objektiv auf das Objekt projiziert. Dabei wird nicht der Beobachtungs­ strahlengang zur Projektion verwendet, sondern je nach speziellem Einsatzzweck eines derartigen Stereomikroskopes eine andere Durchtrittspupille für den Projektionsstrahlen­ gang durch das Objektiv gewählt.

Die Abbildung des Lichtbündels durch eine Zylinderlinse in eine dünne strichförmige Markierung gewährleistet, daß die dünne strichförmige Markierung mit maximaler Intensität auf das beleuchtete Objekt projiziert wird, d. h. es resultiert keine Intensitätsreduzierung wie bei der Maskenabbildung, wo nur ein geringer Prozentsatz der von der Lichtquelle gelie­ ferten Intensität auf die Objektoberfläche gelangt. Dement­ sprechend leichter, bzw. günstiger ist die Registrierung der reflektierten strichförmigen Markierung bei einem hell-erleuchteten Mikroskop-Sehfeld auf dem ortsauflösenden Posi­ tionsdetektor möglich.

Die Detektion der auf das Objekt projizierten strichförmigen Markierung erfolgt über einen der beiden Stereo-Beobachtungs­ strahlengänge, wo der reflektierte Strahl hinter dem Objektiv ausgekoppelt und auf einen ortsauflösenden Positionsdetek­ tor abgebildet wird. Hier erzeugt eine Defokussierung eine laterale Verschiebung auf dem ortsauflösenden Positionsde­ tektor, die registriert und zur Nachfokussierung mit Hilfe des Fokusmotors verwendet wird.

In einer ersten zweckmäßigen Ausführungsform erfolgt die Projektion des Lichtbündels durch die Mitte des verwendeten Objektives, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn beim Defokussieren kein Auswandern der projizierten strichförmigen Markierung erfolgen soll.

Bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auto­ fokus-Anordnung wird das Lichtbündel durch einen Bereich am Rand des Objektives projiziert, wobei dieser Randbereich im Verhältnis zum Beobachtungsstrahlengang, der zur Detektion des reflektierten Strahles dient, so liegt, daß die Verbin­ dung zwischen den Zentren der beiden Durchtrittspupillen eine maximal mögliche Basislänge aufweist. Je größer diese Basis­ länge gewählt wird, desto exakter arbeitet die Autofokus-An­ ordnung. Für manche Anwendungen ist diese Anordnung von Projektions- und Detektionsstrahlengang günstig, da der Raum unterhalb der Objektivmitte dann für diverse zusätzliche Hilfmittel zur Verfügung steht. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Operationsmikroskop verwendet wird und an diesem derartige Hilfsmittel montiert sind.

Weitere Vorteile und Kennzeichen der erfindungsgemäßen Auto­ fokus-Anordnung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnun­ gen.

Dabei zeigt

Fig. 1a die schematische Darstellung eines ersten Ausfüh­ rungsbeispieles der erfindungsgemäßen Autofokus-Anordnung in einem Stereo-Mikroskop;

Fig. 1b das verwendete Objektiv und die entsprechenden Strahlengänge des ersten Ausführungsbeispieles in Draufsicht;

Fig. 2a die schematische Darstellung eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispieles der erfindungsgemäßen Autofokus-Anordnung in einem Stereo-Mikroskop;

Fig. 2b das verwendete Objektiv und die entsprechenden Strahlengänge des zweiten Ausführungsbeispieles in Draufsicht.

Fig. 3 den ortsauflösenden Positionsdetektor, ausgeführt als zweidimensionales CCD-Array;

Fig. 4 den ortsauflösenden Positionsdetektor, ausgeführt als CCD-Zeile.

Fig. 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau der erfindungsgemäßen Autofokus-Anordnung. Dargestellt ist die Vorderansicht eines Stereomikroskops (1), das mit der erfin­ dungsgemäßen Autofokus-Anordnung ausgestattet ist.

Die wesentlichen Komponenten des Stereomikroskopes (1), wie Okularlinsen (2a, 2b), Tubuslinsen (3a, 3b), pankratisches Vergrößerungssystem (5), sowie das verwendete Objektiv (4a, 4b) für beide Beobachtungsstrahlengänge sind lediglich sche­ matisch dargestellt, da diese Komponenten nicht erfindungs­ wesentlich sind. So ist auch die Verwendung eines komplexer aufgebauten Objektives jederzeit möglich. Ebenfalls darge­ stellt sind die optischen Achsen (29a, 29b) der beiden ste­ reoskopischen Beobachtungsstrahlengänge. Die erfindungsgemäße Autofokus-Anordnung umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel sendeseitig eine Laserdiode (6) sowie eine Kollimatorlinse (12). Die optische Achse des Projektionsstrahlenganges wird im dargestellten Ausführungsbeispiel mit den Bezugszeichen (30) bezeichnet. Diese Anordnung liefert ein paralleles Strahlenbündel und ist als komplettes Bauteil in integrierter Form erhältlich. Verwendet werden kann hierzu beispielsweise die Laserdiode HL 7806 von HITACHI inclusive der entsprechen­ den Strahlaufbereitungsoptik. Das parallele Strahlbündel passiert einen nachfolgend angeordneten Abschwächer (13), der unter Umständen erforderlich sein kann, falls lichtempfind­ liche Objekte untersucht werden, die durch die hohe Intensi­ tät der auftreffenden Laserstrahlung Schaden nehmen könnten. Alternativ kann die Intensitätsregelung auch ohne diesen Abschwächer (13) erfolgen, wenn die Intensität der Laser­ strahlung direkt über den Strom an der Laserdiode (6) gere­ gelt wird. Durch eine nachfolgende Zylinderlinse (8) wird das parallele Strahlbündel in die Fokalebene (14) der Zylinder­ linse (8) als dünne strichförmige Markierung abgebildet. Die Abbildung dieser dünnen strichförmigen Markierung auf die interessierende Objektoberfläche (11) wird über eine weitere Linse (9) sowie ein Umlenkelement (10) durch das Objektiv (4a, 4b) erreicht. Als Umlenkelement (10) kann beispielsweise ein geeigneter Spiegel oder aber ein entsprechendes Prisma verwendet werden.

In einem der beiden Stereo-Beobachtungsstrahlengänge wird der von der Objektoberfläche (11) reflektierte Laserstrahl nach Passieren des Objektives (4a, 4b) empfangsseitig durch ein Auskoppelelement (15) aus dem Beobachtungsstrahlengang ausge­ koppelt und über eine weitere Projektionslinse (16) und einen wellenlängenabhängigen Filter (17) auf einen ortsauflösenden Positionsdetektor (18) abgebildet. Als ortsauflösende Posi­ tionsdetektoren (18) kommen beispielsweise handelsübliche zweidimensionale CCD-Arrays oder CCD-Zeilen aus mehreren Einzelelementen in Frage. Bei einer Defokussierung resultiert eine laterale Verschiebung des Bildes der strichförmigen Markierung auf dem Positionsdetektor (18), die über eine nicht dargestellte Auswerteeinheit registriert und als Regel­ signal zur Nachfokussierung für einen ebenfalls nicht darge­ stellten Fokusmotor verwendet wird. Dabei kann die Fokussie­ rung durch eine motorische Schnittweitenvariation des verwen­ deten Objektives erfolgen. Oder aber das komplette Stereomi­ kroskop (1) wird motorisch entlang der optischen Achse ver­ fahren.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Projektion der strichförmigen Markierung durch das Zentrum des verwende­ ten Objektives (4a, 4b). Dies wird in Fig. 1b verdeutlicht, wo in Draufsicht auf das Objektiv (4a, 4b) die beiden Durch­ trittspupillen (19a, 19b) der beiden Stereo-Beobachtungs­ strahlengänge, sowie die Durchtrittspupille des Projektions­ strahlenganges (20) dargestellt werden. Ebenfalls dargestellt sind die optischen Achsen der beiden stereoskopischen Beob­ achtungsstrahlengänge (29a, 29b), sowie die optische Achse des Projektionsstrahlenganges (30).

Neben den bereits beschriebenen Vorteilen durch die Projek­ tion der strichförmigen Markierung über die Zylinderlinse (8) weist die zentrale Projektion durch die Objektiv-Mitte in diesem Ausführungsbeispiel gewisse Vorteile auf. So ist z. B. beim Defokussieren keine Auswanderung der projizierten strichförmigen Markierung auf der Objektoberfläche (11) zu erwarten. Dies wird durch die senkrechte Projektion gewähr­ leistet.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Autofokus-Anordnung, dargestellt in Fig. 2a, weist das ver­ wendete Stereomikroskop (101) den prinzipiell gleichen Aufbau auf, wie im ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1a. Vorhanden sind ebenfalls Binokulartuben mit Okular- (102a, 102b) und Tubuslinsen (103a, 103b), ein pankratisches Vergrößerungssystem (105) und ein zweiteiliges Objektiv (104a, 104b) für beide Beobachtungsstrahlengänge. Deren optische Achsen sind mit den Bezugszeichen (129a, 129b) gekennzeich­ net. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist der dargestellte explizite Aufbau des Stereomikroskopes (101) nicht erfin­ dungswesentlich, d. h. insbesondere könnte ein anderes aufge­ bautes Objektiv Verwendung finden. Die Lichtquelle der Auto­ fokus-Anordnung besteht auch hier aus einer Laserdiode (106), der eine Kollimatoroptik (112) sowie ein entsprechender Fil­ ter bzw. Abschwächer (113) nachgeordnet wird. Alternativ kann die Intensitätsregelung wieder direkt über den Strom an der Laserdiode (106) erfolgen. Die Abbildung des parallelen La­ serstrahlbündels erfolgt ebenfalls mit Hilfe einer Zylinder­ linse (108), die eine dünne strichförmige Markierung in die Fokalebene (114) der Zylinderlinse (108) abbildet. Dabei wird die optische Achse des Projektionsstrahlenganges mit dem Bezugszeichen (130) versehen dargestellt. Über eine weitere Linse (109) und ein Umlenkelement (110) wird die dünne strichförmige Markierung durch das Objektiv (104a, 104b) auf die Objektoberfläche (111) abgebildet. Die Auskopplung des reflektierten Strahles nach Durchtritt durch das Objektiv (104a, 104b) und Projektion auf den ortsauflösenden Posi­ tionsdetektor (118) über ein Auskoppelelement (115), eine Projektionslinse (116) und einen wellenlängenabhängigen Fil­ ter (117) erfolgt ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1a.

Der entscheidende Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt hier in der Verwendung einer anderen Durchtrittspupille für den Projektionsstrahlengang durch das verwendete Objektiv (104a, 104b). Der Projektionsstrahlengang tritt in diesem Ausführungsbeispiel nicht zentral durch das Objektiv (104a, 104b), sondern am Rand. Dabei schneidet der Projektionsstrah­ lengang keinen der beiden Beobachtungsstrahlengänge.

Dies wird in Fig. 2b ersichtlich, wo eine Draufsicht auf das verwendete Objektiv (104a, 104b), sowie die entsprechenden Durchtrittspupillen für die beiden stereoskopischen Beobach­ tungsstrahlengänge (119a, 119b), sowie für den Projektions­ strahlengang (120) dargestellt sind. Ebenso dargestellt sind wieder die optischen Achsen der stereoskopischen Beobach­ tungsstrahlengänge (129a, 129b), sowie die optische Achse des Projektionsstrahlenganges (130). Der reflektierte Strahl wird wieder aus einem der beiden Beobachtungsstrahlengänge (119a, 119b) ausgekoppelt. Durch diese Wahl von Projektions- und Reflexionsstrahlengang-Durchtrittspupille wird eine möglichst große Basislänge für die Triangulation gewährleistet, d. h. ein großer Winkel zwischen den optischen Achsen von Projek­ tions- und Reflexionsstrahlengang. Daraus resultiert bei der Triangulation und der entsprechenden Fokussierung eine höhere Genauigkeit. Zudem steht der Bereich unterhalb der Objektiv-Mitte für diverse Hilfsmittel, beispielsweise bei Operations­ mikroskopen, zur Verfügung.

In den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen wird als Lichtquelle jeweils eine Laserdiode verwendet, die im infra­ roten Spektralbereich arbeitet. Die zuverlässige Detektion des reflektierten Strahlenbündels wird gewährleistet, indem ein wellenlängen-selektives Auskoppelelement in einem der beiden Beobachtungsstrahlengänge angeordnet wird und ein Filter mit entsprechender Transmissions-Charakteristik vor dem Positionsdetektor. Dieser Filter sorgt dafür, daß nur Informationen des reflektierten Strahles auf den Positions­ detektor gelangen.

Alternativ ist jedoch auch die Verwendung einer Strahlquelle möglich, die im sichtbaren Spektralbereich emittiert.

In Fig. 3 wird ein ortsauflösender Positionsdetektor darge­ stellt, ausgeführt als zweidimensionales CCD-Array (24). Ein Auswerteverfahren für diese erfindungsgemäße Autofokus-Anord­ nung mit Hilfe des dargestellten CCD-Arrays (24) besteht darin, zur exakten Positionsbestimmung des auf das CCD-Array (24) abgebildeten Bildes (21) der strichförmigen Markierung zunächst die Einzelelemente (22a, 22b, . . .) zeilenweise aus­ zuwerten, d. h. die jeweils einfallende Strahlungsintensität zu ermitteln. Anschließend wird über die Strahlungsintensitä­ ten der Einzelelemente (22a, 22b, . . .) spaltenweise gemit­ telt. Dadurch werden störende Einflüsse, wie etwa noch vor­ handene Interferenzerscheinungen im Bild (21) der strichför­ migen Markierung auf dem CCD-Array (24) egalisiert.

Die Darstellung des Bildes (21) der strichförmigen Markierung auf dem CCD-Array (24) in Fig. 3 ist hierbei idealisiert, d. h. in Reali­ tät besitzt dieses Bild (21) ein gaußförmiges Intensitäts­ profil entlang seiner Querdimension.

Ein weiteres Auswerteverfahren zur Egalisierung von Störein­ flüssen bei der Positionsbestimmung des Bildes (21) der strichförmigen Markierung sieht vor, als ortsauflösenden Positionsdetektor eine CCD-Zeile (25) zu verwenden darge­ stellt in Fig. 4, deren Einzelelemente (23a, . . .) jeweils recht­ eckige Flächen aufweisen. Das Bild (21) der strichförmigen Markierung wandert bei einer Defokussierung in der Längsrich­ tung der CCD-Zeile (25) aus.

Claims (8)

1. Autofokus-Anordnung für ein Stereomikroskop,

• - mit einem Projektionsstrahlengang (30; 130), der eine linienförmige Leuchtmarkierung auf dem beobachteten Objekt (11; 111) erzeugt
• - und mit einem Auskoppelelement (15; 115) in einem der beiden Beobachtungsstrahlengänge (29a, 29b; 129a, 129b), welches das von dem Objekt (11; 111) reflektierte Licht des Projektionsstrahlenganges (30; 130) aus dem Beobachtungsstrahlengang (29a, 29b; 129a, 129b) auskoppelt und einem lichtempfindlichen, ortsauflösenden und aus mehreren sensitiven Einzelelementen (22a, 22b, 22c, 22d, . . .; 23a, . . .) bestehenden Positionsdetektor (18; 118) zuführt
• - sowie mit einer Auswerteeinheit, welche die Signale dieser Einzelelemente (22a, 22b, 22c, 22d, . . .; 23a, . . .) in ein Fokussignal für den Fokusmotor des Stereomikroskops (1; 101) umsetzt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß für die beiden Beobachtungsstrahlengänge (29a, 29b; 129a, 129b) ein gemeinsames Objektiv (4a, 4b; 104a, 104b) vorgesehen ist,
• - daß die dem Projektionsstrahlengang (30; 130) zugeordnete Projektionsoptik (12, 8, 9, 10, 4a, 4b; 112, 108, 109, 110, 104a, 104b) eine Zylinderlinse (8; 108) umfaßt, welche die linienförmige Leuchtmarkierung erzeugt,
• - und daß der Projektionsstrahlengang (30; 130) bis zum Objekt (11; 111) vollständig außerhalb der Beobachtungsstrahlengänge (29a, 29b; 129a, 129b) verläuft und damit vom Projektionsstrahlengang (30; 130) verursachte Störreflexe am Objektiv (4a, 4b; 104a, 104b) in die Beobachtungsstrahlengänge (29a, 29b; 129a, 129b) hinein weitgehend ausgeschlossen sind.

2. Autofokus-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle für den Projek­ tionsstrahlengang (30; 130) eine im Infraroten emittierende Laserdiode (6; 106) oder eine im Sichtbaren emittierende, räumlich kohärente Lichtquelle dient.

3. Autofokus-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionsstrahlengang (30; 130) auf der objektabgewandten Seite des Objektivs (4a, 4b; 104a, 104b) parallel zu dessen optischer Achse ausgerichtet ist und alternativ entweder durch das Zentrum des Objektivs (4a, 4b; 104a, 104b) verläuft oder zusammen mit dem reflektierten Strahlengang jeweils durch den äußeren Rand des Objektivs (4a, 4b; 104a, 104b) verläuft.

4. Autofokus-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als ortsauflösender Positionsdetektor (18; 118) ein zweidimensionales, aus Einzelelementen (22a, 22b, 22c, 22d, . . .) bestehendes CCD-Array (24) vorgesehen ist, wobei die Leuchtmarkierung (30; 130) mehrere Einzelelemente (22a, 22b, 22c, 22d) des ortsauflösenden Positionsdetektors (18; 118) beauf­ schlagt.

5. Autofokus-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit eine zeilen- oder spaltenweise Mittelung über die registrierten Intensitäten der Einzelelemente (22a, 22b, 22c, 22d, . . .) durchführt.

6. Autofokus-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als ortsauflösender Positionsdetektor (18; 118) eine CCD-Zeile (25) mit voneinander getrennten Einzelelementen (23a) vorgesehen ist.

7. Autofokus-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung entweder über eine Verlagerung des Objektivs (4a, 4b; 104a, 104b) oder über eine Verlagerung des kompletten Stereomikroskops (1; 101) entlang der optischen Achse erfolgt.