SE515817C2 - Microscope in which the change of focus is achieved by moving the object using the same components as are used for scanning thereby reducing the cost of manufacture. - Google Patents
Microscope in which the change of focus is achieved by moving the object using the same components as are used for scanning thereby reducing the cost of manufacture.Info
- Publication number
- SE515817C2 SE515817C2 SE9904565A SE9904565A SE515817C2 SE 515817 C2 SE515817 C2 SE 515817C2 SE 9904565 A SE9904565 A SE 9904565A SE 9904565 A SE9904565 A SE 9904565A SE 515817 C2 SE515817 C2 SE 515817C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- sensor
- lens
- optical axis
- image
- microscope
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Eye Examination Apparatus (AREA)
- Automatic Focus Adjustment (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Description
25 30 35 Cfl .Ä J OO _; *J 2 verkas av x-y-rattarna 34. Mekanismen 32 för styrning av fokuseringen är en mekanism som modifierar systemet objekt/objektiv/sensor och som i detta exempel flyttar -| u __ k iangs mikioskopets optiska axel. objektet Avsökningen kan även ske automatiskt med hjälp av de av sensorn 26 registrerade bilderna som lagras i ett bildminne 40. En processor 42 extraherar fokuserings- och positionsinformation ur bilderna och styr, på basis av denna information, fokuseringsratten 30 och x-y-rattarna 34 via en styrmekanism 44, som exempelvis kan innefatta stegmotorer och växellådor. 25 30 35 C fl .Ä J OO _; * J 2 is actuated by the x-y knobs 34. The mechanism 32 for controlling the focus is a mechanism which modifies the system object / lens / sensor and which in this example moves - | u __ k iangs microscope optical axis. The scan can also be performed automatically using the images recorded by the sensor 26 which are stored in an image memory 40. A processor 42 extracts focus and position information from the images and controls, on the basis of this information, the focus knob 30 and the xy knobs 34 via a control mechanism 44, which may include, for example, stepper motors and gearboxes.
För att ett automatiskt avsökande mikroskop skall kunna göra snabba avsökningar av objekt måste det ha ett snabbt fokuseringssystem som ändrar fokuseringen. Vidare ställs speciella krav på t ex steglängd, glapp och hyste- res hos fokuseringssystemet eftersom systemet är känsligt för små fokuseringsfel. När bilden betraktas av ett mänskligt öga via ett okular kan ögat korrigera för små fokuseringsfel, men i sensorfallet mäste fokuserings- systemet utföra korrigeringen. Den mänskliga hjärnan har vidare relativt lätt för att kompensera för glapp och olinjäriteter i fokuseringssystemet, medan sådana problem hos ett fokuseringssystem i ett automatiskt avsökande mikroskop försvårar utvecklandet av en snabb autofoku- seringsmetod.For an automatic scanning microscope to be able to quickly scan objects, it must have a fast focusing system that changes the focus. Furthermore, special requirements are placed on, for example, stride length, play and hysteria of the focusing system because the system is sensitive to small focusing errors. When the image is viewed by a human eye via an eyepiece, the eye can correct for small focusing errors, but in the sensor case, the focusing system must perform the correction. Furthermore, the human brain is relatively easy to compensate for play and nonlinearities in the focusing system, while such problems of a focusing system in an automatic scanning microscope make it difficult to develop a fast autofocus method.
Det finns flera olika kända principer för att ändra fokuseringen i ett mikroskop. Den vanligaste principen är att justera avståndet objekt-objektiv medan avståndet objektiv-sensor/okular hålls fixt. Denna princip illust- reras i fig 2a, som schematiskt visar en sensor 26, ett objektiv 16 och ett objekt 14 med höjdvariationer på ett objektglas 13 samt ett diagram som visar hur avståndet z mellan å ena sidan objektglaset 13 och à andra sidan objektivet 16 och sensorn 26 behöver ändras när objektet förflyttas i x-led.There are several different known principles for changing the focus of a microscope. The most common principle is to adjust the object-lens distance while keeping the lens-sensor / eyepiece distance fixed. This principle is illustrated in Fig. 2a, which schematically shows a sensor 26, a lens 16 and an object 14 with height variations on a slide 13 and a diagram showing how the distance z between on the one hand the slide 13 and on the other hand the lens 16 and the sensor 26 needs to be changed when the object is moved in the x-direction.
En annan vanlig princip är användningen av ett så kallat oändlighetskompenserat objektiv tillsammans med lO 15 20 25 30 35 extra optik placerad mellan objektivet och sensorn/oku- laret. Denna princip illustreras i fig 2b där den extra optiken är betecknad med hänvisningsnummer 15. Trots att 16 i ett sådant fall rör sig både relativt objektet 14 och sensorn 26, år det endast rörelsen rela- tivt objektet som har någon optisk betydelse. Diagrammet visar hur avståndet z mellan objektet 14 och objektivet 16 behöver ändras när objektet förflyttas i x-led.Another common principle is the use of a so-called infinity compensated lens together with additional optics placed between the lens and the sensor / eyepiece. This principle is illustrated in Fig. 2b where the additional optics are denoted by reference numeral 15. Although 16 in such a case moves both relative to the object 14 and the sensor 26, it is only the movement relative to the object that has any optical significance. The diagram shows how the distance z between the object 14 and the lens 16 needs to be changed when the object is moved in the x-direction.
När principerna enligt fig 1 och 2 används för ett högupplösande objektiv för ljusmikroskopi behöver objek- tivet flyttas i minsta steg om några tiondels mikro- metrar. Förflyttningen kan exempelvis göras med hjälp av en växlad stegmotor som driver en i mikroskopets stativ integrerad fokusmekanism. Ett sådant fokuseringssystem är relativt kostsamt och är framförallt sällan snabbt sam- tidigt som det ger små minsta förflyttningar. Dagens mikroskopstativ är inte optimerade för enkel motorisering till små snabba rörelser utan är snarast anpassade för manuell fokusering.When the principles according to Figs. 1 and 2 are used for a high-resolution lens for light microscopy, the lens needs to be moved in the smallest step of a few tenths of a micrometer. The movement can be done, for example, with the aid of a geared stepper motor which drives a focus mechanism integrated in the microscope stand. Such a focusing system is relatively expensive and, above all, is seldom fast at the same time as it gives small smallest movements. Today's microscope stands are not optimized for easy motorization for small fast movements but are rather adapted for manual focusing.
Ett finfokuseringssystem kan alternativt realiseras med hjälp av piezoelektriska kristaller som placeras vid infästningen av antingen objektet eller objektivet. En i stativet integrerad fokusmekanism används då för grov- fokusering. De piezoelektriska kristallerna är mycket snabba men de år å andra sidan dyra och kräver en spe- ciell styrelektronik som genererar högspänning.A fine focusing system can alternatively be realized by means of piezoelectric crystals which are placed at the attachment of either the object or the lens. A focus mechanism integrated in the stand is then used for coarse focusing. The piezoelectric crystals are very fast, but on the other hand they are expensive and require special control electronics that generate high voltage.
En tredje känd princip för att ändra mikroskopets fokusering består i att justera avståndet objektiv-sensor genom att flytta sensorn och bibehålla avståndet objekt- objektiv. Detta påminner om ögats justerande roll ovan.A third known principle for changing the focus of the microscope is to adjust the lens-sensor distance by moving the sensor and maintaining the lens-lens distance. This is reminiscent of the adjusting role of the eye above.
Denna princip illustreras i fig 2c, där diagrammet visar förflyttningen z av sensorn som funktion av förflytt- ningen x av objektet. Principen har fördelen att den använder betydligt större rörelser än den ovan beskrivna.This principle is illustrated in Fig. 2c, where the diagram shows the displacement z of the sensor as a function of the displacement x of the object. The principle has the advantage that it uses significantly larger movements than the one described above.
Exempelvis motsvaras 0,1 um objektivförflyttning av 1 mm sensorförflyttning när förstoringen år 100 gånger. Efter- som objektivet är optimerat för ett visst avstånd till lO l5 20 25 30 35 , I 'l « . « v m sensorn, kan ett fokuseringssystem som bygger på denna princip endast användas för finfokuseringar och måste ID lltsà kompletteras med ett annat fokuseringssystem för rovfokusering, vilket ekeumelvis kan arbeta som i det LC! piezoelektriska fallet ovan. Till principens nackdelar hör att det i dagens standardmikroskopstativ inte finns någon mekanism att bygga detta fokuseringssystem pà.For example, 0.1 μm lens displacement corresponds to 1 mm sensor displacement when the magnification is 100 times. Since the lens is optimized for a certain distance to 10 l5 20 25 30 35, I 'l «. «V m the sensor, a focusing system based on this principle can only be used for fine focusing and ID lltsà must be supplemented with another focusing system for predatory focusing, which can ekeumelvis work as in the LC! piezoelectric case above. One of the disadvantages of the principle is that in today's standard microscope stand there is no mechanism on which to focus this focusing system.
Eftersom en sensor kan vara relativt tung, exempelvis när den realiseras som en 3-chipskamera, är det dessutom svårt att göra ett snabbt och billigt finfokuserings- system utifrån denna princip.Since a sensor can be relatively heavy, for example when realized as a 3-chip camera, it is also difficult to make a fast and cheap focus system based on this principle.
En fördel med att använda separata grov- och fin- fokuseringssystem, som i några av fallen ovan, är att man kan låta optimera systemen var för sig och utefter olika kriterier. Grovfokuseringssystemet kan exempelvis opti- meras m a p att vara enkelt och billigt. Genom att det kan ha grova steg kan det ha ett stort omfång men ändå vara relativt snabbt. Finfokuseringssystemet kan då opti- meras m a p att vara snabbt och ge små steg, medan det räcker att dess rörelseomfàng är något större än grov- fokuseringssystemets steglängd.An advantage of using separate coarse and fine-focus systems, as in some of the cases above, is that the systems can be optimized individually and according to different criteria. The rough focus system can, for example, be optimized to be simple and inexpensive. Because it can have rough steps, it can have a large range but still be relatively fast. The fine focusing system can then be optimized to be fast and give small steps, while it is sufficient that its range of motion is slightly larger than the step focus of the coarse focusing system.
En nackdel med att använda tvà separata fokuserings- system har hittills varit att det ökar antalet mekanis- aktuatorer, Förutom att detta mer, drivsteg och kablar. kan öka tillverkningskostnaden, försvårar det arbetet med elektromagnetisk kompatibilitet.A disadvantage of using two separate focusing systems so far has been that it increases the number of mechanism actuators, in addition to this more, drive stages and cables. can increase the manufacturing cost, it complicates the work of electromagnetic compatibility.
Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamàl med föreliggande uppfinning är att lösa ovannämnda problem hos de kända fokuseringsprinciperna.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the known focusing principles.
Detta ändamål uppnås helt eller delvis med en mikro- skopanordning enligt patentkrav 1, ett sätt att montera en sensor enligt patentkrav 14, ett sätt att åstadkomma en önskad fokuseringsändring enligt patentkrav 16 och en användning av ett objektiv med fältkrökning enligt pa-“ tentkrav 17.This object is achieved in whole or in part with a microscope device according to claim 1, a method of mounting a sensor according to claim 14, a method of effecting a desired focus change according to claim 16 and a use of a field-curved lens according to claim 17.
Närmare bestämt avser uppfinningen enligt en första aspekt en mikroskopanordning för mikroskopering av ett lO 15 20 25 30 35 . » u » t. objekt, vilken mikroskopanordning är strukturellt så arrangerad att en önskad fokuseringsändring är åtminstone delvis utförbar genom förflyttning av objektet i sidled i förhållande Lill mikioskopanordningens optiska axel.More particularly, according to a first aspect, the invention relates to a microscope device for microscopy of a 10 15. "Object", which microscope device is structurally arranged so that a desired change of focus is at least partially feasible by moving the object laterally relative to the optical axis of the microscope device.
Tidigare kända principer för ändring av ett mikro- skops fokusering bygger alla på inbördes förflyttningar av objektet, objektivet och sensorn längs mikroskopets optiska axel. Enligt uppfinningen sker istället fokuse- ringsändringen genom att objektet förflyttas tvärs den optiska axeln. Härmed menas att förflyttningen skall ske på sådant sätt att förflyttningsvektorn skall ha en kom- ponent vinkelrätt mot den optiska axeln. Detta har bl a fördelen att samma mekaniska komponenter som används för att förflytta objektet vid avsökning av detta kan använ- das för ändring av fokuseringen. Mikroskopanordningen blir därmed billigare att tillverka.Previously known principles for changing the focus of a microscope are all based on mutual movements of the object, the lens and the sensor along the optical axis of the microscope. According to the invention, instead, the change of focus takes place by the object being moved across the optical axis. This means that the displacement must take place in such a way that the displacement vector must have a component perpendicular to the optical axis. This has, among other things, the advantage that the same mechanical components that are used to move the object when scanning it can be used to change the focus. The microscope device thus becomes cheaper to manufacture.
Vidare får man en utväxling mellan förflyttningen av objektet och fokuseringsändringen så att en relativt stor förflyttning av objektet kan resultera i en mycket liten ändring i fokuseringen, vilket i sin tur betyder att man kan åstadkomma mycket noggranna ändringar av fokuseringen med relativt enkla och billiga medel.Furthermore, you get an exchange between the movement of the object and the change of focus so that a relatively large movement of the object can result in a very small change in the focus, which in turn means that you can achieve very accurate changes of focus with relatively simple and inexpensive means.
Vidare kan man p g a utväxlingen erhålla en steg- längd och ett glapp som är mycket mindre än vad man annars har i motoriserade fokuseringssystem.Furthermore, due to the gear ratio, you can obtain a step length and a clearance that is much smaller than what you otherwise have in motorized focusing systems.
Såsom kommer att framgå nedan bygger den nya prin- cipen för åstadkommande av fokuseringsändringen på att de olika komponenterna i mikroskopet är arrangerade på ett delvis nytt sätt i förhållande till varandra och utnytt- jas på ett delvis nytt sätt.As will be seen below, the new principle for effecting the change of focus is based on the fact that the various components of the microscope are arranged in a partly new way in relation to each other and are utilized in a partly new way.
Denna nya princip för fokuseringsändring kan använ- das som enda princip för fokuseringsändring eller använ- das för finfokusering och kombineras med någon annan känd princip för grovfokusering. En önskad fokuseringsändring kan alltså utföras helt eller delvis genom sidledsför- flyttning av objektet. 10 15 20 25 30 35 Objektet som mikroskoperas, dvs avbildas med för- storing i mikroskopet, kan vara vilket som helst objekt som kan mikroskoperas. Det kan vara en del av ett större objekt eller struktur. Normalt utgör objektet en del av ett preparat som finns på ett objektglas. Förflyttning av objektet utförs således normalt genom förflyttning av objektglaset.This new principle for focus change can be used as the only principle for focus change or used for fine focusing and combined with another known principle for coarse focus. A desired focus change can thus be performed in whole or in part by moving the object sideways. 10 15 20 25 30 35 The object that is microscopically, ie imaged with magnification in the microscope, can be any object that can be microscopically. It can be part of a larger object or structure. Normally, the object forms part of a preparation contained on a slide. Movement of the object is thus normally performed by moving the slide.
Enligt en utföringsform innefattar mikroskopanord- ningen en plan sensor för registrering av en bild av objektet, vilken sensor avsiktligt är så monterad att om objektet är plant är fokuseringen olika i olika delar på sensorn.According to one embodiment, the microscope device comprises a flat sensor for registering an image of the object, which sensor is intentionally mounted so that if the object is flat, the focus is different in different parts of the sensor.
Normalt strävar man efter att montera en sensor så att ett plant objekt vars bild täcker hela sensorn av~ bildas skarpt över hela sensorn och följaktligen hela sensorns yta kan utnyttjas för bildregistrering. Enligt uppfinningen går man istället åt rakt motsatt håll och eftersträvar olika skärpa på olika delar av sensorn så att man kan åstadkomma en fokuseringsändring genom att förflytta objektets bild tvärs den optiska axeln vid sensorn. Detta resulterar i sin tur i att man inte kan utnyttja hela sensorarean eftersom man inte har en skarp bild över hela sensorn, men det är inte något större problem. Med undantag för vissa ljussvaga applikationer såsom fluorescensmikroskopi är det inte exponeringen av sensorn utan utläsningen av pixelvärdena som tar tid. En hälften så stor använd sensorarea per bild ger endast hälften så många pixlar att läsa ut per bild, vilket resulterar i att i det närmaste dubbelt så många bilder kan läsas ut per sekund samt att avbildat område på objektet per sekund, dvs produkten av avbildat område per bild och antalet bilder per sekund, är i det närmaste oförändrad. I applikationer där objektets höjdvariation är betydande kommer principen med mindre avbildade om-' råden på objektet att ha den fördelen att olika områden (avbildade) ringslägen. Förstoringen kan komma att bero på objektets kan vara exponerade i olika, optimala fokuse- 10 l5 20 25 30 35 CT _; (TI KI _; \J 7 läge, men det kan man kompensera för, vilket beskrivs t ex i PCT-ansökan WO99/31622.Normally, one strives to mount a sensor so that a flat object whose image covers the entire sensor is formed sharply over the entire sensor and consequently the entire surface of the sensor can be used for image recording. According to the invention, one instead goes in the exact opposite direction and strives for different sharpness on different parts of the sensor so that one can bring about a change of focus by moving the image of the object across the optical axis at the sensor. This in turn results in not being able to utilize the entire sensor area because you do not have a sharp image over the entire sensor, but this is not a major problem. With the exception of some low-light applications such as fluorescence microscopy, it is not the exposure of the sensor but the reading of the pixel values that takes time. A half-used sensor area per image gives only half as many pixels to be read out per image, which results in almost twice as many images being read out per second and that the imaged area of the object per second, ie the product of the imaged area per image and the number of images per second, is virtually unchanged. In applications where the height variation of the object is significant, the principle of smaller mapped areas on the object will have the advantage of different areas (mapped) ring positions. The magnification may be due to the object may be exposed in different, optimal foci - 10 l 25 20 25 30 35 CT _; (TI KI _; \ J 7 mode, but this can be compensated for, which is described, for example, in PCT application WO99 / 31622.
Sensorn kan vara en ljuskänslig svart/vit sensor eller en enuhlps färgsensor. Den kan vara analog eller digital. Den är med fördel en digital areasensor.The sensor can be a light-sensitive black / white sensor or an enuhlps color sensor. It can be analog or digital. It is advantageously a digital area sensor.
I en fördelaktig utföringsform åstadkommes ändringen av fokuseringen genom att sensorn avsiktligt är så monte- rad att ett bildplan, i vilket objektet avbildas skarpt om det är plant, lutar i förhållande till sensorns plan.In an advantageous embodiment, the change of the focus is effected in that the sensor is intentionally mounted so that an image plane, in which the object is imaged sharply if it is flat, is inclined in relation to the plane of the sensor.
Såsom framgår nedan kan detta realiseras på olika sätt.As shown below, this can be realized in different ways.
Om bildplanet lutar pà ett känt sätt i förhållande till sensorplanet får man en linjär funktion för styrning av fokuseringsändringen.If the image plane is inclined in a known manner in relation to the sensor plane, you get a linear function for controlling the focus change.
Enligt en utföringsform innefattar mikroskopanord- ningen ett objektiv för àstadkommande av en bild av objektet, och minst ett fokuseringssystem, vilket är anordnat att utföra nämnda förflyttning av objektet tvärs objektivets optiska axel.According to one embodiment, the microscope device comprises a lens for producing an image of the object, and at least one focusing system, which is arranged to perform said movement of the object across the optical axis of the lens.
Mikroskopanordningens optiska axel utgörs alltså här av objektivets optiska axel.The optical axis of the microscope device thus consists here of the optical axis of the lens.
I tidigare kända anordningar påverkar fokuserings- systemet fokuseringen genom att förflytta en eller flera komponenter i mikroskopanordningen längs den optiska axeln. Därmed förflyttas hela bildplanet i vilket ett plant objekt är fokuserat längre bort från eller närmare sensorns plan. Enligt uppfinningen förflyttar fokuse- ringssystemet istället objektet tvärs objektivets optiska axel, företrädesvis vinkelrätt mot denna, vilket leder till att bilden av objektet förflyttas över sensorn varigenom skärpan ändras.In prior art devices, the focusing system affects the focusing by moving one or more components of the microscope device along the optical axis. This moves the entire image plane in which a flat object is focused further away from or closer to the plane of the sensor. According to the invention, the focusing system instead moves the object across the optical axis of the lens, preferably perpendicular to it, which leads to the image of the object being moved over the sensor, whereby the sharpness is changed.
Förflyttningen kan göras manuellt genom att en an- vändare påverkar fokuseringssystemet eller automatiskt genom att en styrsignal påverkar fokuseringssystemet.The movement can be done manually by a user influencing the focusing system or automatically by a control signal affecting the focusing system.
Med fokuseringssystem menas här alltså en eller flera mekaniska eller elektromekaniska komponenter eller andra komponenter som under påverkan av en användare i ett manuellt mikroskop eller en styrsignal i ett auto- 10 15 20 25 30 35 matiskt mikroskop ändrar fokuseringen i mikroskopet, dvs skärpan i avbildningen av det objekt som skall studeras i mikroskopet.By focusing system is meant here one or more mechanical or electromechanical components or other components which, under the influence of a user in a manual microscope or a control signal in an automatic microscope, change the focus in the microscope, i.e. the sharpness in the image of the object to be studied under the microscope.
I en fördelaktig utföringsform innefattar mikroskop- anordningen organ för förflyttning av objektet med av- seende pä tvà koordinataxlar sä att objektet kan avsökas, varvid fokuseringsändringen är utförbar genom förflytt- ning av objektet längs den ena av de tvä koordinataxlar- na. Denna utföringsform har fördelen att samma organ som används för avsökning av objektet kan användas för foku- seringsändringen. Organen för förflyttning kan vara meka- niska, elektromekaniska eller av någon annan typ som idag används för att åstadkomma förflyttning när ett objekt avsöks. De två koordinataxlarna kan vara tvä vinkelräta axlar, säsom en x- och en y-axel i ett kartesiskt koordi- natsystem. Andra koordinatsystem kan också användas, exempelvis ett polärt koordinatsystem.In an advantageous embodiment, the microscope device comprises means for moving the object with respect to two coordinate axes so that the object can be scanned, the focusing change being feasible by moving the object along one of the two coordinate axes. This embodiment has the advantage that the same means used for scanning the object can be used for the change of focus. The means for movement can be mechanical, electromechanical or of another type that is currently used to effect movement when an object is scanned. The two coordinate axes can be two perpendicular axes, such as an x- and a y-axis in a Cartesian coordinate system. Other coordinate systems can also be used, for example a polar coordinate system.
I en fördelaktig utföringsform innefattar mikroskop- anordningen ett objektiv för ästadkommande av en bild av objektet, vilket objektiv har en optisk axel och en fält- krökningsaberration, och minst en sensor för registrering av bilden av objektet, vilken sensor avsiktligt är off- set-monterad med en första förskjutning längs en första geometrisk axel väsentligen vinkelrätt mot förlängningen av objektivets optiska axel vid sensorn.In an advantageous embodiment, the microscope device comprises a lens for producing an image of the object, which lens has an optical axis and a field curvature aberration, and at least one sensor for detecting the image of the object, which sensor is intentionally offset mounted with a first displacement along a first geometric axis substantially perpendicular to the extension of the optical axis of the lens at the sensor.
Fältkrökningsaberrationen eller bildfältskrökning innebär att objektets djupläge för bästa fokusering beror pà objektets radiella avstånd fràn objektivets optiska axel. Effekten visas i fig 3a. Ett plant objekt 14, som är placerat vinkelrätt mot den optiska axeln, avbildas med ett objektiv 16. Om objektivet 14 har fältkröknings- aberration blir bildplanet B krökt sä att bilden av det plana objektet blir fokuserad i ett krökt plan. Detta fenomen beskrivs bland annat i "Optics" av Eugene Hecht, sid 228-230 (1987).The field curvature aberration or image field curvature means that the object's deep position for best focus depends on the object's radial distance from the lens' optical axis. The effect is shown in Fig. 3a. A flat object 14, which is placed perpendicular to the optical axis, is imaged with a lens 16. If the lens 14 has field curvature aberration, the image plane B is curved so that the image of the flat object is focused in a curved plane. This phenomenon is described, inter alia, in "Optics" by Eugene Hecht, pages 228-230 (1987).
I fig 3b visas ett alternativt sätt att betrakta andra upplagan, fältkrökningen. För att ett objekt skall avbildas skarpt lO 15 20 25 30 35 515 817 ' - ~ - - . . f - 9 på en plan sensor 26 med hjälp av ett objektiv 16 som har fältkrökningsaberration måste objektet finnas i det krökta fältet F.Fig. 3b shows an alternative way of looking at the second edition, the field curvature. In order for an object to be imaged sharply 10 15 20 25 30 35 515 817 '- ~ - -. . f - 9 on a flat sensor 26 by means of a lens 16 having field curvature aberration, the object must be in the curved field F.
Fältkrökningen är oftast en kvadratisk funktion av det radiella avståndet från den optiska axeln O. Före- komsten av fältkrökning är normalt endast en nackdel eftersom ett plant objekt, vars bild täcker en plan sensor, inte går att avbilda skarpt samtidigt på hela sensorn. Vanligen, och framförallt vid manuell mikro- skopi, försöker man ta bort eller minimera fältkrökningen genom kompensationer i objektivet. Sådana kompensationer kan bestå i att man vid konstruktionen av objektivet lägger större vikt vid att erhålla liten fältkrökning medan man lägger mindre vikt vid någon annan objektiv- egenskap som exempelvis förmågan att upplösa små objekt- detaljer. Ett annat sätt att kompensera för fältkrökning är att addera extra linselement, varvid objektivet bl a kommer att släppa igenom mindre ljus och därmed kräva längre exponeringstider eller starkare belysning. Sanno- likt blir objektivet även dyrare att tillverka.The field curvature is usually a quadratic function of the radial distance from the optical axis O. The occurrence of field curvature is normally only a disadvantage because a flat object, whose image covers a flat sensor, cannot be imaged sharply at the same time on the entire sensor. Usually, and especially with manual microscopy, one tries to remove or minimize the field curvature through compensations in the lens. Such compensations may consist in that in the design of the lens greater emphasis is placed on obtaining small field curvature, while less emphasis is placed on any other lens property, such as the ability to dissolve small object details. Another way of compensating for field curvature is to add extra lens elements, whereby the lens will, among other things, let through less light and thus require longer exposure times or stronger lighting. The lens will probably also be more expensive to manufacture.
Fördelen med den ovan beskrivna utföringsformen med offset-monterad sensor är således att man helt, eller åtminstone i mindre utsträckning, slipper att korrigera för fältkrökningen i objektivet, vilket leder till att objektivet behöver innehålla färre linser och därmed blir enklare och billigare.The advantage of the above-described embodiment with offset-mounted sensor is thus that one completely, or at least to a lesser extent, avoids correcting for the field curvature in the lens, which leads to the lens having to contain fewer lenses and thus become simpler and cheaper.
Sensorn är alltså i denna utföringsform förskjuten i sidled från sin normala placering på den optiska axeln.The sensor is thus in this embodiment displaced laterally from its normal position on the optical axis.
Det skall härmed betonas att förlängningen av den optiska axeln vid sensorn inte behöver ligga i rät linje med objektivets optiska axel, utan den kan vara vinklad i förhållande därtill med hjälp av exempelvis stråldelare och speglar.It should be emphasized here that the extension of the optical axis at the sensor does not have to be in line with the optical axis of the lens, but it can be angled in relation thereto by means of, for example, beam splitters and mirrors.
Mikroskopanordningen kan vidare innefatta ett foku- seringssystem vilket är anordnat att utföra nämnda för- flyttning av objektet längs en andra geometrisk axel väsentligen vinkelrätt mot objektivets optiska axel, var- lO 15 20 25 30 35 10 vid den första geometriska axeln är optiskt parallell med den andra geometriska axeln. Fokuseringssystemet förflyt- tar alltså objektet i samma riktning som sensorn är för- skjuten för ästadkommande av fokuseringsandringen.The microscope device may further comprise a focusing system which is arranged to perform said movement of the object along a second geometric axis substantially perpendicular to the optical axis of the lens, wherein at the first geometric axis is optically parallel to the second geometric axis. The focusing system thus moves the object in the same direction as the sensor is displaced to effect the focusing change.
Såsom redan nämnts är den andra geometriska axeln företrädesvis parallell eller sammanfaller med den ena av de två koordinataxlarna för avsökningen av objektet.As already mentioned, the second geometric axis is preferably parallel or coincides with one of the two coordinate axes for scanning the object.
Mikroskopanordningen kan med fördel innefatta minst en andra sensor, som är avsiktligt monterad med en andra förskjutning vinkelrätt mot förlängningen av den optiska axeln vid sensorn, varvid den första och den andra för- skjutningen är olika stora. Man kan alltså placera två sensorer i olika delar av bildplanet så att detta lutar olika mycket i förhållande till respektive sensor. På detta sätt kan välja två olika fokuseringsändringstakter som funktion av förflyttningen av objektet. Naturligtvis kan man använda ytterligare sensorer.The microscope device may advantageously comprise at least one second sensor, which is intentionally mounted with a second displacement perpendicular to the extension of the optical axis at the sensor, the first and the second displacement being different sizes. You can thus place two sensors in different parts of the image plane so that this is inclined differently in relation to each sensor. In this way, two different focus change rates can be selected as a function of the movement of the object. Of course, you can use additional sensors.
Sensorerna är med fördel så placerade att de är förskjutna längs varsin av nämnda två koordinataxlar för avsökning av objektet.The sensors are advantageously placed so that they are displaced along each of the said two coordinate axes for scanning the object.
Ett alternativt sätt att möjliggöra valbar takt för fokuseringsändringen är att montera den första sensorn så att den är flyttbar. Då kan användaren välja var i bild- planet sensorn skall placeras och därmed bildplanets lut- ning i förhållande till sensorn. Detta blir dock troligen en betydligt dyrare lösning.An alternative way to enable selectable tempo for the focus change is to mount the first sensor so that it is movable. Then the user can choose where in the image plane the sensor is to be placed and thus the inclination of the image plane in relation to the sensor. However, this will probably be a much more expensive solution.
I en alternativ utföringsform är sensorn avsiktligt monterad så att en normal till sensorns plan bildar en vinkel med förlängningen av objektivets optiska axel vid sensorn.In an alternative embodiment, the sensor is intentionally mounted so that a normal to the plane of the sensor forms an angle with the extension of the optical axis of the lens at the sensor.
På detta sätt erhålles samma effekt att fokuseringen varierar över sensorns yta. I den kända tekniken strävar man efter att montera sensorn så att normalen till sen- sorns plan är parallell med den optiska axeln så att man får samma fokusering över hela sensorn. Enligt uppfin- ningen går man alltså en helt annan väg och eftersträvar en vinkel mellan sensorns plan och den optiska axeln. lO 15 20 25 30 35 515 817 ll I denna utföringsform bör objektivet väsentligen sakna fältkrökning och monteras sensorn väsentligen sym- metriskt i förhållande till förlängningen av den optiska axeln vid sensorn, dvs ingen offset-montering. Detta innebär att objektivet blir dyrare varför denna utföe ringsform är mindre föredragen om man vill hålla nere kostnaderna för objektivet. Dessutom är man i denna ut- föringsform i princip bunden till att utnyttja sidleds- förflyttning för fokuseringsändring, medan man i den föregående utföringsformen med offset-monterad sensor kan välja om man vill utnyttja möjligheten med sidledsför- flyttning för fokuseringsändring eller ej genom att välja objektiv med eller utan fältkrökningsaberration.In this way, the same effect is obtained that the focus varies over the surface of the sensor. In the prior art, the aim is to mount the sensor so that the normal to the plane of the sensor is parallel to the optical axis so that the same focus is obtained over the entire sensor. According to the invention, a completely different path is followed and an angle is sought between the plane of the sensor and the optical axis. In this embodiment, the lens should have substantially no field curvature and the sensor should be mounted substantially symmetrically with respect to the extension of the optical axis at the sensor, i.e. no offset mounting. This means that the lens becomes more expensive, which is why this embodiment is less preferred if one wants to keep the costs of the lens down. In addition, in this embodiment you are in principle bound to use lateral movement for focus change, while in the previous embodiment with offset-mounted sensor you can choose whether you want to use the possibility of lateral movement for focus change or not by choosing lens with or without field curvature aberration.
I ytterligare en alternativ utföringsform är en plan sensor monterad vinkelrätt mot objektivets optiska axel och är objektet anordnat att hållas så att en normal till objektet bildar en vinkel med objektivets optiska axel om objektet är plant. Normalt strävar man efter att anordna en objekthållare så att ett plant objekt hålls vinkelrätt mot den optiska axeln. Enligt uppfinningen eftersträvar man istället en avvikelse från detta förhållande så att bildplanet för det plana objektet bildar en vinkel med sensorns plan.In a further alternative embodiment, a flat sensor is mounted perpendicular to the optical axis of the lens and the object is arranged to be held so that a normal to the object forms an angle with the optical axis of the lens if the object is flat. Normally, one strives to arrange an object holder so that a flat object is held perpendicular to the optical axis. According to the invention, a deviation from this relationship is sought instead so that the image plane of the planar object forms an angle with the plane of the sensor.
Mikroskopanordningen kan vara ett komplett mikroskop eller delar av ett mikroskop som har de särdrag som anges i patentkraven. Mikroskopanordningen är företrädesvis en ljusmikroskopanordning och i synnerhet en automatiskt av- sökande ljusmikroskopanordning.The microscope device may be a complete microscope or parts of a microscope having the features set forth in the claims. The microscope device is preferably a light microscope device and in particular an automatically scanning light microscope device.
Enligt en andra aspekt avser uppfinningen ett sätt att montera en sensor i ett mikroskop som har ett objek- tiv för åstadkommande av en bild av ett objekt, varvid objektivet har ett bildplan i vilket bilden är fokuserad, innefattande steget att avsiktligt montera sensorn så att bildplanet lutar i förhållande till sensorns plan om objektet är plant. lO 15 20 25 30 35 U'l -J 0"! a! _» *J . . . . , .- 12 Fördelen med detta sätt framgår av resonemangen ovan. Vad som sagts ovan angående monteringen av sensorn är naturligtvis också tillämpbart på sättet.According to a second aspect, the invention relates to a method of mounting a sensor in a microscope having a lens for producing an image of an object, the lens having an image plane in which the image is focused, comprising the step of intentionally mounting the sensor so that the image plane inclined in relation to the plane of the sensor if the object is flat. 10 The advantage of this method is clear from the reasoning above. What has been said above regarding the mounting of the sensor is of course also applicable to the way.
Enligt en tredje aspekt avser uppfinningen ett satt för àstadkommande av en önskad ändring av en fokusering på ett objekt i ett mikroskop, innefattande steget att förflytta objektet tvärs objektivets optiska axel för ästadkommande av den önskade fokuseringsändringen.According to a third aspect, the invention relates to a method for effecting a desired change of a focus on an object in a microscope, comprising the step of moving the object across the optical axis of the lens to effect the desired focus change.
Fördelen med detta sätt framgår av resonemangen ovan. Vad som sagts ovan angående förflyttningen av objektet är naturligtvis också tillämpbart på sättet att åstadkomma en fokuseringsändring.The advantage of this method is clear from the reasoning above. What has been said above regarding the movement of the object is of course also applicable to the way of effecting a change of focus.
Enligt en fjärde aspekt av uppfinningen avser denna en användning av ett objektiv med fältkrökning i ett mikroskop för att göra det möjligt att styra en ändring av fokuseringen genom förflyttning av ett objekt som skall studeras i mikroskopet tvärs mikroskopets optiska axel.According to a fourth aspect of the invention, this relates to a use of a field-curved lens in a microscope to make it possible to control a change of focus by moving an object to be studied in the microscope across the optical axis of the microscope.
Fördelen med denna användning och ytterligare aspekter på denna framgår ovan.The advantage of this use and further aspects of this are set forth above.
Kort fiqurbeskrivninq Föreliggande uppfinning skall nu beskrivas mera i detalj genom utföringsexempel som hänvisar till bifogade ritningar, på vilka: Fig 1, som redan har diskuterats, schematiskt visar ett tidigare känt mikroskop.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will now be described in more detail by way of exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1, which has already been discussed, schematically shows a prior art microscope.
Fig 2a-c, som redan har diskuterats, schematiskt visar tre kända principer för ändring av fokusering.Figures 2a-c, which have already been discussed, schematically show three known principles for changing focus.
Fig 3a och 3b, som redan har diskuterats, schema- tiskt visar effekten av fältkrökning.Figures 3a and 3b, which have already been discussed, schematically show the effect of field curvature.
Fig 4 schematiskt visar en första utföringsform av en mikroskopanordning enligt föreliggande uppfinning.Fig. 4 schematically shows a first embodiment of a microscope device according to the present invention.
Fig 5 schematiskt visar en niväkurveplott av fält- krökning.Fig. 5 schematically shows a level curve plot of field curvature.
Fig 6 schematiskt visar hur en sensor är monterad enligt en första utföringsform av uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 _ , , 1 ; .~ 13 Fig 7 schematiskt visar hur en sensor är monterad enligt en andra utföringsform av uppfinningen.Fig. 6 schematically shows how a sensor is mounted according to a first embodiment of the invention. 10 15 20 25 30 35 _,, 1; Fig. 7 schematically shows how a sensor is mounted according to a second embodiment of the invention.
Fig 8 schematiskt visar hur ett objekt är monterat enligt en tredje utföringsform av uppfinningen.Fig. 8 schematically shows how an object is mounted according to a third embodiment of the invention.
Beskrivning av ett föredraqen utförinqsexempel I fig 4 visas ett exempel pà ett ljusmikroskop enligt föreliggande uppfinning. Ljusmikroskopet över- ensstämmer till stora delar med det som visas i fig 1 varför mot varandra svarande delar har givits samma hän- visningsbeteckningar.Description of a Preferred Embodiment Fig. 4 shows an example of a light microscope according to the present invention. The light microscope largely corresponds to that shown in Fig. 1, which is why corresponding parts have been given the same reference numerals.
Mikroskopet har således en ljuskälla 12, som belyser ett objekt 14 som skall avbildas förstorat i mikroskopet.The microscope thus has a light source 12, which illuminates an object 14 to be imaged magnified in the microscope.
Objektet 14 kan exempelvis vara en vit blodkropp i ett blodutstryk pà ett objektglas.The object 14 may be, for example, a white blood cell in a smear on a slide.
Mikroskopet innefattar vidare ett objektiv 16, som är anordnat att, med hjälp av ljuset fràn ljuskällan 12 och via en stràldelares 18 ena utgång, avbilda en del av objektet 14 som finns inom objektivets synfält pà en digital bildsensor 26, som àstadkommer en bild i elektro- nisk form, vilken lagras i ett bildminne 40. Objektivet 16 är vidare anordnat att via stràdelarens 18 andra ut- gäng och ett okular 20 avbilda objektet 14 på näthinnan 24 hos en användares öga.The microscope further comprises a lens 16, which is arranged to, by means of the light from the light source 12 and via one output of a beam splitter 18, image a part of the object 14 which is within the field of view of the lens on a digital image sensor 26, which produces an image in electro which is stored in an image memory 40. The lens 16 is further arranged to image the object 14 on the retina 24 of a user's eye via the second output of the beam splitter 18 and an eyepiece 20.
Objektet 14 kan förflyttas utefter två koordinat- axlar x och y i ett plan vinkelrätt mot objektivets op- tiska axel O med hjälp av en x-y-mekanism 36 i form av ett x-y-bord som manövreras, manuellt eller automatiskt, via x-y-rattar 34.The object 14 can be moved along two coordinate axes x and y in a plane perpendicular to the optical axis 0 of the lens by means of an x-y mechanism 36 in the form of an x-y table which is operated, manually or automatically, via x-y knobs 34.
Mikroskopet 10 innefattar vidare en processor 42, en styrmekanism 44, en grovfokuseringsratt 48 och en grov- fokuseringsmekanism 46, som tillsammans bildar ett grov- fokuseringssystem av tidigare känd typ, som modifierar avståndet mellan objektet 14 och objektivet 16 för àstad- kommande av en grovfokusering.The microscope 10 further includes a processor 42, a control mechanism 44, a coarse focusing knob 48 and a coarse focusing mechanism 46, which together form a coarse focusing system of the prior art, which modifies the distance between the object 14 and the lens 16 to provide a coarse focusing. .
Processorn 42, styrmekanismen 44, x-y-rattarna 34 och x-y-mekanismen 36 bildar vidare tillsammans ett fin- fokuseringssystem som är baserat pà sidledsförflyttning lO l5 20 25 30 35 515 817 . . | . . .- 14 av objektet 14 och ett positioneringssystem som möjliggör avsökning av objektet 14.The processor 42, the steering mechanism 44, the x-y knobs 34 and the x-y mechanism 36 further together form a fine focusing system which is based on lateral displacement 10 15 15 30 35 515 817. . | . . .- 14 of the object 14 and a positioning system which enables scanning of the object 14.
I det följande skall beskrivas mer i detalj hur sensorn 26 och objekt l4 kan vara arrangerade i förhål- lande till varandra för att möjliggöra finfokuseringen med hjälp av sidledsförflyttning.In the following, it will be described in more detail how the sensor 26 and object 14 can be arranged in relation to each other in order to enable the fine focusing by means of lateral movement.
Traditionellt linjerar man upp objektivet 16 med okularet 20/sensorn 26 för att använda sig av centrum av objektivets bildplan B. Detta illustreras i fig 5 som schematiskt visar en niväkurveplott av fältkrökningen i bildplanet B. En sensor placeras alltsà normalt som rektangeln a i fig 5 eftersom effekterna av fältkrök- ningen inte märks sä mycket i centrum av objektivets bildplan. Däremot fàs olika mycket fokuseringsavvikelse i hörnen respektive mitt pà kanterna av rektangeln a. Genom att offsetmontera sensorn så att den sitter med en för- skjutning f i förhållande till objektivets optiska axel O, kan man istället använda sig av rektangeln b i fig 5.Traditionally, the lens 16 is aligned with the eyepiece 20 / sensor 26 to use the center of the objective image plane B. This is illustrated in Fig. 5 which schematically shows a level curve plot of the field curvature in the image plane B. A sensor is thus normally placed as the rectangle in Fig. 5 because the effects of field curvature are not so noticeable in the center of the lens' image plane. On the other hand, different focusing deviations are obtained in the corners and in the middle of the edges of the rectangle a, respectively. By offset mounting the sensor so that it has an offset f in relation to the optical axis O of the lens, the rectangle b in Fig. 5 can be used instead.
Offsetmonteringen innebär dels att man väsentligen endast får fokuseringsändring m a p en koordinataxel i bilden, och dels att man, nedan kallad fokusaxeln, för ett givet objektiv med fix fältkrökning, i viss utsträckning kan välja "lutning" hos bildplanet genom att välja storleken av förskjutningen f. Företrädesvis låter man mikroskopets huvudsakliga avsökningsriktning för avsökning av objektet vara parallell med fokusaxeln.Offset mounting means that you essentially only get a focus change map a coordinate axis in the image, and that you, hereinafter referred to as the focus axis, for a given lens with fixed field curvature, can to some extent choose "slope" of the image plane by choosing the size of the offset f. Preferably, the main scanning direction of the microscope for scanning the object is allowed to be parallel to the focus axis.
Mikroskopets avsökning kan exempelvis ske genom att tvà oberoende mekanismer, såsom X-y-mekanismen 36, trans- laterar objektet längs varsin axel eller genom att en mekanism roterar objektet medan en annan mekanism trans- laterar det. I det första fallet kan den huvudsakliga av- sökningen ske med en av de tvá translationsmekanismerna_ I det andra fallet sker den huvudsakliga avsökningen företrädesvis i cirklar eller cirkelbàgar med hjälp av' rotationsmekanismen, varvid det aktuella läget pä den translaterande mekanismen avgör radien hos cirkelbàgen.The scanning of the microscope can take place, for example, by two independent mechanisms, such as the X-y mechanism 36, translating the object along each axis or by one mechanism rotating the object while another mechanism translates it. In the first case the main scanning can take place with one of the two translation mechanisms. In the second case the main scanning takes place preferably in circles or arcs by means of the rotation mechanism, the current position of the translating mechanism determining the radius of the circular arc.
Den roterande rörelsen kan dà, lokalt vid det av bild- 10 15 20 25 30 35 15 sensorn avbildade omrädet och för tillräckligt stora radier, approximeras med en translationsrörelse paral- lellt med fokusaxeln.The rotating motion can then, locally at the area imaged by the image sensor and for sufficiently large radii, be approximated by a translational motion parallel to the focus axis.
Uffsetmonteringen beräknas m a p önskad offset vid objektet och införes vid sensorn om typiskt nägra milli- metrar, vilket är lätt att àstadkomma med en tillräckligt god relativ noggrannhet.The offset mounting is calculated based on the desired offset at the object and is inserted at the sensor in typically a few millimeters, which is easy to achieve with a sufficiently good relative accuracy.
För att fä en användbar finfokusering kommer bild- planets lutning att vara en kompromiss. För att fä en tillräckligt liten fokuseringsändring inom ett objekt, vilket är ekvivalent med en tillräckligt stor utväxling i förhållandet mellan sidledsförflyttning och motsvarande fokuseringsändring, vill man ha en liten lutning hos bildplanet m a p fokusaxeln. Samtidigt vill man, för att fä en stor fokuseringsändring inom sensorns yta och där- igenom kunna làta den grova fokusmekanismen ha stora steg, ha en stor lutning hos bildplanet m a p fokusaxeln.To get a useful fine focus, the inclination of the image plane will be a compromise. In order to obtain a sufficiently small focus change within an object, which is equivalent to a sufficiently large gear ratio in the relationship between lateral displacement and the corresponding focus change, one wants a small inclination of the image plane with the focus axis. At the same time, in order to obtain a large focus change within the sensor surface and thereby be able to allow the coarse focus mechanism to have large steps, there must be a large inclination of the image plane with the focus axis.
För att möjliggöra olika fokuseringsändringstakt kan en andra sensor placeras med en annan förskjutning f' i förhållande till den optiska axeln och vinkelrätt mot den första sensorns förskjutning, dvs längs den andra koordi- nataxeln. Detta illustreras med rektangeln c i fig 5.To enable different focusing change rates, a second sensor can be placed with a different displacement f 'relative to the optical axis and perpendicular to the displacement of the first sensor, i.e. along the second coordinate axis. This is illustrated by the rectangle c in Fig. 5.
Som ännu ett alternativ kan man göra den första sensorn flyttbar längs fokusaxeln sä att användaren själv kan välja lutning pà bildplanet.As another alternative, the first sensor can be made movable along the focus axis so that the user can choose the inclination of the image plane.
Som ett ytterligare alternativ kan man använda en stor sensor som täcker hela bildplanet och utnyttja olika delar av denna sensor. Det torde dock bli ett dyrt alter- nativ.As an additional alternative, you can use a large sensor that covers the entire image plane and use different parts of this sensor. However, it should be an expensive alternative.
Exempel Antag att en sensor har en sensorsida som är n pixlar, där centrumavstàndet mellan näraliggande pixlar är p, och att objektivet har en förstoring m. Sensorns sida motsvarar dä sträckan np/m i objektet. Antag vidare att mitten av ett cirkulärt objekt med diametern d skall vara mitt i fokus och att randen av detsamma får vara maximalt e felfokuserad. Lutningen kan dä, lokalt i det 10 15 20 25 30 35 515 817 .U .Uf 16 relativt plana fältet, maximalt vara sådan att fokus ändras 2e på sträckan d.Example Suppose that a sensor has a sensor side that is n pixels, where the center distance between adjacent pixels is p, and that the lens has a magnification m. The side of the sensor then corresponds to the distance np / m in the object. Assume further that the center of a circular object with the diameter d must be in the center of focus and that the edge of the same must be maximally e incorrectly focused. The slope can then, locally in the relatively flat field, be at most such that the focus changes 2e on the distance d.
Med approximationen att fältet är ett lutande plan över sensorytan fås att fokusändringen t längs sensorns sida maximalt kan vara t=2npe/(md).With the approximation that the field is an inclined plane over the sensor surface, it is obtained that the change of focus t along the side of the sensor can be a maximum of t = 2npe / (md).
Med n=5l2, p=12 pm, m=100, e=0,2 pm och d=2O pm fås t till ca 1,2 pm. Med en korrektare, kvadratisk, modell fås att maximal fokuseringsändring längs sensorns sida blir något mindre. Generellt gäller att planapproxima- tionen blir bättre ju mindre objektet är. Lutningen i exemplet är 0,4 pm/20 pm = 1/50. Istället för att flytta objektet 0,1 pm längs den optiska axeln med ett traditio- nellt fokuseringssystem kan man istället alltså flytta det ca 5 pm längs fokusaxeln. Den senare förflyttningen går att göra med en betydligt enklare anordning och som dessutom redan finns och används för avsökning av objek- tet. Som en jämförelse kan man med O,1 pm förflyttning längs fokusaxeln, vilket är fullt möjligt även med ett relativt enkelt motoriserat x-y-bord, åstadkomma en så liten fokusändring som 2 nm.With n = 5l2, p = 12 pm, m = 100, e = 0.2 pm and d = 20 pm, t is obtained to about 1.2 pm. With a more accurate, square, model, the maximum focus change along the side of the sensor is slightly smaller. In general, the smaller the object, the better the planar approximation. The slope in the example is 0.4 pm / 20 pm = 1/50. Instead of moving the object 0.1 pm along the optical axis with a traditional focusing system, you can instead move it about 5 pm along the focus axis. The latter movement can be done with a much simpler device and which also already exists and is used for scanning the object. As a comparison, with 0.1 μm movement along the focus axis, which is quite possible even with a relatively simple motorized x-y table, a change of focus as small as 2 nm can be achieved.
Ett "Olympus Nea 100x/1.25 oil" har på ett radiellt avstånd av r=l0O pm från optiska axeln ca z=2 pm krök- ning. Med antagandet att krökningen är kvadratiskt beroende av avståndet till optiska axeln är z=k(r/10O)2 med k=2. Vid ett radiellt avstånd av 50 pm är lutningen pà planet lokalt dz/dr=2k/ioo(r/1oo)=2*2/1oo*5o/1oo pm per pm =2/100=1/50. För att få centrum av sensorn där, skall sensorn monteras med 5 mm offset, vilket är 50 pm förstorat 100 ggr.An "Olympus Nea 100x / 1.25 oil" has at a radial distance of r = 10 μm from the optical axis about z = 2 μm curvature. Assuming that the curvature is quadratic depending on the distance to the optical axis, z = k (r / 10O) 2 with k = 2. At a radial distance of 50 pm, the slope of the plane is locally dz / dr = 2k / ioo (r / 1oo) = 2 * 2 / 1oo * 5o / 1oo pm per pm = 2/100 = 1/50. To get the center of the sensor there, the sensor should be mounted with 5 mm offset, which is 50 pm magnified 100 times.
I det följande skall funktionen hos mikroskopet i fig 4 med offset-monterad sensor beskrivas under hänvis- ning till fig 6, som visar den offsetmonterade sensorn 26, objektivet 16 och ett objektglas 13 med ett preparat med höjdvariationer. Objektivet 16 har fältkröknings- aberration, vilket betyder att det plana objektglaset 13 avbildas skarpt i ett krökt bildplan B. Sensorns 26 plan lutar alltså i förhållande till bildplanet B. Antag nu 10 15 20 25 30 35 17 att det punktformiga objektet 14 skall avbildas med sen- sorn 26 och att objektglaset 13 befinner sig i läget som visas med streckade linjer. I detta läge avbildas det punktrormiga objektet 14 skarpt i en punkt som ligger en bit ovanför sensorn 26. En eller flera bilder registreras med sensorn 26 och lagras i bildminnet 40. Bilden/erna analyseras av processorn 42 med hjälp av kända metoder för att bestämma ett värde pà hur bra fokuseringen är.In the following, the function of the microscope in Fig. 4 with offset-mounted sensor will be described with reference to Fig. 6, which shows the offset-mounted sensor 26, the lens 16 and a slide 13 with a specimen with height variations. The lens 16 has field curvature aberration, which means that the flat slide 13 is sharply imaged in a curved image plane B. The plane of the sensor 26 is thus inclined relative to the image plane B. Now assume that the point-shaped object 14 is to be imaged with sensor 26 and that the slide 13 is in the position shown in broken lines. In this mode, the dot-worm object 14 is sharply imaged at a point located a bit above the sensor 26. One or more images are recorded with the sensor 26 and stored in the image memory 40. The image (s) are analyzed by the processor 42 by known methods to determine a value on how good the focus is.
Utifrån detta fokuseringsvärde bestämmer processorn 42 en styrsignal till styrmekanismen 44 som i sin tur styr x-y- rattarna 34 och via dessa x-y-mekanismen 36 till att förflytta objektglaset 13 med preparatet i x-riktningen till det läge som visas med heldragna linjer. Till följd av fältkrökningen kommer den punkt där det punktformiga objektet avbildas skarpt att flyttas närmare sensorn och i detta fall hamna precis i sensorns plan, varvid sålunda det punktformiga objektet 14 och ett litet område kring detta pà ungefär samma höjd avbildas skarpt pà sensorn.Based on this focus value, the processor 42 determines a control signal to the control mechanism 44 which in turn controls the x-y knobs 34 and via these the x-y mechanism 36 to move the slide 13 with the specimen in the x-direction to the position shown in solid lines. Due to the field curvature, the point where the point-shaped object is sharply imaged will be moved closer to the sensor and in this case end up exactly in the plane of the sensor, thus the point-shaped object 14 and a small area around it at approximately the same height are sharply imaged on the sensor.
Hela sensorns 26 yta kan sàledes inte utnyttjas för skarp avbildning, men detta är sàsom beskrivits ovan inget större problem.The entire surface of the sensor 26 can thus not be used for sharp imaging, but this is, as described above, no major problem.
Den ovan beskrivna utföringsformen med offset-monte- ring av sensorn är den mest föredragna.The above-described embodiment with offset mounting of the sensor is the most preferred.
Som ett alternativ kan sensorn monteras med lutning i förhållande till objektivets optiska axel. Normalt mon- terar man en plan sensor sä att den är vinkelrät mot och centrerad pà den optiska axeln. För att möjliggöra fin- fokusering med hjälp av sidledsförflyttning, företrädes- vis förflyttnings vinkelrätt mot den optiska axeln, mon- terar man istället sensorn sä att normalen till sensorn bildar en vinkel med den optiska axeln. Principen för denna utföringsform visas i fig 7. Sensorn 26 har en normal N som bildar en vinkel med objektivets 16 optiska axel O. Om objektivet väsentligen saknar fältkröknings- aberration kommer ett plant objekt 14 att avbildas skarpt i ett bildplan B som är vinkelrätt mot den optiska axeln.As an alternative, the sensor can be mounted with inclination in relation to the optical axis of the lens. Normally, a flat sensor is mounted so that it is perpendicular to and centered on the optical axis. To enable fine focusing by means of lateral movement, preferably movement perpendicular to the optical axis, the sensor is mounted instead so that the normal to the sensor forms an angle with the optical axis. The principle of this embodiment is shown in Fig. 7. The sensor 26 has a normal N which forms an angle with the optical axis O of the lens 16. If the lens substantially lacks field curvature aberration, a flat object 14 will be sharply imaged in an image plane B perpendicular to it. optical axis.
Detta betyder att endast en liten del av det plana objek- 10 15 515 817 w ' = ,j, Ur. 18 tet 14 avbildas skarpt pà sensorn 26, men att fokusering- sändring kan ske pà basis av sidledsförflyttning pà samma sätt som har beskrivits ovan med hänvisning till fig 6.This means that only a small part of the planar object 10 '515 817 w' =, j, Ur. Fig. 14 is sharply imaged on the sensor 26, but that the change of focus can take place on the basis of lateral movement in the same manner as has been described above with reference to Fig. 6.
I en tredje variant, som visas i fig 8, monterar man en plan sensor 26 pà traditionellt sätt, dvs vinkelrätt mot och centrerat pà den optiska axeln O för ett objektiv 16. Däremot monterar man ett objekt 14 i ett lutande plan pà så sätt att det kan flyttas i det lutande planet. Om objektet 14 är plant avbildas det skarpt i ett bildplan B som lutar i förhållande till sensorns 26 plan. Detta be- tyder att bara en liten del av objektet avbildas skarpt pà sensorn, men att fokuseringsändring kan àstadkommas genom att förflytta objektet i det lutande planet.In a third variant, shown in Fig. 8, a flat sensor 26 is mounted in the traditional manner, i.e. perpendicular to and centered on the optical axis 0 of a lens 16. On the other hand, an object 14 is mounted in an inclined plane in such a way that it can be moved in the inclined plane. If the object 14 is flat, it is sharply imaged in an image plane B which is inclined relative to the plane of the sensor 26. This means that only a small part of the object is sharply imaged on the sensor, but that a change of focus can be achieved by moving the object in the inclined plane.
I de ovan beskrivna utföringsformerna är sensorn plan, vilket är den idag enda förekommande formen hos en mikroskopsensor. Principen för uppfinningen fungerar emellertid lika bra för icke-plana sensorer.In the embodiments described above, the sensor is flat, which is today the only common form of a microscope sensor. However, the principle of the invention works equally well for non-planar sensors.
Claims (17)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE9904565A SE515817C2 (en) | 1999-12-14 | 1999-12-14 | Microscope in which the change of focus is achieved by moving the object using the same components as are used for scanning thereby reducing the cost of manufacture. |
| AU24166/01A AU2416601A (en) | 1999-12-14 | 2000-12-14 | Microscopic device |
| PCT/SE2000/002521 WO2001044856A1 (en) | 1999-12-14 | 2000-12-14 | Microscopic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE9904565A SE515817C2 (en) | 1999-12-14 | 1999-12-14 | Microscope in which the change of focus is achieved by moving the object using the same components as are used for scanning thereby reducing the cost of manufacture. |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SE9904565D0 SE9904565D0 (en) | 1999-12-14 |
| SE9904565L SE9904565L (en) | 2001-06-15 |
| SE515817C2 true SE515817C2 (en) | 2001-10-15 |
Family
ID=20418113
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SE9904565A SE515817C2 (en) | 1999-12-14 | 1999-12-14 | Microscope in which the change of focus is achieved by moving the object using the same components as are used for scanning thereby reducing the cost of manufacture. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| SE (1) | SE515817C2 (en) |
-
1999
- 1999-12-14 SE SE9904565A patent/SE515817C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SE9904565D0 (en) | 1999-12-14 |
| SE9904565L (en) | 2001-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7660523B2 (en) | Intermittent photo-taking device | |
| US10330906B2 (en) | Imaging assemblies with rapid sample auto-focusing | |
| US5990947A (en) | Photographing apparatus and lens position control device | |
| JP4915071B2 (en) | Microscope and virtual slide creation system | |
| US4634240A (en) | Optical apparatus using polarized light | |
| JPH02118609A (en) | Automatically focusing method and apparatus for microscope | |
| JP5572024B2 (en) | Lens device | |
| JP2007256956A (en) | Imaging apparatus equipped with variable focal length constant magnification lens assembly, and imaging method using this imaging apparatus | |
| JP3082330B2 (en) | microscope | |
| JPS62131219A (en) | Automatic focusing microscope | |
| EP0844505A2 (en) | Variable-inclination-angle lens-barrel for microscopes and microscope system | |
| US5144478A (en) | Microscope including first and second stages in conjugate planes | |
| JP4766591B2 (en) | microscope | |
| JP3917952B2 (en) | Microscope system | |
| JP4493115B2 (en) | Optical element switching device and optical microscope equipped with the device | |
| EP1377865A1 (en) | A method in microscopy and a microscope, where subimages are recorded and puzzled in the same coordinate system to enable a precise positioning of the microscope stage | |
| US6795240B2 (en) | Microscope system | |
| SE515817C2 (en) | Microscope in which the change of focus is achieved by moving the object using the same components as are used for scanning thereby reducing the cost of manufacture. | |
| JPH1010597A (en) | Image blur preventing device and driving device | |
| US5940213A (en) | Anti-vibration telescope | |
| US11960070B2 (en) | Method for capturing a relative alignment of a surface | |
| JPH07261095A (en) | Stereoscopic vision microscope and operation thereof | |
| JPH1026785A (en) | Image blur preventing device and driving device | |
| JP2002328309A (en) | Sample support device | |
| JP2919017B2 (en) | microscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NUG | Patent has lapsed |