WO2009118005A1 - Vorrichtung und verfahren zur autofokussierung von optischen geräten, insbesondere von mikroskopen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur autofokussierung von optischen geräten, insbesondere von mikroskopen Download PDF

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WO2009118005A1
WO2009118005A1 PCT/DE2009/075014 DE2009075014W WO2009118005A1 WO 2009118005 A1 WO2009118005 A1 WO 2009118005A1 DE 2009075014 W DE2009075014 W DE 2009075014W WO 2009118005 A1 WO2009118005 A1 WO 2009118005A1
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WO
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lens
observation object
reflection image
objective
slide
Prior art date
Application number
PCT/DE2009/075014
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English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Bonsen
Stefan Hummel
Matthias Pirsch
Original Assignee
Synentec Gmbh
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/24—Base structure
    • G02B21/241—Devices for focusing
    • G02B21/245—Devices for focusing using auxiliary sources, detectors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/0088—Inverse microscopes
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B13/00—Viewfinders; Focusing aids for cameras; Means for focusing for cameras; Autofocus systems for cameras
    • G03B13/32—Means for focusing
    • G03B13/34—Power focusing
    • G03B13/36—Autofocus systems

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for autofocusing of optical devices, in particular of microscopes.
  • Triangulation a laser beam at a certain angle to the observation object, such as a microscope slide, directed and the reflected beam measured with a CCD chip.
  • a change in the distance between the laser and the object to be observed then manifests itself in a lateral displacement of the reflected laser beam on the CCD chip. This information can be evaluated and thus the focus adjustment corrected.
  • a disadvantage of this method is its low accuracy, which is not sufficient for precise focusing, especially with microscopes.
  • Another method is the confocal measuring device in question.
  • the reflected focus of a laser beam is imaged on a pinhole and determines the maximum of the intensity with the course of the focus position.
  • this method is very susceptible to interference.
  • the object of the invention is therefore to propose an apparatus and a method by which a high-precision and robust autofocusing of optical devices, in particular of microscopes, is achieved.
  • the device comprises a measuring light source and a lens for imaging an emanating from the measuring light source in Having substantially parallel beam on an observation object to produce a reflection image of a conic section with concentric circles, wherein an evaluation and adjustment unit is provided which is adapted to determine from the reflection image, the focus position and to position the lens.
  • the parallel beam falls on an objective lens, which projects the light onto the planes of the slide.
  • the light is focused cone-shaped.
  • These cones are cut through the slide and so-called conic sections are formed.
  • the intensity of the light rays reflected at the surface of the slide depends on the polarization, the angle of incidence and the refractive indices of the media. If, for example, a measurement light beam polarized parallel to the plane of incidence strikes the slide exactly at the Brewster angle, then it will not be reflected at all. Due to the different angles of incidence of the rays of the conic section thus results in an inhomogeneous distribution of brightness of the reflected light, the intensity of which increases towards the edge of the conic section. As a result, concentric rings are produced on both the top and the bottom of the slide, which are reflected to the lens.
  • the distance between the objective and the observation object can be determined directly from the diameter of the rings and the objective can be focused on the observation object by means of the adjustment unit.
  • Light is also understood as electromagnetic waves from the infrared to the ultraviolet range.
  • a camera in particular with a CMOS chip, is furthermore provided for the device. The camera can be used to record the reflection image.
  • the observation object can be detected with the camera, for example in a microscope. This can alternatively be done with an additional detector camera.
  • the evaluation and adjustment unit is designed such that between a start and an end position, the reflection images are sequentially recorded and evaluated in each case at different distances between the lens and the observation object. Surprisingly, the accuracy of the focusing can thereby be significantly improved again, since the information on focal position is obtained from the comparison of the different reflection images at different distances.
  • a stepping motor electric drive unit, in particular a stepping motor
  • the evaluation unit is set up in such a way that all pixels of a respective image of a reflection image whose brightness is above a defined threshold value are added, whereby a measurement curve is formed in which each distance between the objective and the observation object is assigned a specific numerical value.
  • This type of evaluation does not require a complex image recognition process and is therefore very fast. It therefore has the advantage of being feasible in real time.
  • the distances, in each case a recording of a reflection image, are time and / or location-marked, so that they are in the evaluation of a Recording a reflection image can each assign a position of the lens.
  • the evaluation and adjustment unit is therefore advantageously set up such that a first maximum and a subsequent minimum of the measurement curve are calculated and the distance between the objective and the observation object is set, which corresponds to the value of the measurement curve assigned to the minimum.
  • the light source is a laser
  • an optimal source of monochromatic and coherent light is available.
  • a laser with a wavelength of 785 nm has proven particularly suitable.
  • Another advantage is that the laser can also be used as excitation light, for example in fluorescence microscopy.
  • a lens for expanding the emitted beam and a collimating lens for parallelizing the expanded beam are provided.
  • its diameter preferably corresponds approximately to the diameter of the opening of the objective lens, whereby the accuracy of the measurement is improved and the evaluation is facilitated.
  • the laser power is controllable depending on the optics of the device or filters used. As a result, the device can be adapted automatically to different measuring conditions.
  • the observation object may be a glass, plastic or metal slide on which an object to be examined is applied.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of
  • FIG. 2b shows a detail view of the objective with focus passage through the slide and the associated reflection image in an intermediate position
  • FIG. 2c shows a detailed view of the objective with focus passage through the slide and the associated reflection image in an intermediate position
  • Figure 2d is a detail view of the lens with focus passage through the
  • Figure 2e is a detail view of the lens with focus passage through the
  • Figure 3 is a schematic representation of a series of reflection images with concentric rings
  • FIG. 4 shows a measurement curve calculated from various reflection images
  • Figure 5 is a schematic representation of another embodiment of the
  • Figure 6 is a schematic representation of another embodiment of the
  • Figure 7 is a schematic representation of another embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device for autofocusing 1.
  • the device is in this case designed as a microscope.
  • This has a switchable continuous laser 2, which emits a laser beam of 785 nm in operation.
  • a refractive or diffractive lens 14 is arranged, which expands the laser beam.
  • the expanded laser beam 4 is passed through a beam splitter 17 in the beam path of the device 1.
  • the beam splitter 17 reflects and transmits the laser light to approximately equal parts.
  • the laser beam 4 is then coupled via a selectively transparent mirror 19 in the beam path of the microscope 1.
  • the selective transparent mirror 19 may be a dichroic or polychroic mirror.
  • the expanded laser beam 4 is parallelized by means of a collimating lens 20 arranged in a tube and then coupled into an objective 3.
  • the microscope 1 has a laser beam path 4, a measuring beam path 16 and a detection beam path 15, wherein the
  • a filter 13 and a dichroic beam splitter 18 are further provided.
  • the objective 3 which serves as the focusing optics, focuses the parallelized laser beam 4 into a diffraction-limited focus 21, wherein the aperture of the objective lens 3 and the laser beam 4 have approximately the same diameter.
  • the laser beam 4 is imaged on a slide 5 arranged behind the objective 3.
  • the slide 5 has a bottom 29 and an upper surface 30, with the lower surface 29 facing the lens 3.
  • On the upper surface 30 of the slide 5 is a (not shown) observation object 31 arranged.
  • On the upper surface 30 is also a suitable medium for the observation object, such as an aqueous buffer solution.
  • the evaluation unit is connected to an adjustment unit (likewise not shown), which can change the position of the objective 3 and thus focus the microscope 1.
  • the focused image of the observation object on the slide 5 is coupled out as a measuring beam path 16 through the selectively transparent mirror 19 and passed into a measuring camera 27 and recorded.
  • Figures 2a to 2e show detailed views of the lens 3 with focus passage through the slide 5 and the associated reflection image 6, which arises in the respective positions of the lens 3. The different positions corresponding to different distances between the lens 3 and slide 5.
  • the reflection image 6 is initially shown, which arises in a start position of the objective 3.
  • the laser light 4 is focused by the objective 3, with the objective 3 and the slide 5 having such a distance from one another that the focus 21 lies approximately in the upper third between the objective 3 and the slide 5.
  • the outer ring 22 is shown in dashed lines and the outer ring 22 is shown interrupted. This is to clarify that in the focus position or the distance between lens 3 and slide 5 shown in Fig. 2a, the outer ring 22 has a lower brightness or intensity than the inner ring 22.
  • the different intensities of the rings 22 come about in that the inner ring 22 is formed by reflection on the lower surface 29 of the slide 5, which faces the objective 3.
  • the slide 5 is made of glass with a refractive index of about 1, 5 or greater. The reflection thus takes place at the transition between air and glass.
  • there is a brightness point 23 in the center which arises due to a phase jump in the reflection on the optically dense object carrier 5.
  • the distance between lens 3 and slide 5 can be changed by means of the adjustment unit (not shown), wherein the lens 3 is movable. But it is also possible that the slide 5 is movable.
  • An advantage of the device is that it can be axially positioned by the parallel coupling of the laser beam 4 into the measuring optics, without the distance of the focus 21 from the objective 3 changing.
  • the geometry of the light cone 4 does not change when the lens 3 is moved up or down for focusing.
  • FIGS. 2 b and 2 c show that the diameter of the concentric rings 22 decreases the closer the objective 3 is moved to the surface of the specimen slide 5.
  • the focus 21 is exactly on the surface of the slide 5 and the concentric rings 22 have the smallest diameter. If the objective 3 is moved even farther to the slide 5, as shown in FIGS. 2d and 2e, then the diameters of the concentric rings 22 increase again. This effect is again illustrated in FIG. 3, in which the changes in the concentric rings 22 at different distances between the objective 3 and the slide 5 are shown in a series of reflection images 6.
  • the reflection image 6 is additionally shown as a dashed square of the evaluation area 31. Only this area 31, which was determined empirically, is used for the image analysis.
  • the setting unit automatically moves the objective 3 initially into a defined starting position, this being defined by the objective 3 and the slide 5 having such a distance from one another that the focus 21 lies approximately in the upper third of the distance between the objective 3 and the slide 5. Then, the bottom of the slide 5 is searched. From there, the setting unit is oriented to find the top of the slide 5. For low magnifications, the setting unit moves the lens 3 directly under
  • the search of the respective surface ie the scanning in the axial direction is carried out by stepwise approach to the surface 29 of the slide 5, wherein the step size is equal in each case.
  • the generated reflection image 6 is picked up by the detector camera 9. This will take about 30 to 100 pictures.
  • the evaluation unit then adds from a recording all the pixels which lie within the evaluation region 31 and whose value or brightness is greater than a defined threshold value.
  • the threshold may be fixed or calculated from the recording's tone curve. For each individual recording, therefore, a certain numerical value results, with all values forming a measurement curve 24.
  • FIG. 4 shows such a measurement curve 24 calculated from various reflection images.
  • the ordinate plots the calculated numerical value for each reflection image against the distance between objective 3 and slide 5 in the abscissa.
  • this value increases when approaching the lens 3 to the lens 3 facing surface 29 of the slide 5 and forms a first maximum 25, then subsequently drop off again on further approximation to a minimum 26 and then rise again.
  • the focus 21 is then exactly on the lens 3 facing surface 29 of the slide 5, when the lens 3 is in exactly the position at which the minimum 26 of the trace 24 was measured.
  • the evaluation and adjustment unit determines the minimum 24 by a numerical method and adjusts the objective 3 to this position.
  • the image is in focus with high precision and can be recorded by the measuring camera 27.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of another embodiment of the device 1 for autofocusing.
  • further wavelength-selective optical elements can advantageously be brought into the measuring beam path 16 without having to be correspondingly transparent for the laser wavelength.
  • these are a filter 13 and a dichroic beam splitter 18.
  • the separate measuring beam path 16 requires an additional tube lens 28 for its imaging onto the measuring camera 27.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of another embodiment of the device 1, in which the laser beam 4 without beam splitter directly into the
  • the selective transparent mirror 19 preferably has a transmission to reflection ratio of about 50% for the corresponding laser wavelength of 785 nm.
  • only a single camera is used both as a measuring camera 27 for imaging the slide 5 and as a detector camera 9 used for autofocusing. This results in a simpler and cheaper construction.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a further embodiment of the device 1 for autofocusing, which, like the embodiment of FIG. 6, also requires only one camera 9, 27.
  • the detection beam path 15 and measuring beam path 16 are separated from the laser beam 4 by the selectively transparent mirror 19, whereby optical elements 13, 18, 28 can be brought into the detection beam path 15 and measurement beam path 16, which are not transparent to the laser beam 4.
  • these are a filter 13 and a dichroic beam splitter 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Autofokussierung von optischen Geraten, insbesondere von Mikroskopen. Um eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren vorzuschlagen, durch die eine hochprazise und robuste Autofokussierung von optischen Geraten, insbesondere von Mikroskopen, erzielt wird, wird vorgeschlagen, dass eine Messlichtquelle (2) und ein Objektiv (3) zur Abbildung eines von der Messlichtquelle (2) ausgehenden im Wesentlichen parallelen Strahlenb?ndels (4) auf ein Beobachtungsobjekt (5) vorgesehen sind, um ein Reflexionsbild (6) eines Kegelschnitts mit konzenthschen Kreisen (22) zu erzeugen, wobei weiterhin eine Auswerte- und Einstelleinheit vorgesehen ist, welche geeignet ist, aus dem Reflexionsbild (6) die Fokuslage zu ermitteln und das Objektiv (3) zu positionieren.

Description

Titel: Vorrichtung und Verfahren zur Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen Anmelder: SynenTec GmbH
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen.
Beim Gebrauch von optischen Geräten ist es oftmals notwendig, das Gerät auf ein Beobachtungsobjekt automatisch scharf zu stellen, insbesondere wenn Messreihen automatisiert durchgeführt werden müssen.
Dieses geschieht nach dem Stand der Technik mit dem so genannten
Triangulationsverfahren. Hierbei wird ein Laserstrahl unter einem bestimmten Winkel auf das Beobachtungsobjekt, beispielsweise ein Objektträger in einem Mikroskop, gerichtet und der reflektierte Strahl mit einem CCD-Chip gemessen. Eine Veränderung des Abstands zwischen Laser und Beobachtungsobjekt äußert sich dann in einer lateralen Verschiebung des reflektierten Laserstrahls auf dem CCD-Chip. Diese Information kann ausgewertet und damit die Fokuseinstellung korrigiert werden.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist seine geringe Genauigkeit, die für eine präzise Scharfstellung, gerade bei Mikroskopen, nicht ausreicht.
Als weitere Methode kommt die konfokale Messvorrichtung in Frage. Bei dieser Methode wird der reflektierte Fokus eines Laserstrahls auf ein Pinhole abgebildet und mit der Verlauf der Fokusposition das Maximum der Intensität bestimmt. Diese Methode ist allerdings sehr anfällig auf Störeinflüsse.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, durch die eine hochpräzise und robuste Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen, erzielt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Messlichtquelle und ein Objektiv zur Abbildung eines von der Messlichtquelle ausgehenden im Wesentlichen parallelen Strahlenbündels auf ein Beobachtungsobjekt aufweist, um ein Reflexionsbild eines Kegelschnitts mit konzentrischen Kreisen zu erzeugen, wobei eine Auswerte- und Einstelleinheit vorgesehen ist, welche geeignet ist, aus dem Reflexionsbild die Fokuslage zu ermitteln und das Objektiv zu positionieren.
Bei dieser Anordnung fällt das parallele Strahlenbündel auf eine Objektivlinse, welche das Licht auf die Ebenen des Objektträgers projiziert. Das Licht wird kegelförmig fokussiert. So erhält man bis zum Fokuspunkt einen konvergenten und nach dem Fokuspunkt einen divergenten Kegel. Diese Kegel werden durch den Objektträger geschnitten und es bilden sich so genannte Kegelschnitte. Hierbei treffen die Strahlen auf den Objektträger mit unterschiedlichen Winkeln auf, wobei der Winkel im Zentrum des Kegelschnitts null ist und zum Rand des Kegelschnitts hin kontinuierlich zunimmt. Strahlen mit gleichem Abstand vom Zentrum des Kegelschnitts, die also auf einem Kreis liegen, haben dabei den gleichen Einfallswinkel. Nach den fresnelschen Formeln hängt die Intensität von den an der Oberfläche des Objektträgers reflektierten Lichtstrahlen von der Polarisation, dem Einfallswinkel und den Brechzahlen der Medien ab. Trifft beispielsweise ein parallel zur Einfallsebene polarisierter Messlichtstrahl genau im Brewsterwinkel auf den Objektträger auf, dann wird er überhaupt nicht reflektiert. Aufgrund der unterschiedlichen Einfallswinkel der Strahlen des Kegelschnitts entsteht also eine inhomogene Helligkeitsverteilung des reflektierten Lichts, wobei dessen Intensität zum Rand des Kegelschnitts hin zunimmt. Dadurch werden sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite des Objektträger konzentrische Ringe erzeugt, welche zum Objektiv reflektiert werden.
Hierdurch entsteht ein charakteristisches Reflexionsbild aus konzentrischen
Ringen. Aus dem Durchmesser der Ringe lässt sich unter Berücksichtigung der optischen Dicke mittels der Auswerteeinheit direkt der Abstand zwischen Objektiv und Beobachtungsobjekt bestimmen und mittels der Einstelleinheit das Objektiv auf das Beobachtungsobjekt fokussieren. Als Licht werden auch elektromagnetische Wellen vom infraroten bis zum ultravioletten Bereich verstanden. Für die Vorrichtung ist weiterhin eine Kamera, insbesondere mit einem CMOS- Chip, vorgesehen. Mit der Kamera lässt sich das Reflexionsbild aufnehmen. Außerdem lässt sich mit der Kamera, etwa in einem Mikroskop, auch das Beobachtungsobjekt detektieren. Dieses kann alternativ auch mit einer zusätzlichen Detektorkamera erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerte- und Einstelleinheit derart ausgebildet, dass zwischen einer Start- und einer Endposition die Reflexionsbilder jeweils bei unterschiedlichen Abständen von Objektiv und Beobachtungsobjekt zueinander sequentiell aufgenommen und ausgewertet werden. Überraschenderweise lässt sich die Genauigkeit der Fokussierung hierdurch nochmals erheblich verbessern, da die Information über Fokuslage aus dem Vergleich der unterschiedlichen Reflexionsbilder bei verschiedenen Abständen gewonnen wird.
Die genaue Einstellung des Abstandes von Objektiv und Beobachtungsobjekt zueinander erfolgt dadurch, dass ein Schrittmotor (elektrische Antriebseinheit, insb. Schrittmotor) vorgesehen ist.
Die Auswerteeinheit ist so eingerichtet, dass alle Pixel jeweils einer Aufnahme eines Reflexionsbildes, deren Helligkeit über einem definierten Schwellenwert liegt, addiert werden, wobei eine Messkurve gebildet wird, bei der jedem Abstand zwischen Objektiv und Beobachtungsobjekt ein bestimmter numerischer Wert zugeordnet ist. Diese Art der Auswertung benötigt kein aufwändiges Bilderkennungsverfahren und ist deshalb sehr schnell. Es hat daher den Vorteil, auch in Echtzeit durchführbar zu sein.
Indem die Abstände, bei denen jeweils eine Aufnahme eines Reflexionsbildes erfolgt, äquidistant sind, ist eine einfachere Auswertung möglich, da nur die Startposition bekannt sein muss.
Die Abstände, bei denen jeweils eine Aufnahme eines Reflexionsbildes erfolgt, sind zeit- und/oder ortsmarkiert, damit sie sich bei der Auswertung einer Aufnahme eines Reflexionsbildes jeweils eine Position des Objektivs zuordnen lässt.
Aus experimentellen und theoretischen Untersuchungen hat sich ergeben, dass die Vorrichtung dann optimal fokussiert ist, wenn das Reflexionsbild zwischen Start- und Endposition die geringsten Hell/Dunkel-Unterschiede aufweist. Die Auswerte- und Einstelleinheit ist deshalb vorteilhafterweise so eingerichtet, dass ein erstes Maximum und ein darauf folgendes Minimum der Messkurve berechnet und der Abstand zwischen Objektiv und Beobachtungsobjekt so eingestellt wird, das dieser dem Minimum zugeordneten Wert der Messkurve entspricht.
Wenn die Lichtquelle ein Laser ist, steht eine optimale Quelle für monochromatisches und kohärentes Licht zur Verfügung. Als besonders geeignet hat sich ein Laser mit einer Wellenlänge von 785 nm erwiesen. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Laser auch als Anregungslicht, beispielsweise bei Fluoreszenzmikroskopie, verwendet werden kann.
Für den Laser sind eine Linse zur Aufweitung des emittierten Strahls und eine Kollimationslinse zur Parallelisierung des aufgeweiteten Strahls vorgesehen. Hierbei entspricht dessen Durchmesser vorzugsweise etwa dem Durchmesser der Öffnung der Objektivlinse, wodurch die Genauigkeit der Messung verbessert und die Auswertung erleichtert wird.
Die Laserleistung ist in Abhängigkeit von der verwendeten Optik der Vorrichtung oder zwischengeschaltete Filter steuerbar. Hierdurch kann die Vorrichtung unterschiedlichen Messbedingungen automatisch angepasst werden.
Das Beobachtungsobjekt kann ein Objektträger aus Glas, Kunststoff oder Metall sein, auf den ein zu untersuchender Gegenstand aufgebracht ist.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Vorrichtung zur Autofokussierung;
Figur 2a eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbild in einer
Startposition;
Figur 2b eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbilde in einer Zwischenposition;
Figur 2c eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbild in einer Zwischenposition;
Figur 2d eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den
Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbilde in einer weiteren Zwischenposition;
Figur 2e eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den
Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbild in einer weiteren Endposition;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Serie von Reflexionsbildern mit konzentrischen Ringen;
Figur 4 eine aus verschiedenen Reflexionsbildern berechnete Messkurve;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der
Vorrichtung zur Autofokussierung mit einer Detektorkamera; Figur 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der
Vorrichtung zur Autofokussierung mit direkter Einkoppelung des Laserstrahls und
Figur 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der
Vorrichtung zur Autofokussierung ohne zusätzliche Detektorkamera.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Autofokussierung 1. Die Vorrichtung ist hierbei als Mikroskop ausgebildet. Dieses weist einen schaltbaren Dauerlaser 2 auf, der im Betrieb einen Laserstrahl von 785 nm emittiert. Hinter dem Laser ist eine refraktive oder diffraktive Linse 14 angeordnet, welche den Laserstrahl aufweitet. Der aufgeweitete Laserstrahl 4 wird durch einen Strahlteiler 17 in den Strahlengang der Vorrichtung 1 geleitet. Der Strahlteiler 17 reflektiert und transmittiert das Laserlicht zu etwa gleichen Teilen. Der Laserstrahl 4 wird dann über einen selektivtransparenten Spiegel 19 in den Strahlengang des Mikroskops 1 eingekoppelt. Der selektivtransparente Spiegel 19 kann ein dichroitischer oder polychroitischer Spiegel sein. Der aufgeweitete Laserstrahl 4 wird mittels einer in einem Tubus angeordneten Kollimationslinse 20 parallelisiert und dann in ein Objektiv 3 eingekoppelt. Das Mikroskop 1 hat einen Laserstrahlengang 4, einen Messstrahlengang 16 und einen Detektionsstrahlengang 15, wobei die
Strahlengänge teilweise parallel verlaufen. Im Strahlengang sind weiterhin ein Filter 13 und ein dichroitischer Strahlteiler 18 vorgesehen.
Das Objektiv 3, welches als Fokussierungsoptik dient, bündelt den parallelisierten Laserstrahl 4 zu einem beugungsbegrenzten Fokus 21 , wobei die Öffnung der Objektivlinse 3 und Laserstrahl 4 etwa den gleichen Durchmesser haben. Der Laserstrahl 4 wird auf einem hinter dem Objektiv 3 angeordneten Objektträger 5 abgebildet. Der Objektträger 5 hat eine untere 29 und eine obere Oberfläche 30, wobei die untere Oberfläche 29 dem Objektiv 3 zugewandt ist. Auf der oberen Oberfläche 30 des Objektträgers 5 wird ein (nicht gezeigtes) Beobachtungsobjekt 31 angeordnet. Auf der oberen Oberfläche 30 befindet sich ebenfalls ein für das Beobachtungsobjekt geeignetes Medium, wie etwa eine wässrige Pufferlösung.
Bei einer Messung zur Bestimmung des Fokus wird der aufgeweitete und parallelisierte Laserstrahl 4 mit dem Objektiv 3 zu einem Lichtkegel 4 fokussiert, wobei der Winkel des Lichtkegels 4 von der Numerischen Apertur des Objektivs 3 abhängt. An der Grenzschicht zwischen Luft und der unteren Oberfläche 29 sowie der Grenzschicht zwischen der oberen Oberfläche 30 und der Pufferlösung wird der Lichtkegel 4 reflektiert, wodurch reflexionsbildende Teilstrahlen entstehen. Hierdurch bildet sich ein charakteristisches Reflexionsbild 6 aus konzentrischen Ringen 22 (siehe Figur 2a bis 2e). Dieses Reflexionsbild wird durch den
Detektionsstrahlengang 15 rückwärts durch den selektivtransparenten Spiegel 19 und durch den Strahlteiler 17 auf eine Detektorkamera 9 mit einem CMOS-Chip abgebildet und von einer damit verbundenen (nicht gezeigten) Auswerteeinheit verarbeitet. Die Auswerteeinheit ist mit einer (ebenfalls nicht gezeigten) Einstelleinheit verbunden, die die Position des Objektivs 3 verändern und so das Mikroskop 1 scharfstellen kann.
Das scharfgestellte Bild des Beobachtungsobjekts auf dem Objektträger 5 wird als Messstrahlengang 16 durch den selektivtransparenten Spiegel 19 ausgekoppelt und in eine Messkamera 27 geleitet und aufgenommen.
Die Figuren 2a bis 2e zeigen Detailansichten des Objektivs 3 mit Fokusdurchgang durch den Objektträger 5 und das dazugehörige Reflexionsbild 6, welches in den jeweiligen Positionen des Objektivs 3 entsteht. Die verschiedenen Positionen entsprechend dabei unterschiedlichen Abständen zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5.
In Figur 2a ist zunächst das Reflexionsbild 6 dargestellt, was in einer Startposition des Objektivs 3 entsteht. Das Laserlicht 4 wird vom Objektiv 3 gebündelt, wobei Objektiv 3 und Objektträger 5 einen derartigen Abstand zueinander aufweisen, dass der Fokus 21 etwa im oberen Drittel zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 liegt. Dabei entsteht ein charakteristisches Reflexionsbild 6 aus konzentrischen Ringen 22, welches ebenfalls schematisch dargestellt ist. Im Bild sind zwei Ringe 22 gezeigt, wobei der äußere Ring 22 gestrichelt und der äußere Ring 22 unterbrochen dargestellt ist. Hiermit soll verdeutlicht werden, dass bei der Fokuslage bzw. dem in Fig. 2a gezeigten Abstand zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 der äußere Ring 22 eine geringere Helligkeit bzw. Intensität hat als der innere Ring 22. Die unterschiedlichen Intensitäten der Ringe 22 kommen dadurch zustande, dass der innere Ring 22 durch Reflektion an der unteren Oberfläche 29 des Objektträgers 5 entsteht, die dem Objektiv 3 zugewandt ist. Der Objektträger 5 besteht aus Glas mit einer Brechzahl von ungefähr 1 ,5 oder größer. Die Reflektion erfolgt also am Übergang Luft/Glass. Auf der oberen Oberfläche 30 des Objektträgers 5 befindet sich dagegen eine (nicht gezeigte) Wasserschicht. Die Reflektion erfolgt hier am Übergang Glas/Wasser. Wasser hat mit 1 ,33 eine geringere Brechzahl als Glas. Da die Brechung und die Reflektion von dem Verhältnis der Brechzahlen der beiden Medien abhängen, ist die Intensität des äußeren Ringes 22 kleiner. Im Zentrum befindet sich außerdem einen Helligkeitspunkt 23, der durch einen Phasensprung bei der Reflexion am optisch dichten Objektträger 5 entsteht.
Der Abstand zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 kann mittels der Einstelleinheit (nicht gezeigt) verändert werden, wobei das Objektiv 3 verfahrbar ist. Es ist aber auch möglich, dass der Objektträger 5 verfahrbar ist. Ein Vorteil der Vorrichtung ist, dass durch die parallele Einkopplung des Laserstrahls 4 in die Messoptik diese axial positioniert werden kann, ohne dass sich der Abstand des Fokus 21 vom Objektiv 3 ändert. Die Geometrie des Lichtkegels 4 ändert sich also nicht, wenn das Objektiv 3 zur Fokussierung auf- oder abgefahren wird.
Die Figuren 2b und 2c zeigen, dass der Durchmesser der konzentrischen Ringe 22 abnimmt, je näher das Objektiv 3 an die Oberfläche des Objektträgers 5 herangefahren wird. In Figur 2c liegt der Fokus 21 genau auf der Oberfläche des Objektträgers 5 und die konzentrischen Ringe 22 haben den geringsten Durchmesser. Wird das Objektiv 3 noch weiter an den Objektträger 5 herangefahren, wie dies in den Figuren 2d und 2e gezeigt ist, dann nehmen die Durchmesser der konzentrischen Ringe 22 wieder zu. Dieser Effekt wird nochmals in der Figur 3 veranschaulicht, in der in einer Serie von Reflexionsbildern 6 die Veränderungen der konzentrischen Ringe 22 bei verschiedenen Abständen zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 gezeigt sind.
In das Reflexionsbild 6 ist zusätzlich als gestricheltes Quadrat der Auswertebereich 31 eingezeichnet. Lediglich dieser Bereich 31 , der empirisch bestimmt wurde, wird für die Bildauswertung genutzt.
Der Vorgang der Autofokussierung läuft nun erfindungsgemäß folgendermaßen ab:
Die Einstelleinheit fährt das Objektiv 3 automatisch zunächst in eine definierte Startposition, wobei diese dadurch definiert ist, dass Objektiv 3 und Objektträger 5 einen derartigen Abstand zueinander aufweisen, dass der Fokus 21 etwa im oberen Drittel des Abstandes zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 liegt. Dann wird die Unterseite des Objektträgers 5 gesucht. Von dort aus orientiert sich die Einstelleinheit, um die Oberseite des Objektträgers 5 zu finden. Für geringe Vergrößerungen fährt die Einstelleinheit das Objektiv 3 direkt unter
Berücksichtigung der optischen Dicke zur Oberseite des Objektträgers 5, bei großen Vergrößerungen erfolgt eine erneute Suche der Oberseite des Objektträgers 5 in einer feineren Auflösung.
Die Suche der jeweiligen Oberfläche, d.h. die Abrasterung in axialer Richtung erfolgt durch schrittweise Annäherung an die Oberfläche 29 des Objektträgers 5, wobei die Schrittweite jeweils gleich groß ist. Bei jedem Schritt, das heißt bei jedem Abstand, wird das erzeugte Reflexionsbild 6 von der Detektorkamera 9 aufgenommen. Auf diese Weise werden etwa 30 bis 100 Bilder aufgenommen. Die Auswerteeinheit addiert dann von einer Aufnahme alle Pixel, die innerhalb des Auswertebereichs 31 liegen und deren Wert, bzw. Helligkeit größer als ein definierter Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann fest eingestellt sein oder aus der Gradationskurve der Aufnahme berechnet werden. Für jede einzelne Aufnahme ergibt sich also ein bestimmter numerischer Wert, wobei alle Werte eine Messkurve 24 bilden. Figur 4 zeigt eine derartige, aus verschiedenen Reflexionsbildern berechnete Messkurve 24. Bei der Messkurve 24 ist in der Ordinate der berechnete numerische Wert für jedes Reflexionsbild gegen den Abstand von Objektiv 3 und Objektträger 5 in der Abszisse aufgetragen. Zunächst steigt dieser Wert bei Annährung des Objektivs 3 an die dem Objektiv 3 zugewandte Oberfläche 29 des Objektträgers 5 an und bildet ein erstes Maximum 25, um anschließend bei weiterer Annährung bis zu einem Minimum 26 wieder abzufallen und danach wieder anzusteigen.
Der Fokus 21 befindet sich dann genau auf der dem Objektiv 3 zugewandten Oberfläche 29 des Objektträgers 5, wenn das Objektiv 3 sich in genau der Position befindet, bei der das Minimum 26 der Messkurve 24 gemessen wurde. Die Auswerte- und Einstelleinheit bestimmt durch ein numerisches Verfahren das Minimum 24 und stellt das Objektiv 3 auf diese Position ein.
Damit ist das Bild mit hoher Präzision scharfgestellt und kann von der Messkamera 27 aufgenommen werden.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Autofokussierung. Bei dieser Anordnung 1 können vorteilhafterweise weitere wellenlängenselektive optische Elemente in den Messstrahlengang 16 gebracht werden, ohne dass sie für die Laserwellenlänge entsprechend transparent sein müssen. In der Figur 5 sind dies ein Filter 13 und ein dichroitischer Strahlteiler 18. Durch den getrennten Messstrahlengang 16 wird zu dessen Abbildung auf die Messkamera 27 eine zusätzliche Tubuslinse 28 benötigt.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1 , bei der der Laserstrahl 4 ohne Strahlteiler direkt in den
Strahlengang ein gekoppelt wird. In diesem Fall hat der selektivtransparente Spiegel 19 vorzugsweise ein Transmissions- zu Reflexionsverhältnis von ca. 50% für die entsprechende Laserwellenlänge von 785nm. Im Gegensatz zu den vorher gezeigten Ausführungsformen wird nur eine einzige Kamera sowohl als Messkamera 27 zur Abbildung des Objektträgers 5 als auch als Detektorkamera 9 für die Autofokussierung genutzt. Dadurch ergibt sich ein einfacherer und kostengünstigerer Aufbau.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Autofokussierung, die ebenfalls wie die Ausführungsform von Figur 6 nur eine Kamera 9, 27 benötigt. Im Unterschied dazu verlaufen der Detektionsstrahlengang 15 und Messstrahlengang 16 jedoch nach dem selektivtransparenten Spiegel 19 vom Laserstrahl 4 getrennt, wodurch optische Elemente 13, 18, 28 in den Detektionsstrahlengang 15 und Messstrahlengang 16 gebracht werden können, die für den Laserstrahl 4 nicht transparent sind. In der Figur 7 sind dies ein Filter 13 und ein dichroitischer Strahlteiler 18.
Bezugszeichenliste
1. Mikroskop
2. Messlichtquelle
3. Objektiv
4. Strahlenbündel
5. Objektträger
6. Reflexionsbild
9. Detektorkamera
10. Messkurve
11. Maximum der Messkurve
12. Minimum der Messkurve
13. Filter
14. Aufweitungslinse
15. Detektionsstrahlengang
16. Messstrahlengang
17. Strahlteiler
18. Dichroitischer Strahlteiler
19. Selektivtransparenter Spiegel 20. Kollimationslinse
21. Fokus
22. Ring
23. Helligkeitspunkt
24. Messkurve
25. Maximum 26. Minimum 27. Messkamera 28. Tubuslinse
29. Untere Oberfläche des Objektträgers
30. Obere Oberfläche des Objektträgers 31.Auswertebereich

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen, mit einer Messlichtquelle (2) und einem Objektiv (3) zur Abbildung eines von der Messlichtquelle (2) ausgehenden im Wesentlichen parallelen Strahlenbündels (4) auf ein Beobachtungsobjekt (5), um ein Reflexionsbild (6) eines Kegelschnitts mit konzentrischen Kreisen (22) zu erzeugen, wobei eine Auswerte- und Einstelleinheit vorgesehen ist, welche geeignet ist, aus dem Reflexionsbild (6) die Fokuslage zu ermitteln und das Objektiv (3) zu positionieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera (9), vorzugsweise mit einem CMOS-Chip, zur Aufnahme des Reflexionsbildes (6) und/oder des Beobachtungsobjektes (5) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Einstelleinheit ausgebildet ist, zwischen einer Start- und einer Endposition die Reflexionsbilder (6) jeweils bei unterschiedlichen Abständen von Objektiv (3) und Beobachtungsobjekt (5) zueinander sequentiell aufzunehmen und auszuwerten.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einstellung des Abstands von Objektiv (3) und Beobachtungsobjekt (5) zueinander ein den Schrittmotor vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, alle Pixel jeweils einer Aufnahme eines Reflexionsbildes (6), deren Helligkeit über einem definierten Schwellenwert liegt, zu addieren, so dass eine Messkurve (10) gebildet wird, bei der jedem Abstand zwischen Objektiv (3) und Beobachtungsobjekt (5) ein bestimmter numerischer Wert zugeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände, bei denen jeweils eine Aufnahme eines Reflexionsbildes (6) erfolgt, äquidistant sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände, bei denen jeweils eine Aufnahme eines Reflexionsbildes (6) erfolgt, zeit- und/oder ortsmarkiert sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Einstelleinheit so eingerichtet ist, ein erstes Maximum (11 ) und ein darauf folgendes Minimum (12) der Messkurve (10) zu berechnen und den Abstand zwischen Objektiv (3) und Beobachtungsobjekt (5) so einzustellen, das dieser dem Minimum (12) zugeordneten Wert der Messkurve (10) entspricht.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Laser (2) ist, vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 785 nm.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Laser (2) eine Linse (14) zur Aufweitung eines vom Laser (2) emittierten Strahls (4) und eine Kollimationslinse (16) zur Parallelisierung des aufgeweiteten Strahls (4) vorgesehen sind, wobei dessen Durchmesser vorzugsweise etwa dem Durchmesser der Öffnung einer Objektivlinse entspricht.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung in Abhängigkeit von der verwendeten Optik der Vorrichtung oder zwischengeschalteten Filtern (13) steuerbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsobjekt (5) ein Objektträger aus Glas, Kunststoff oder Metall ist.
13. Verfahren zur Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen, wobei ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel (4) einer Messlichtquelle (2) mit einem Objektiv (3) derart auf ein Beobachtungsobjekt (5) abgebildet wird, dass ein Reflexionsbild (6) eines Kegelschnitts mit konzentrischen Kreisen (22) erzeugt wird, aus dem Reflexionsbild (6) die Fokuslage ermittelt und das Objektiv (3) auf das Beobachtungsobjekt (5) fokussiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Start- und einer Endposition Reflexionsbilder (6) jeweils bei unterschiedlichen Abständen von Objektiv (3) und Beobachtungsobjekt (5) aufgenommen und ausgewertet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass alle Pixel jeweils einer Aufnahme eines Reflexionsbildes (6), deren Helligkeit über einem definierten Schwellenwert liegt, addiert werden und eine Messkurve (10) gebildet wird, bei der jedem Abstand zwischen Objektiv (3) und Beobachtungsobjekt (5) ein bestimmter numerischer Wert zugeordnet ist.
16. Verfahren nach Ansprüchen 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Maximum (11 ) und ein darauf folgendes Minimum (12) der Messkurve berechnet und der Abstand zwischen Objektiv (3) und Beobachtungsobjekt (5) so eingestellt wird, das dieser dem Minimum (12) zugeordneten Wert der Messkurve (10) entspricht.
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