DE2812593C2

DE2812593C2 - Vorrichtung zur automatischen Fokussierung des optischen Systems eines Mikroskops

Info

Publication number: DE2812593C2
Application number: DE2812593A
Authority: DE
Inventors: Nagahiro Hachioji Tokyo Gocho; Shinichi Hino Tokyo Kamachi
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1982-07-15
Also published as: US4203031A; JPS53116852A; DE2812593A1

Description

= Σ

I- I

,'- Pi-η)²

und

S" = Σ (Ρ,^π-

30

35

durch zwei jeweils einem Analog-Digital-Umsetzer (11, 12) nachgeschaltete Rechenwerke (15, 16; 31, 32) aus den Dichteinformationssignalen P, und P",-h ^o der von den photoelektrischen Wandlerelementen (7, 8) vor (Index') und hinter (Index") der Bildebene empfangenen Bildelemente / und i—h gebildet werden,

daß die mit h = 1 oder 2 oder 3 oder... so gewonnenen Summensignale 5' und S" in der Vergleichsschaltung (20) miteinander verglichen werden

und daß die den Abstand der der Bildung der Summensignale 5' und 5" jeweils zugrundeliegen- ;o den Paare der Bildelemente bestimmende Größe h vorgebbar ist (über Vorgabeschaltung 19 oder über Vorgabeschaltung 47 und Umschalter 45,46).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rechenwerk (31, 32) jeweils zwei Unterrechenwerke (33,37,41 und 35,39,43 bzw. 34, 38, 42 und 36, 40, 44) aufweist, mit denen jeweils die Summensignale S'h ι. S'h ₂ bzw. S"h ι und S"* ι für zwei unterschiedliche Werte der Größe h (h\, Λ2) gebildet werden, von denen jeweils die Summensignale S'h\ und S"h] bzw. Sa₂ und S"_h2 über Umschalter (45 bzw. 46) an die Vergleichsschaltung (20) gelangen

und daß über einen Vorgabeschalter (47) die Umschalter (45 und 46) zur Weiterleitung entweder der Summensignale S'h ι und S"h ι oder der Summensignale S'h ,7 und S"h 2 betätigbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Vergleichsschaltung (20) Zwischenspeicher (17, 18) für die jeweils zu vergleichenden Summensignale S'und 5"vorgeschaltet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß als photoelektrische Wandlerelemente zwei einzelne photoelektrische Wandlerelemente (7, 8) vorgesehen sind, auf die nacheinander die Bildelemente über einen vorgeschalteten Dreh- oder Schwingspiegel (5) gerichtet werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß als photoelektrische Wandlerelemente zwei Flächenbildsensoren vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung des optischen Systems eines Mikroskops nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.

Es ist bereits bekannt, die automatische Fokussierung eines optischen Systems durch photoelektrisches Ausmessen der Schwankung der Abbildungsschärfe eines Objekts zu erreichen. Dazu wird ein photoelektrisches Wandlerelement verwendet, welches die Beleuchtungsstärkeverteilung des Bildes in ein entsprechendes elektrisches Signal umsetzt, welches dann in geeigneter Weise verarbeitet wird, um einen Fokussiermotor anzusteuern. Da das Signal dabei analog verarbeitet wird, führt dies zu einer komplexen Anordnung und einer langsamen Fokussierung. Die erreichte Genauigkeit läßt sehr zu wünschen übrig.

Es ist auch eine ähnliche automatische Fokussierung bekannt (DE-OS 26 21 621), bei der es sich lediglich um die digitalisierte Version der analogen Verarbeitungsanordnung ohne Abtastvorrichtung für zwei Bilder handelt. Die Nachteile der analogen Verarbeitungsanordnung sind daher nicht vermieden.

Es sind daher Fokussiervorrichtungen für Kameras mit Kontrastmessung zweier Teilbilder, die nach dem Schnittbildverfahren arbeiten (DE-OS 20 63 705), vorgeschlagen worden. Bei solchen Fokussiervorrichtungen nach dem Schnittbildverfahren, bei denen zwei Teilbilder in der gleichen Ebene abgetastet werden, isi die digitale Verarbeitung üblich. Sie setzt aber gut strukturierte oder konturierte Abbildungen voraus.

Bei einer nach der Kontrastmessung arbeitenden Fokussiervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 (DE-OS 24 55 407), die ebenfalls für Photo- und Filmkameras bestimmt ist, werden dicht nebeneinanderliegende Bildpunkte oder derselbe Punkt jeweils vor und hinter der Bildebene abgetastet. Konturlose Bilder lassen sich nicht genau und schnell fokussieren.

Bei der Verwendung einer automatischen Fokussiervorrichtung an einem Mikroskop ist zu berücksichtigen, daß die Probe oder das Präparat vielfach nicht scharf begrenzt oder genau definiert ist, also keine hinreichend scharfen Konturen hat. Deshalb war bisher eine zufriedenstellende Fokussierung mit hoher Genauigkeit oder gar die befriedigende Fokussierung selbst an einem Mikroskop kaum zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung des

optischen Systems eines Mikroskops zu schaffen, das unterschiedlich strukturierten Präparaten angepaßt werden kann und mit hoher Genauigkeit und schnell arbeitet

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Vorrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung wird jedes Signal eines photoelektrischen Wandlereiements in eine digitale Größe umgesetzt, um ein Beleuchtungsstärkesignal P des zugehörigen Bildelements / und i—h zu erhalten. Durch zwei Speicher sowie zwei Rechenwerke werden die Beleuchtungsstärkesignale unmittelbar (h = 1) oder weiter Qi = 2, 3, 4...) benachbarter Bildpunkte / und i—h jeweils vor (Index') und hinter (Index") der Bildebene gemäß der angegebenen Auswertfunktion zu den Summensignalen S'und S" ausgewertet und, wie an sich bekannt, insbes. nach Zwischenspeicherung, über eine Vergleichsschaltung zum Fokussiersignal verarbeitet. Das Rechenwerk ist derart ausgelegt, daß nicht nur unmittelbar benachbarte Büdpunkte /und /— 1 (h — !), wie dies an sich bekannt ist (DE-OS 26 39 62ϋ), sondern auch weiter auseinanderliegende Bildpunkte i—h (h = 2, 3, 4...) ausgewertet werden können. Beim Wechsel der speziellen Auswertfunktion bzw. des Abstandes der der Summenbildung jeweils zugrundezulegenden Paare der Bildelemente /und /-Aläßt sich das Prüfungsniveau der Schärfeneinstellung schnell verbessern, so daß es von feinerer zu gröberer Stnjktur des Objekts reicht. Sieht man mehrere Abtastvorgänge und das Zwischenspeichern der Informationen einzelner Abtastvorgänge vor, so wird die Fokussiergenauigkeii selbst für solche Objekte bzw. Präparate verbessert, die nicht exakt scharf abbildbar sind.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer automatischen Fokussiervorrichtung und

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer automatischen Fokussiereinrichtung.

In Fig. 1 ist ein Mikroskop mit einem optischen System bzw. Objektiv 1 oberhalb eines Objckttisches 2a. auf dem ein Präparat oder Objekt 2 liegt, dargestellt. Der Objekttisch 2a ist mittels eines Fokussiermotors M einer Fokussiereinrichtung in Richtung der optischen Achse hin- und herbewegbar. Das Objekt 2 auf dem Objekttisch 2a wird von einer Lichtquelle 3 durch eine Kondensorlinse 4 beleuchtet. Das durch das Objektiv 1 hindurchtretende Bild gelangt über einen Dreh- oder Schwingspiegel 5 auf einen, an sich bei Scharfeinstellvorrichtungen bekannten (DE-OS 26 15 841), halbdurchlässigen Spiegel 6 als Strahlenteiler, welcher den Lichtstrahl in zwei Strahlenteile aufteilt, welche durch Lochblenden 9 und 10 auf zwei photoelektrische Wandlerelemente 7 bzw. 8 fallen. So wird eine Reihe von zeitlich aufeinanderfolgenden Signalen von den Wandlerelementen 7 und 8 erzeugt. Die Lochblenden 9 und 10 sind vor den zugehörigen Wandlerelementen 7 und 8 so angeordnet, daß die Lochblende 9 hinter der Bildebene 2" des Objekts und die Lochblende IQ vor der Bildebene 2" des Objekts liegt.

Die photoelektrischen Wandlerelemente 7 und 8 sind jeweils an einen Analog-Digital-Umsetzer 11 bzw. 12 angeschlossen, an die ihrerseits jeweils ein Speicher 13 bzw. 14 angesch'ossen ist, deren Ausgangssignali jeweils an ein Rechenwerk 15 bzw. 16 für die Signalauswertung nach einer Auswertfunktion angelegt sind. Aus den Beleuchtungsstärkesignalen P', und P',-_h sowie P", und Ρ",--λ ι'Λ = I oder 2 oder 3...) der einzelnen Bildelemente /und i—h kann jedes Rechenwerk 15 und 16 die Auswertiunktion Σ. (P,-Pi-hY ί auswerten. Auf diese Weise wird eine Schwankung im Kontrast oder ein differentieller Kontrast zwischen benachbarten Bildelementen oder zwischen im Abstand von h Bildelementen liegenden Bildelementen erfaßt. Die Auswertfunktion für die den Abstand der

in Bildelemente bestimmende Größe h von wenigstens 2 läßt sich zweckmäßigerweise zur Fokussierung eines Bildes wählen, welches viele Bestandteile geringer Ortsbzw. Raumfrequenz, also Bildbestandteile mit geringer Dichteschwankung, hat Die Auswahl dieser Auswertfunktion oder einer anderen beliebigen Auswertfunktion wird von einer Vorgabeschaliung 19 bestimmt, die an beide Rechenschaltkreise 15 und 16 angeschlossen ist und vorgibt, welche Bildelemen'e / und i—h der Summenbildung S'und 5"zugrundegelegt werden.

zn Der Ausgang der Rechenwerke 15 und 16 ist an einen Zwischenspeicher 17 bzw. 18 an?~schlossen, welcher seinerseits das Eingangssignal für eine Vergleichsschaltung 20 liefert, die ein aus der Differenz der aus den Summensignalen S'bzw. 5"gebildeten Kontrastsignale gebildetes Fokussiersignal an einen Fokussierr,.otor M abgibt, um diesen derart anzusteuern, daß er den Objekttisch 20 in der zum Fokussieren erforderlichen Richtung bewegt.
Die Abbildung des von dem Schwingspiegel abgeta

Jo steten Objekts 2 vor de Wandlereiemenie 7 und 8 führt zur Erzeugung von Dichteinformationssignalen, die digitalisiert und gespeichert werden. Die von den Rechenwerken 15 und 16 errechneten Werte der Auswertfunktion werden in den Zwischenspeichern 17 j und 18 angesammelt. Diese können die Auswertfunktion entweder während einer einzigen Abtastung oder während mehrerer Abtastvorgänge speichern. Die Summe der in den Zwischenspeichern 17 und 18 gespeicherten Signale wird der Vergleichsschaltung 20

■»<> zugeführt. Jede Differenz zwischen den Summen wird an die Fokussiersteuerschaltung 21 abgegeben. Die C^:5ferenz bestimmt nach Größe und Richtung die erforderliche Bewegung des Objekttischs 2a. Dementsprechend wird der Fokussiermotor M durch ein

·>-' Ausgangssignal der Fokussiersteuerschaltung 21 erregt, um die Schärfeeinstellung zu vervollständigen.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Fokussierung durch eine Bewegung des Objekttisches 2a in Richtung der Objektachse über den

V' Fokussiermotor M. Statt des Objekttisches 2a kann auch das Objektiv 1 in ähnlicher Weise bewegt werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Gesamtanordnung ist ähnlich der des vorhs-igen Ausführungsbeispiels, jedoch mit dem

"'"· Unterschied, daß die auf die Speicher 13 und 14 folgende Schaltung abgewindelt ist.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 liegt das Ausgangssigna¹ der Speicher 13 und 14 jeweils an einem Rechenwerk 31 bzw. 32 für die Auswertfunktion an.

*>« Jedes dieser Rechenwerke weist zwei Unterrechenwerke für je eine Festwert-Auswertfunktion auf. Das erste, in Fig. 2 obere Unterrechenwerk hat ein Rechenwerk 33 für die Funktion (P',-P^₁) (h » l), einen Quadrierer 37 und einen damit in Reihe geschalteten Addierer

t>5 41. Das zweite, in F i g. 2 untere Unterrechenwerk hat in Reihe geschaltet ein Rechenwerk 35 für die Funktion (P',-P'i-i) (h = 2), einen Quadrierer 39 und einen Addierer 43. Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß beide

Schaltungen parallel zueinander geschaltet sind und daß deren Ausgangssignale jeweils an einen Umschalter 45 geführt sind. In gleicher Weise weist auch das Rechenwerk 32 zwei Unterrechenwerke auf, von denen das erste aus einem Rechenwerk 34 für die Funktion (P',-}'', ι), einem Quadrierer 38 sowie einem Addierer 42 und das zweite Unterrechenwerk aus einem Rechenwerk 36 für die Funktion (P",-P" >). einem Quadrierer 40 und einem Addierer 44 besteht. Die beiden Ausgänge dieser Unterrechenwerke sind an einen Umschalter 46 geführt.

Aufpabc der Umschalter 45 und 46 ist es. für ein Umschalten /wischen dem jeweils ersten und /weilen Unterrechenwerk in den beiden Rechenwerken ?l b/w. U /ti sorgen. Das Umschalten erfolgt mittels einer Vorgabeschaltung 47 für die zu verwendende Auswcrtfunktion b/w. die Große h = 1 (h 1) oder /; = 2 (hl) Wenn jeweils das obere Unterrechenwerk gewählt wird, ist die errechnete Auswertftinktion ^ (P- P )^:.

gewährleisten, daß immer dann durch die Fokussiersteuerschaltung 21 ein Steuersignal abgegeben wird, wenn das Ausgangssignal der Zwischenspeicher 17 und 18 einen vorgegebenen Wert erreicht, der ausreicht, um ' einen zufriedenstellenden schnellen Fokussiervorgang zu ermöglichen.

Da die Arbeitsweise des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. I stark ähnelt, wird sie nicht noch einmal beschrieben.

Es zeigt sich also, daß ein Rechenwerk verwendet werden kann, in das. wie in F i g. 1 gezeigt, die Größe h der Auswertfunktion £ (P- P- 0" eingegeben werden kann, oder, als Alternative, ein Rechenwerk, das ■ aufgrund von /wei Unterrechenwerken die Möglichkeit bietet, die eine oder andere von zwei Fesiw ert-Auswertfunktionen für unterschiedliche vorgegebene Werte der Größe /; auszuwählen, wie dies F ι g. 2 zeigt.

Ferner kann die dargestellte Abtastung durch die

wanrenci sic Dei warn tics uiiicit-ii ι 'HiriTOLnOn'iVcrKS \(P-P :)^;ist.

Die Ausgänge der Umschalter 45 und 46 führen an die /wischenspeicher 17 und 18. deren Ausgangssignale auf die Vergleichsschaltung 20 gegeben werden. Sie \ersorgen auch eine Antriebssteuerschaltung 48. die ihrerseits Signale an die Fokussiersteuerschaltung 21 iTibt. Aufgabe der Antriebssteuerschaltung 48 ist es. hohe Genauigkeit beim Fokussiervorgang bei mehr und weniger stark konturierten Abbildungen dadurch zu j tiiiu u tu

und 10 vor und hinter den Bildebenen 2" und den zwei ein/einen photoelektrischen Wandlerelementen 7 und 8 auch durch die Spiegel 5 und 6. wenn der Spiegel 5 stillsteht, in Verbindung mit bekannten Flächenbildsensoren vor und hinter den Bildebenen 2" ersetzt sein. Der Spiegel 5 kann auch ganz entfallen, wenn das optische System I derart angeordnet ist, daß es unmittelbar über den Strahlenteiler auf die Bildebenen 2" abbildet.

1 I:ji/u 2 lil.itt

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur automatischen Fokussierung des optischen Systems eines Mikroskops,

mit einer ersten Anordnung photoelektrischer Wandlerelemente vor und einer zweiten Anordnung photoelektrischer Wandlerelemente hinter einer Bildebene des optischen Systems,
wobei durch jede der beiden Anordnungen photo- ίο elektrischer Wandlerelemente das durch einen Strahlenteiler aufgeteilte Licht benachbarter Bildelemente in Beleuchtungsstärkesignale umgewandelt wird, aus denen jeweils mittels einer Umsetzerschaltung ein erstes bzw. zweites Kontrastsignal erzeugt und jeweils in einem Zwischenspeicher (Schieberegister) gespeichert werden,
das gespeicherte erste und zweite Kontrastsignal in einer Vergleichsschaltung miteinander verglichen werden und das optische System bis zum Verschwinden eines durch die Vergleichsschaltung aus der Differenz der Kontrastsignale gebildeten Fokussiersignals nachfokussiert wird,

dadurchgekennzeichnet,

daß die Kontrastsignale als Summensignale