DE3446727C2

DE3446727C2 - Autofokuseinrichtung für Mikroskope

Info

Publication number: DE3446727C2
Application number: DE19843446727
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr.rer.nat. 7080 Aalen Faltermeier
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1986-12-04
Also published as: DE3446727A1

Abstract

Die Autofokuseinrichtung besitzt einen Hilfsbeleuchtungsstrahlengang (12), der in den Strahlengang des Mikroskops ein- bzw. ausgespiegelt wird. Die Hilfsbeleuchtung wird von zwei nebeneinander in einer zur Pupille des Mikroskopobjektivs konjugierten Ebene angeordneten Lichtquellen (13a, 13b) erzeugt, die alternierend geschaltet sind. Zum Nachweis des Meßlichtbündels dient ein Detektor (29) in einer von einer Blende (24) einseitig begrenzten Luke des Hilfsbeleuchtungsstrahlenganges.

Description

In der Autofokuseinrichtung gemäß der Erfindung ist eine elektronische Anordnung vorgesehen, in der die Signale des bzw. der Empfänger im Takte der alternierend geschalteten Lichtquellen verarbeitcx werden. Dabei ist es zweckmäßig, eine weitere elektronische Schaltung vorzusehen, in der dem verarbeiteten Signal Offsetsparmungen einstellbarer Größe überlagert werden. Damit kann erreicht werden, daß die Autofokuseinrichtung entweder um einen vorbestimmten Betrag über oder unter 4er Schärfenebene einstellt, ohne daß optische Elemente verschoben werden müssen, was beispielsweise bei Objekten von Vorteil ist, die größere Höhendifferenzen aufweisen.

Außerdem können auf diese Weise Unterschiede in der Fokusdifferenz zwischen dem Licht der Hilfsbeleuchtung und der normalen mikroskopischen Beleuchtung korrigiert werden, die auf Unterschiede in der chromatischen Korrektion der verwendeten Objekte verschiedener Maßstabszahl zurückzuführen sind. In diesem Fall ist es besonders zweckmäßig, daß die Einstellung der Offsetspannungen mit der Umschaltung des Objektivrevolvers gekoppelt ist, da dies den Benutzer der Mühe enthebt, bei jedem Objektiv visuell erst einmal die Ebene zu bestimmen, auf die die Autofokuseinrichtung einstellen solL

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen.

F i g. 1 a ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels, das die wesentlichen optischen Komponenten der Autofokuseinrichtung zeigt;

Fig. Ib-Ie sind detailliertere Skizzen, die die optischen Verhältnisse in der Nähe des Detektors der Autofokuseinrichtung und die von ihm und der nachgeschalteten Elektronik abgegebenen Signale für verschiedene Fokussierzustände darstellt;

F i g. 2a ist die Prinzipskizze eines gegenüber den in F i g. 1 a dargestellten Ausführungsbeispiel leicht geänderten zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2b ist eine vergrößerte Darstellung des Sehfelds in der Ebene, in der der Detektor der Autofokuseinrichtung nach F i g. la oder F i g. 2a angeordnet ist;

F i g. 2c ist eine vergrößerte Ansicht der Sekundärlichtquelle 112 aus Fi g. 2a.

In F i g. 1 a sind die für das Verständnis der Erfindung nötigen Teile eines Auflichtmikroskops dargestellt Vom Beobachtungsstrahlengang sind lediglich das Objektiv 1 und die Fubuslinse 2 zu sehen, die das Objekt 3 in die Zwischenbildebene 4 abbilden. Der oberhalb der Zwischenbildebene befindliche Teil des Mikroskops, also z. B. Okulare etc. sind hier nicht dargestellt

Zwischen Objektiv 1 und Tubuslinse 2 befindet sich ein halbdurchlässiger Teilerspiegel 5, über den der von einer Mikroskop-Lichtquelle 6 ausgehende Beleuchtungsstrahlengang in den Beobachtungsstrahlengang eingespiegelt wird. Dieser Teilerspiegel S kann so beschaffen sein, daß sein Reflexionsvermögen für die Wellenlänge des Lichts der noch zu beschreibenden Hilfsbeleuchtung für die Autofokuseinrichtung größer ist als für das Licht der »normalen« Mikroskopbeleuchtung, das von der Glühlampe 6 ausgeht.

Der Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops ist hier vereinfacht dargestellt. Er umfaßt einen Kollektor 7. ein IR-Sperrfilter 8, eine Leuchtfeldblende 9 sowie eine Hilfslinse 10.

Zwischen der Leuchtfeldblende 9 und der Hilfslinse 10 ist ein halbdurchlässiger Strahlteiler 15 angeordnet, über den der Hilfsbeleuchtungsstrahlengang der zu einer Baueinheit 12 zusammengefaßten Autofokuseinrichtung in den Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops eingespiegelt wird.

Der HiUsbeleuchtungsstrahlcngang geht aus von zwei <n einer zur Pupille 11 des Objektivs 1 konjugierten Ebene nebeneinander angeordneten Lichtquellen 13a und 136, bei denen es sich z. B. um Leucht- oder Laserdioden handelt Ober eine Kollektorlinse 16 beleuchten die Lichtquel len 13 eine rechteckige Blende 14 in einer zur Objekt ebene konjugierten Ebene (Luke). Die Blende 14 ist jedoch kein unverzichtbares Bauteil, sie kann entfallen, wenn z. B. als Lichtquellen Laserdioden eingesetzt werden. Es ist dann lediglich dafür zu sorgen, daß die Strahls lung beider Laserdioden an dieser Stelle auf den gleichen Punkt fokussiert wird.

Ein hinter der Blende 14 angeordneter Strahlteiler 15 läßt etwa 50% der Strahlung der Lichtquellen 13 passieren. Dieser hindurchtretende Teil wird von der linse 17 auf einen Detektor 19 fokussiert Vor diesem Detektor 19 ist ein Filter 18 vorgeschaltet, das auf die Wellenlänge der Hilfsbeleuchtung abgestimmt ist und das von der Lichtquelle 6 der Mikroskopbeleuchtung ausgehende und durch das IR-Sperrfilter 8 hindurchtretende Licht vom Detektor 19 fernhält

Der Detektor 19 ist mit einer elektronischen Schaltung 20 verbunden. Diese Schaltung 20 enthält einen Oszillator und eine Treiberschaltung, durch die die beiden Lichtquellen 13a und 136 alternierend eingeschaltet und ihre Intensität geregelt werden. Die Intensität beider Lichtquellen 13a und 136 wird mit Hilfe des vom Detektor 19 gewonnenen Signals, unabhängig von Alterungserscheinungen der Lichtquellen jeweils auf den gleichen Wert eingeregelt

Der vom Strahlteiler 15 reflektierte Teil des Hilfslichts gelangt über die Hilfslinse 10, den Auflichtreflektor 5 und das Objektiv 1 auf das Objekt 3 und wird dort, abhängig von den Oberflächeneigenschaften des Objekts 3, zum Teil in Autokollimation reflektiert Der re- flektierte Teil des Hilfslichtbündels, d. h. also das Meßlichtbündel trifft dann wieder auf den Strahlteiler 15 auf, geht zum Teil durch ihn hindurch und wird über einen dichroitischen Teilerspiegel 25 aus dem Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops ausgespiegelt

Das Meßlichtbündel wird von einer Linse 26 nach Durchtritt durch eine Falschlichtblende 31, die sich in einer zur Objektpupilie konjugierten Ebene befindet und ein weiteres Filter 28, das die gleiche Transmissionscharakteristik wie das Filter 18 besitzt in der Ebene einer das Sehfeld an dieser Stelle einseitig begrenzenden Blende 24 fokussiert (siehe F i g. 2b). Direkt hinter der Blende 24 befindet sich ein Detektor 29 zur Erzeugung des eigentlichen Autofokussignals, das zur Höhenverstellung des Objekts 3 oder des Objektivs 1 weiter- verarbeitet wird. Dazu ist der Detektor 29 mit dem Eingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters 22 verbunden, dem außerdem ein Referenzsignal auf der Frequenz des die Lichtquellen 13a und 136 schaltenden Oszillators in der elektronischen Schaltung 20 zugeführt

eo wird.

Die Signalveriäuic auf den drei inii dein Giciciii iciiici

22 verbundenen Leitungen Udiode, U_nI und U_psd sind in der Fig. lb—Ie für vier verschiedene Fälle dargestellt: F i g. Ib zeigt die Signalverläufe für den Fall, daß sich es das Objekt 3 außer Fokus unterhalb der Schärfenebene des Objektivs 1 befindet In diesem Falle gelangt, abhängig vom Maß der Defokussierung, nur Licht aus dem von der Lichtquelle 13a ausgehenden MeßlichtbUndel a

5 6

auf den Detektoren 29 und der Gleichrichter 22 gibt identische Bauteile sind in F i g. 2a mit gleichen Bezugseine positive Regelspannung Upsd ab. zeichen versehen und werden an dieser Stelle nicht

F i g. Ic zeigt die Signalverläufe für den Fall, daß sich nochmals erläutert Die nachfolgende Beschreibung der das Objekt 3 im Fokus des Objektivs 1 befindet In Fig. 2a beschränkt sich also darauf die Unterschiede zu diesem Falle liegen die von den Meßlichtbündeln a und 5 dem in F i g. 1 a dargestellten Beispiel herauszustellen.
6 erzeugten Bilder der Blende 14 aufeinander und wer- Der in F i g. 2a dargestellte Autofokusbaustein 112 ist

den beide durch die Blende 24 vom Detektor 29 fernge- an einen Kameraausgang des Mikroskops angesetzt, als halten. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 22 ist Zwischentubus ausgeführt oder in einen Beobachtungsdeshalb 0 bzw. sehr klein. Geringe Offsetspannungen tubus integriert. Dementsprechend wird die Hilfsbekönnen dann auftreten, wenn z. B. die von beiden Licht- io leuchtung für die Autofokuseinrichtung über einen zwiquellen 13a und 13/» erzeugten Meßspots nicht völlig sehen der Tubuslinse 2 und der Zwischenbildebene 4 des identisch sind. Mikroskops eingeschalteten Strahlteiler 115 in den Be-

F i g. Id zeigt die Signalverläufe für den Fall, daß sich obachtungsstrahlengang des Mikroskops eingekoppelt das Objekt 3 außer Fokus oberhalb der Schärfenebene bzw. das vom Objekt reflektierte Meßlicht an dieser des Objektivs 1 befindet Es gelangt dann nur das vom is Stelle aus dem Mikroskop ausgekoppelt Als Primär-Mcßlichtbündel b erzeugte Bild der Blende 14 auf den lichtquelle für die Hilfsbeleuchtung dient eine Laserdi-Detektor 29 und der Gleichrichter 22 gibt eine negative ode 109, hinter der ein Kondensor 110 angeordnet ist. In Regelspannung Upsd mit negativen Vorzeichen ab. einer zur Pupille 11 des Objektivs 1 konjugierten Ebene

F i g. Ie zeigt die Signalverläufe für den Fall, daß sich berindet sich eine Blende 121, die zwei nebeneinander zwar das Objekt im Fokus des Objektivs 3 beflndet, daß 20 angeordnete Blendenöffnungen 113a und 1136. aufaber Dejustierungen z. B. der Teilerspiegel oder ande- weist Vor jede Blendenöffnung ist eines von zwei separer optischer Komponenten im Meßlichtstrahlengang rat ansteuerbaren optischen Schaltern 112a und 1126 in das von beiden Bündeln a und 6 erzeugte, gemeinsame Form von elektrisch ansteuerbaren Flüssigkeitskristall-Bild der Blende 14 in Richtung auf den Detektor 29 schichten gesetzt Die Schichten 112a und 1126 werden verschieben. Infolge der phasenempfindlichen Gleich- 25 von einer elektrischen Schaltung 108 angesteuert und richtung ergibt sich, wie im Fall nach F i g. Ic, ein Regel- decken die ihnen zugeordnete Blendenöffnung zyklisch signal Upsd vom Betrage 0, & h. die Autofokuseinrich- ab bzw. geben diese frei.

tung reagiert relativ unempfindlich auf Dejustierungen Die Blendenöffnungen 113a und 1136 wirken daher

oder Verkippungen der optischen Komponenten. Durch wie zwei alternierend geschaltete Sekundärlichtquellen die Differenzbildung bei der phasenempfindlichen 30 und entsprechen in dieser Form den beiden Lichtquellen Gleichrichtung wird auch unmoduiiertes Streulicht un- 13a und 136 im Ausführungsbeispiel nach Fig. la. Aus terdrückt, das auf irgendeine Weise von der Lichtquelle der detaillierten Ansicht nach F i g. 2c geht die Form der 6 auf den Detektor 29 gelangt Blende 121 klar hervor.

Das Regelsignal Upsd, das der Gleichrichter 22 abgibt Die eigentliche Meßblende 14, die die Form des Meßwird zusätzlich einer weiteren Schaltung 23 zugeführt 35 lichtbündels in der Objektebene und in der dazu konjuin der dem Signal Upsd eine einstellbare Offsetspannung gierten Ebene bestimmt in der der Detektor 29 und die aufgesetzt wird. Je nach Höhe dieses Offsets bewegt die Halbblende 24 angeordnet sind, besitzt eine rechteckige von der Autofokuseinrichtung angesteuerte Mechanik Gestalt(vgLFig.2b).

das Objekt auf Ebenen, die etwas vor oder hinter der Die Gewinnung des Regelsignals aus der Ausgangs-

Schärfenebene des Objektivs 1 liegen. Die Einstellung 40 spannung des Detektors 29 erfolgt in diesem Beispiel in dieser Offsetspannungen wird von einer Einrichtung 32 gleicher Weise wie schon anhand von F i g. la beschriegesteuert die einen Code-Leser für die Maßstabszahl ben.

des gerade in Arbeitsstellung befindlichen Objektivs

umfaßt Ein solcher Code-Leser ist z. B. in der DE-PS Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

32 02 461 dargestellt Es läßt sich auf diese Weise sicher- 45

stellen, daß die infolge unterschiedlicher chromatischer
Korrektion der Objektive verschieden großen Ablagen
der Foki des Meß- und Beleuchtungsstrahlenganges automatisch berücksichtigt werden in dem Sinne, daß die
Autofokuseinrichtung stets das Objekt in die für den 50
Spektralbereich des Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlenganges geltende Schärfenebene einfährt

Die im Ausführungsbeispiel getrennt dargestellten
Schaltungen 20, 22 und 23 können selbstverständlich
zusammengefaßt und mit der hier nicht dargestellten 55
Steuerelektronik für die Ansteuerung des die Refokussierbewegung durchführenden Motors auf eine Platine
aufgebaut werden.

In F i g. 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich von dem in F i g. 1 a gezeichneten dadurch 60
unterscheidet daß die Antofokuseinrichtung nicht in
den Beleuchtungs- sondern in den Beobachtungsstrahlcngang des Mikroskops eingespiegelt wird. Dies hat
wie schon gesagt den Vorteil, daß die Autofokuseinrichlung ohne weiteres auch dann arbeitet wenn der Be- 65
leuchtungsstrahlengang für Dunkelfeldbeleuchtung
ausgelegt ist

Im Vergleich zu der Ausführungsform nach Fig. la

Claims

1 2 In dem in der Haupt-Anmeldung offenbarten Ausfüh- Patentansprüche: rungsbeispiel für eine Auflichtautofokuseinrichtung nach Fig. 1 wird eine von der Hilfsbeleuchtung durch-

1. Autofokuseinrichtung für Mikroskope, mit einer strahlte, relativ großflächige Marke in Form eines Spie-Hilfsbeleuchtung, die in den Strahlengang des Mi- 5 gelgitters in Autokollimation auf sich selbst abgebildet, kroskops eingespiegelt wird, und einem oder mehre- Mit einer derartigen Marke ist es schwierig, bei Objekren Detektoren zur Erzeugung eines dem Fokussier- ten, die eine ausgeprägte Höhenstruktur aufweisen, auf zustand entsprechende!¹; Signals, wobei die Hilfsbe- bestimmte Objektdetails scharf einzustellen, da die Auleuchtung. mindestens zwei alternierend geschaltete tofokuseinrichtung über einen relativ großen Objektbe-LJchtquellen (13a, 13A; 113a, U3b) enthält, die ne- to reich integriert und ein der mittleren Objektentfernung beneinander in oder in der Nähe einer Pupille ange- entsprechendes Regelsignal liefert.

ordnet sind (nach Patent 33 28 821), dadurch ge- Aus der DE-OS 3219 503 ist zwischenzeitlich eine

kennzeichnet, daß in der Objektebene von der Autofokuseinrichtung für Mikroskope bekanntgewor-

Hilfsbeleucbtung ein Meßspot erzeugt wird, der auf den, die im wesentlichen dem Stand der Technik nach

eine in oder in der Nähe einer Luke im Strahlengang 15 der DE-PS 21 02 922 entspricht Wegen des nur einseitig

der Hilfsbeleuchtung angeordnete, das Sehfeld ein- durch die Pupille des Mikroskops geführten Meßstrah-

seitig begrenzende Blende (24) abgebildet wird, hin- lenbündels und der Abbildung des Meßspots auf eine

ter der sich mindestens ein Detektoi (29) befindet Differenzdiode besitzt auch diese bekannte Autofokus-

2. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 1, da- einrichtung die in der Hauptanmeldung DE-OS durch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler (15) vor- 20 33 28 821 zum Stand der Technik genannten Nachteile, gesehen ist, der die Hilfsbeleuchtung in einen ersten, Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine in den Strahlengang des Mikroskops eingekoppel- zuverlässig und mit hoher Genauigkeit arbeitende, einten, und einen zweiten, auf einen die Intensität der fach aufgebaute Autofokuseinrichtung für Mikroskope Hilfsbeleuchtung messenden, weiteren Detektor (19) zu schaffen, die außerdem auf begrenzte Objektbereigerichteten Teil zerlegt 25 ehe im Sehfeld des Mikroskops einstellbar ist

3. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 1—2, da- Diese Aufgabe wird gemäß den im Kennzeichen des durch gekennzeichnet, daß die Hilfsbeleuchtung (12) Hauptanspruches angegebenen Merkmalen gelöst

in den Beleuchtungsstrahlengang eines Auflichtmi- Demnach wurden die Signale zweier Meßlichtbündel,

kroskops eingekoppelt ist QriQ · 4cC) die unterschiedliche Bereiche der Pupille alternierend

4. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 1 —2, da- 30 durchsetzen, mit dem gleichen Detektor erfaßt und mitdurch gekennzeichnet, daß die Hilfsbeleuchtung einander verglichen. In dieser Anordnung ist die Auto-(112) in den Beobachtungsstrahlengang eines Auf- fokuseinrichtung sehr viel unempfindlicher gegen Störlichtmikroskops eingekoppelt ist C tiß· 2c£) signale als die mit einem einzigen, die Pupille einseitig

5. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 1 —4, da- durchsetzenden Meßstrahlenbündel in Verbindung mit durch gekennzeichnet, daß eine elektronische An- 35 einer Differenzdiode arbeitenden Autofokuseinrichtunordnung (22) vorgesehen ist, in der die Signale des gen nach den Stand der Technik.

bzw. der Detektoren (29) im Takte der Umschaltung Zur Erzeugung des Meßspots kann eine Blende belie-

der Lichtquellen (\3a,b;i\3a,b) verarbeitet werden. biger Form in einer Luke des Hilfsbeleuchtungsstrah-

6. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 5, da- lenganges angeordnet werden, die von beiden Lichtdurch gekennzeichnet, daß eine elektronische An- 40 quellen ausgeleuchtet wird. Die Blende kann jedoch entordnung (23) vorgesehen ist, in der dem im Takte der fallen, wenn z. B. Laserdioden als Lichtquellen verwen-Umschaltung verarbeiteten Signal (U_psd) Offsetspan- det werden. Es ist dann lediglich dafür za sorgen, daß die nungen einstellbarer Größe überlagert werden. Strahlungen beider Laserdioden auf den gleichen Punkt

7. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 6, da- in einer Luke des Hilfsbeleuchtungsstrahlenganges fodurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Off- 45 kussiert werden.

setspannungen (U_orrs*) mit der Umschaltung des Ob- Es ist zweckmäßig einen Strahlteiler vorzusehen, der

jektivrevolvers gekoppelt ist die Hilfsbeleuchtung in einen ersten, in den Strahlengang des Mikroskops eingekoppelten und einen zwei-

ten, auf einen die Intensität der Hilfsbeleuchtung mes-

50 senden, weiteren Detektor gerichteten Teil zerlegt. Über den weiteren Detektor können dann Alterungser-

Die Erfindung betrifft eine Autofokuseinrichtung für scheinungen der Lichtquellen der Hilfsbeleuchtung erMikroskope, mit einer Hilfsbeleuchtung, die in den kannt und beide Lichtquellen auf gleiche Intensität ein-Strahlengang des Mikroskops eingespiegelt wird, und geregelt werden.

einem oder mehreren Detektoren zur Erzeugung eines 55 Die Hilfsbeleuchtung wird vorteilhaft in den Beleuchdem Fokussierzustand entsprechenden Signals, gemäß tungsstrahlengang eines Auflichtmikroskops eingekopdem Oberbegriff des Anspruches 1. pelt. Der Beleuchtungsstrahlengang ist nämlich in der In der Haupt-Anmeldung gemäß DE-OS 33 28 821 ist Regel für das Ansetzen derartiger Zusatzgeräte leichter eine derartige Autofokuseinrichtung beschrieben. Infol- zugänglich. Diese Lösung hat auch den Vorteil, daß z. B. ge der dort offenbarten Anordnung zweier alternierend 60 keine Bildausgänge im Beobachtungstubus durch die geschalteter Lichtquellen in einer Pupille des Mikro- Autofokuseinheit belegt werden, skops bleiben Gleichlichtanteile,die aus DeJustierungen Es ist jedoch schwierig eine derartige Autofokuseinoptischer Bauteile oder Reflexlicht aus dem eigentlichen richtung in den Strahlengang einer Dunkelfeldbeleuch-Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops resultieren, tungseinrichtung cinzuspiegcln. Um die Autofokuseinohne Einfluß auf das Regelsignal. Die vorliegende Erfin- 65 richtung auch in dieser Betriebsart einsetzen zu können, dung betrifft eine weitere Verbesserung der in der kann es vorteilhaft sein, die Einspiegelung des HilfsHaupt-Anmeldung beschriebenen Autofokuseinrich- strahlenganges in den Beobachtungstubus vorzunehtung. men.