DE102004057451A1

DE102004057451A1 - Objektiv-Tisch-System für Mikroskope

Info

Publication number: DE102004057451A1
Application number: DE200410057451
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Nolte; Lutz HÖRING
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-01
Also published as: WO2006056178A1

Abstract

Bei einem Objektiv-Tisch-System für Mikroskope besteht die Aufgabe, die mechanische Stabilität mit einem kompakten kostengünstigen Aufbau zu erhöhen, um Fokusschwankungen, bedingt durch eine thermische Drift, aber auch durch eine Schwingungsanfälligkeit der optischen und/oder mechanischen Mikroskop-Komponenten entgegenzuwirken. DOLLAR A Das Objektiv ist von einer in den Tisch eingearbeiteten Führung aufgenommen und in der Führung entlang der senkrecht zur Oberfläche des Tisches gerichteten optischen Achse verschiebbar. DOLLAR A Das Objektiv-Tisch-System ist insbesondere für Mikroskope von Bedeutung, die für automatische Messaufgaben vorgesehen sind.

Description

Stabilität und Resistenz gegen thermische Einflüsse ist besonders für Mikroskope von Bedeutung, die für automatische Messaufgaben vorgesehen sind.
Schwierigkeiten bestehen hinsichtlich der erforderlichen Kalibrierung insbesondere bei konventionellen Aufbauten, da sich der Abstand zwischen Stativarm und optischer Achse aufgrund des vorhandenen Objektivrevolvers und anderer optischer Elemente im Laufe der technischen Weiterentwicklung zunehmend vergrößert hat.
So haben Wärmeverteilungsmessungen gezeigt, dass trotz eines massiven Grundkörpers und Maßnahmen für eine hohe Biege- und Torsionssteifheit der Stative sich ein stationärer Stabilitätszustand nicht einstellt und eine Langzeitstabilität des Fokus nicht gegeben ist, da bereits geringe thermische Änderungen, hervorgerufen durch Wärme, die von außen oder durch die elektrischen und elektronischen Komponenten des Mikroskops zugeführt wird, zu einer sich negativ auswirkenden Verformung des Stativs führen.
Besonders bei u-förmigen Stativen von aufrechten Mikroskopen liegt das an dem langen Hebel zwischen dem, auf einem über stabile Linearführungen außerhalb der optischen Achse vertikal verstellbaren x-y-Tisch befindlichen Objekt und dem Objektiv, das in einer von bis zu acht Aufnahmen eines Objektivrevolvers untergebracht ist.
Ein ähnliches Problem besteht auch bei Stativen von bekannten inversen Mikroskopen, bei denen die Objektivrevolver über stabile Linearführungen außerhalb der optischen Achse vertikal verstellbar sind, jedoch mit dem Unterschied, dass thermisch bedingte Schwankungen aufgrund bestehender kürzerer Hebel nicht so stark ausgeprägt sind.
Es ist eine Vielzahl von Maßnahmen bekannt, um den thermisch bedingten Ausdehnungsschwankungen mit geeigneten Mitteln entgegenzuwirken.

So sind gemäß der DE 195 30 136 C1 zur Kompensation einer thermisch bedingten Defokussierung zwischen dem Objekttisch und einer Zahnstange, die zusammen mit einem Antriebszahnrad zur Verstellung des Objekttisches entlang der optischen Achse des Objektivs dient, zwei Stäbe mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischengeschaltet, von denen der eine Stab mit seinem einen Ende fest mit der Zahnstange und mit seinem anderen Ende fest mit dem anderen Stab verbunden ist, welcher mit seinem freien Ende den Objekttisch trägt. Infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der beiden Stäbe wird der Objekttisch in seiner Höhe temperaturabhängig nachgeführt.

Außer thermisch bedingten Schwankungen können während des Betriebes aber auch defokussierende Vibrationen oder Stöße z. B. durch automatische bzw. teilautomatische Bewegungsabläufe als innere Erregungen aber auch durch äußere Erregungen auftreten.

Die US 5 764 409 beschreibt einen Vibrationsstabilisator für ein Emissionsmikroskop, der aus einem starren Hohlzylinder mit verstellbarer Länge besteht, in den die Mikroskopoptik eingesetzt ist. Der Hohlzylinder wird auf die Oberfläche, die das zu untersuchende Objekt umgibt, aufgesetzt. Der Hohlzylinder wird in seiner Länge so eingestellt, dass sich die Mikroskopoptik in geeignetem Abstand zum Chip befindet.

Die US 4 168 881 vermeidet eine Übertragung von Schwingungen vom Okular auf das Objektiv, indem Objektiv und Okular in hebelartigen Halterungen schwingungsgehemmt mit einem gegenseitigen Abstand voneinander angeordnet sind.

Bekannt ist es auch, die zwischen den Hauptteilen des Stativs vorhandenen Koppelstellen mit unterschiedlichen Steifigkeiten auszubilden ( DE 35 23 902 A1 ).

Zur Minimierung des Einflusses mechanischer und thermischer Faktoren auf die Güte der Abbildung und der Bildübertragungseigenschaften wird in der DE 102 61 663 A1 schließlich eine tragende Zelle beschrieben, die mit dem Stativ starr aber austauschbar verbunden ist und die eine erste Baugruppe zur Aufnahme, Halterung und Einstellung des Objektivs und eine zweite Baugruppe zur Positionierung des Objektes oder der Probe relativ zum Objektiv enthält. Toleranzkritische Grundbaugruppen des Mikroskops werden auf diese Weise zu einer stabilen Einheit zusammengefasst, während andere Baugruppen von einem gesonderten Stativ gehalten werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die mechanische Stabilität mit einem kompakteren kostengünstigen Aufbau zu erhöhen, um Fokusschwankungen, bedingt durch eine thermische Drift aber auch durch eine Schwingungsanfälligkeit der optischen und/oder mechanischen Mikroskop-Komponenten entgegen zu wirken.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Objektiv-Tisch-System für Mikroskope dadurch gelöst, dass das Objektiv von einer in den Tisch eingearbeiteten Führung aufgenommen und in der Führung entlang der senkrecht zur Oberfläche des Tisches gerichteten optischen Achse verschiebbar ist.

Besonders zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Im Unterschied zu bekannten Aufbauten sind das Objektiv und das Tischsystem nunmehr durch die Einbindung des Objektivs in das Tischsystem über die Führung mechanisch miteinander direkt gekoppelt und bilden eine kompakte Einheit. Das hat den Vorteil, dass zwischen Objektiv und einer auf den Tisch aufgelegten Probe immer ein fester Abstand gegeben ist, unabhängig von thermisch bedingten Ausdehnungsschwankungen im Mikroskopstativ. Abstandsänderungen zwischen Tubuslinse und Objektiv aufgrund der Ausdehnungsschwankungen im Stativ wirken sich ebenfalls nicht störend aus, da sich zwischen der Tubuslinse und dem Objektiv ein Unendlich-Raum befindet.

Ein Mikroskop mit dem erfindungsgemäßen Objektiv-Tisch-System ist aber nicht nur weniger anfällig gegen thermische Drift, sondern auch weitgehend unempfindlich gegenüber Schwingungen und/oder Stößen, da das Objektiv, anstatt an einem Hebelarm befestigt zu sein, in einer bevorzugt verwendeten Gleitführung im Tisch sitzt.

Im Vergleich zu konventionellen Mikroskopen beträgt die bei einer Z-Positionierung zu bewegende Masse nur einen Bruchteil, wodurch die Positionierung mit kleinerer Motorleistung trotzdem schneller ausgeführt werden kann.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Tisch als Kreuztisch ausgebildet ist, der eine feststehende untere Tischplatte zur Stativmontage sowie eine mittlere und eine obere Tischplatte, für Verstellungen in x- und y-Richtung enthält, wobei in die untere Tischplatte die Führung für das Objektiv eingelassen ist und die mittlere und die obere Tischplatte Lichtdurchtrittsöffnungen für einen entlang der optischen Achse des Objektivs verlaufenden Abbildungsstrahlengang aufweisen.

Vorteilhaft ist bei der als Gleitführung ausgebildeten Führung eine innere Gleithülse zur Verstellung des eingesetzten Objektivs in Richtung seiner optischen Achse gegenüber einer äußeren, mit der unteren Tischplatte fest verbundenen Gleithülse verschiebbar.

Da die obere Tischplatte stark beansprucht wird, sollte ein zur Ablage von Objektträgern dienender Teil der Tischplatte auswechselbar gestaltet werden, indem z. B. eine herausnehmbare Einlegeplatte vorgesehen wird.

Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich um ein Mikroskop, bei dem als Träger für das erfindungsgemäße Objektiv-Tisch-System ein Mikroskopstativ dient, das einen symmetrischen Aufbau aufweist, durch den die optische Achse des Objektivs im Wesentlichen zentrisch gelegt ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Objektiv-Tisch-Systems
2 einen Ausschnitt aus dem Objektiv-Tisch-System gemäß 1, bei der sich das Objektiv im Arbeitsabstand zum Objekt befindet
3 das Objektiv-Tisch-System gemäß 1 in einer Draufsicht mit schematisch eingezeichneten Stativelementen
Das in den 1 bis 3 dargestellte Objektiv-Tisch-System enthält einen Kreuztisch 1 mit einer unteren Tischplatte 2 für eine feste Stativmontage, eine mittlere Tischplatte 3 zur Verstellung in x-Richtung und eine obere Tischplatte 4 zur Verstellung in y-Richtung, auf der eine Haltevorrichtung 5 für einen Objektträger 6 vorgesehen ist. Schrittmotoren 7, 8 mit Mutter/Spindel-Antrieben 9, 10 dienen der Verstellung des Kreuztisches 1.
In die untere erste Tischplatte 2 , insbesondere in einen in die Tischplatte eingeschraubten Tischeinsatz 11 ist eine, aus einer äußeren und einer inneren Gleithülse 12, 13 bestehende Gleitführung 14 zur Aufnahme eines Objektives 15 eingelassen, wobei die innere Gleithülse 13 zur Verstellung des eingesetzten Objektivs 15 in Richtung seiner optischen Achse O-O gegenüber der äußeren, mit der ersten Tischplatte 2 fest verbundenen Gleithülse 12 verschiebbar ist. Eine aus Silikon bestehende Manschette 16 dient als Tropfschutz. Ein Zeilensensor 17 ist für einen Vorschauscan vorgesehen.
Außerdem sind in die mittlere und in die obere Tischplatte 3, 4 Öffnungen 18, 19 eingearbeitet, so dass über das Objektiv 15 ein Objekt, das auf dem Objektträger b auf der oberen Tischplatte 4 positioniert ist, infolge einer senkrecht zur optischen Achse O-O gerichteten Verstellung des Kreuztisches 1 gescant werden kann. Die Verstellung des Objektivs 15 erfolgt über einen an der inneren Gleithülse 13 angreifenden, nicht dargestellten Hebel.
Eine in die obere Tischplatte 4 eingeschraubte Einlegeplatte 20 dient für die Ablage von Objektträgern 6 und ist bei Verschleiß aufgrund des Be- und Entladens von Objektträgern 6 auswechselbar.
Ein Mikroskopstativ 21, das vorzugsweise aus paarweise zueinander parallelen Platten aus Aluminium kubisch aufgebaut ist, nimmt das Objektiv-Tisch-System derart auf, dass der entlang der optischen Achse des Objektivs 15 verlaufende Abbildungsstrahlengang annähernd zentrisch zwischen den Platten, deren Stirnseiten in 3 gestrichelt dargestellt sind, hindurchgeführt ist.
Durch die Annäherung an einen symmetrischen Aufbau ist die resultierende thermische Drift bei einer thermischen Verformung des Stativmaterials im Vergleich zu konventionellen Stativen mit seitlich zum Stativ verlaufendem Abbildungsstrahlengang zusätzlich minimiert. Ferner ist die Möglichkeit gegeben, unvermeidbare Wärmequellen wie Beleuchtung o.ä. weit entfernt von der Optik anzuordnen.

Das erfindungsgemäße Objektiv-Tisch-System besitzt keinen sonst üblichen Objektivrevolver, sondern der Vergrößerungswechsel erfolgt beispielsweise über den Wechsel der Tubuslinse. Alternativ kann auch ein Objektivwechsel, wie in DE 100 31 720 A1 beschrieben, realisiert werden. Da kein Objektivrevolver zum Einsatz kommt, entfällt bei inversem Stativ das komplexe Ausfräsen der unteren Tischplatte 2 für den Betrieb des Objektivrevolvers.

Claims

Objektiv-Tisch-System für Mikroskope, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (15) von einer in den Tisch eingearbeiteten Führung (14) aufgenommen und in der Führung (14) entlang der senkrecht zur Oberfläche des Tisches gerichteten optischen Achse (O-O) verschiebbar ist.
Objektiv-Tisch-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tisch als Kreuztisch (1) ausgebildet ist, der eine feststehende untere Tischplatte (2) zur Stativmontage sowie eine mittlere und eine obere Tischplatte (3, 4) für Verstellungen in x- und y-Richtung enthält, dass in die untere Tischplatte (2) die Führung (14) für das Objektiv (15) eingelassen ist, und dass die mittlere und die obere Tischplatte (3, 4) Lichtdurchtrittsöffnungen (18, 19) für einen entlang der optischen Achse (O-O) des Objektivs (15) verlaufenden Abbildungsstrahlengang aufweisen.
Objektiv-Tisch-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (14) als Gleitführung ausgebildet ist, bei der eine innere Gleithülse (13) zur Verstellung des eingesetzten Objektivs (15) in Richtung seiner optischen Achse (O-O) gegenüber einer äußeren, mit der unteren Tischplatte (2) fest verbundenen Gleithülse (12) verschiebbar ist.
Objektiv-Tisch-System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Tischplatte (4) eine auswechselbare Einlegeplatte (20) für die Ablage von Objektträgern (6) enthält.
Mikroskop, enthaltend ein Objektiv-Tisch-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und ein Mikroskopstativ, von dem das Objektiv-Tisch-System getragen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskopstativ (21) einen symmetrischen Aufbau aufweist, durch den die optische Achse (O-O) des Objektivs (15) im Wesentlichen zentrisch gelegt ist.
Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskopstativ (21) aus paarweise zueinander parallelen Platten kubisch aufgebaut ist.