DE2008390B2

DE2008390B2 - Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen

Info

Publication number: DE2008390B2
Application number: DE2008390A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr. 7080 Aalen Lang
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1970-02-24
Filing date: 1970-02-24
Publication date: 1975-07-10
Also published as: JPS5147047B1; FR2081033A7; DE2008390A1; AT316167B; FR2081033B3; CH518562A; GB1314313A; US3721759A

Description

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Die Fokussierung von Mikroskopen, d. h. die Scharfeinstellung des beobachteten Bildes erfolgt durch manuelle Betätigung der entsprechenden Einstellmittel mit Hilfe einer visuell durchgeführten Einstellkontrolle. Abgesehen davon, daß diese Einstellung einen relativ großen Zeitbedarf hat. wird vor allem auch die Scharfeinstellung des Bildes subjektiv beurteilt, so daß erfahrungsgemäß methodische Fehler der Beurteilung zur Wirkung kommen. Daraus resultieren insbesondere bei Mikroskopen, die zu Messungen am Objekt dienen, Fehler, die einen einwandfreien Vergleich der gemessenen Werte nicht ermöglichen.

Es sind Mikroskope für stereometrische Untersuchungen von Durchlichtobjekten bekannt, die eine quantitative Bildanalyse automatisch vornehmen. Durch den beschriebenen manuellen Einstellvorgang wird bei solchen weitgehend automatisierten Geräten die erreichbare Analysengeschwindigkeit in nicht vertretbarer Weise begrenzt.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Fokussierung von Mikroskopen anzugeben, welche eine von Einsteiifehiern freie automatische Fokussierung ermöglicht.

Die Erfindung betrifft damit eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen, und sie so zeichnet sich aus durch eine mit dem Mikroskop verbundene fernsehtechnische Einrichtung zur Längenoder Flächenmessung am mikroskopischen Bild eines ausgewählten Objektes bei vorgegebener Ansprechempfindlichkeit einen Motor *.ur Verstellung der Feinfokussierung innerhalb eines durch Endlagenschalter begrenzten Intervalls, eine Anordnung zur Differenzierung des während des Einstellvorgangs von der fernsehtechnischen Einrichtung gelieferten Meßsignals, sowie durch einen mit dieser Anordnung verbundenen Schalter zum Ausschalten des Motors bei festgestelltem Minimalwert des Meßsignals.

Bei der neuen Vorrichtung gilt als Kriterium für die Scharfeinstellung des Objektbildes die von der fernsehtechnischen Einrichtung ermittelte Minimallänge bzw. Minimalfläche des Objektbildes. Die Feinfokussierung des Mikroskops wird beim Einstellvorgang kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit betätigt.

Sobald die fernsehtechnische Einrichtung das Erreiche! des Minimums des Meßsignals signalisiert, win automatisch die Verstellung der Feinfokussierunj beendet. Das Mikroskop ist dann einwanoirei fokussien wobei diese Fokussierung auf einem objektiv festge stellten Kriterium beruht und aus diesem Grundi jederzeit reproduzierbar ist.

Bei der Längen- und Flächenmessung besteht eini eindeutige Beziehung zwischen dem ermittelten Meß wert und der Einstellung der Feinfokussierungsmitte nur in einem begrenzten Intervall, wie die nachstehen den Ausführungen zeigen werden. Aus diesem Gründe ist die Feinfokussierung des Mikroskops durch Endla genschalter auf dieses vorbestimmte Intervall begrenzt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgen den an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrich tung in schematischer Darstellung,

F1 g. 2a und 3a das auf der Photokathode der Fernsehaufnahmeröhre entstehende Objektivbild bei Scharfeinstellung sowie das Videosignal einer Zeile,

Fig. 2b und 3b das auf der Photokathode der Fernsehaufnahmeröhre entstehende Objektivbild bei unscharfer Einstellung sowie das Videosignal einer Zeile.

Fig.4 die Abhängigkeit der Flächengröße des Objektbildes in Abhängigkeit von der Vertikalbewegung des Mikroskoptisches, in graphischer Darstellung,

Fig. 5 das Blockschaltbild einer Komparatorschaltung zum Unterbrechen der Verstellung der Feinfokussierung bei Erreichen der Schärfenebene,

F i g. 6a das Bild eines Objektes bei Verwendung einer relativ großen Meßblende,

Fig.6b das Bild desselben Objektes bei Verwendung einer kleinen Meßblende.

In Fig. 1 ist mit 1 die Beleuchtungseinrichtung eines schematisch mit 2 dargestellten Mikroskops bezeichnet. Das zu untersuchende Objekt ist auf dem Mikroskoptisch 3 gehaltert. Mit dem Mikroskop 2 ist eine Fernsehkamera 4 verbunden, welche elektrisch mit der Zentrale 8 in Verbindung steht. Mit der Zentrale ist weiterhin ein Monitor 9 und ein Bedienungspult 10 verbunden.

Der Mikroskoptisch 3 weist schematisch gezeichnete Vorrichtungen 5, β und 7 auf, weiche zur Verstellung des Tisches in der x-, y- und ^-Richtung dienen. Diese Einstellbewegungen werden wie angedeutet über die Zentrale 8 gesteuert. Die Feinfokussierung des in Fig. 1 dargestellten Mikroskops erfolgt im betrachteten Beispiel durch Verschieben des Mikroskoptisches 3 in z-Richtung.

F i g. 2a zeigt das auf der Photokathode der Fernsehkamera 4 entstehende Objektbild eines rechteckförmigen Objektes mit homogener Leuchtdichte. Es ist der Zustand der optimalen Fokussierung dargestellt, in welchem das Objekt als gleichmäßig helles Rechteck erscheint. Der sich entlang der mit 11 bezeichneten Zeilen bewegende Abtaststrahl liefert dann im Bereich des Objektbildes ein Videosignal 12, welches einen stärken Spannungssprung zeigt.

Wird das Objektbild defokussiert, so wächst die helle Objektfläche im Bild, wobei gleichzeitig die Helligkeit abnimmt und die Objektränder und Objektdetails in zunehmendem Maße undeutlich werden, wie dies Fig. 2b zeigt. Das entsprechende Videosignal 13 zeigt eine allmähliche Spannungsänderung über einen großen Teil der Fernsehzeile, wobei diese Sriannunesändeninu

jedoch eine gegenüber dem Signal 12 der Fig.2a deutlich niedrigere Maximalamplitude aufweist.

Die in Fig. 2a und 2b dargestellte Linie 14 stellt die Lage der Diskriminatorschwelle für das dem Objektbild entsprechende Videosignal dar. Nur Videosignale, deren S Spannungswerte die Diskriminatoiochwelle'14 überschreiten, werden zur Messung herangezogen. Die entsprechenden Objekte sind auf dem Monitor 9 zu beobachten, so daß also unter Beobachtung des Monitorbildcs die Diskriminatorschwelle eingestellt werden kann.

Im dargestellten Fall wird eine Längenmessung über eine Schnittpunktzählung durchgeführt. Darunter versteht man die Zäiilung der Schnittpunkte der Zeilen 11 mit dem Objektrand beim Hell-Dunkel-Übergang. Bei einfach zusammenhängenden Objekten, wie im dargestellten Beispiel, kann damit unmittelbar die größte Erstreckung des Objektes in Vertikalrichtung gemessen werden. Da der Abstand der Abtastzeile^ If äquidisiant und konstant ist, ist die Anzahl der Schnittpunkte der to Vertikalausdehnung des Objektes direkt proportional.

Die Schnittpunktzählung geschieht in der Zentrale 8. Es ist ohne weiteres zu sehen, daß die von der Fernseheinrichtung 4, 8 gemessene Länge bei unscharfer Einstellung nach F ig. 2b größer ist als bei optimaler Scharfeinstellung nach F ig. 2a.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden im allgemeinen Flächenmessungen vorgezogen, da diese auch bei komplizierten Objekten ein einwand'reies Meßkriterium liefern. jo

F i g. 3a zeigt das Bild des schon in I" i g. 2a gezeigten Objektes. Der Objekttisch 3 ist hierjedoch um 90° gedreht, so daß das Objektbild senkrecht zu den Abtastzeilen 11 liegt. Das im dargestellten Zustand der optimalen Fokussierung entstehende Videosignal einer 3$ Bildzeile ist mit 15 bezeichnet. Das im Fall des defokussierten Mikroskops auf der Kathode der Bildaufnahmeröhre entstehende Bild zeigt F i g. 3b. Das entsprechende Videosignal einer Bildzeile ist mit 16 bezeichnet. Die Linie 17 stellt die Diskriminatorschwelle für die Helligkeit des Objektbildes dar. Nur Videosignale deren Spannungswerte die Schwelle 17 überschreiten ν orden zur Flächenmessung herangezogen.

Wie ohne weiteres einzusehen ist, liefen die Zentrale 8, welche die eigentliche Flächenmessung durchführt ein Signal, dessen Amplitude im Falle der optimalen Fokussierung, d. h. der kleinsten Fläche des Objektbildes niedriger ist als im Falle einer unscharfen Einstellung des Bildes.

Fig.4 zeigt die Fläche des Objektbildes in so Abhängigkeit von der Vertikalbewegung ζ des Mikroskoptisches 3. Wie der ausgezogen dargestellte Kurventeil 18 zeigt, weist das mikroskopische Bild des in der Höhenstellung zopt befindlichen Mikroskoptisches 3 eine Minimalfläche auf. In dieser Lage ist die optimale $5 Fokussierung erreicht. Mit zunehmender Defokussierung wächst die Objektfläche im Bild wie dies die beiden gestrichelt gezeichneten Kurventeile 19 und 20 zeigen, welche für visuelle Betrachtung gelten. Das von der Fernseheinrichtung 4,8 gelieferte, der Objektbildfläche F proportionale Signal /> (Z) wächst zwar mit der Entfernung von der Schärfenebene ebenfalls zunächst an und folgt dabei dem Kurventeil 18, durchläuft jedoch bei stärkerer Defokussierung ein Maximum und fällt danach mehr oder minder steil ab unter Umständen bis auf den Wert Null. Dies ist in F i g. 4 durch die beiden punktiert gezeichneten Kurvenäste 21 und 22 gezeigt.

Das Zustandekommen der beiden Kurvenäste 21 und 22 ist aus der Betrachtung der F i g. 3a und 3b leicht zu erklären. Geht man vom optimal iokussierten Zustand aus, so wird bei zunehmender Defokussierung zunächst der Spannungssprung im Videosignal verbreitert, erreicht jedoch seine Maximalamplitude nicht mehr. Dies entspricht dem Ansteigen des Kurventeiles 18 und der anschließenden Kurvenäste 21 und 22. Bei weiterer Defokussierung wird schließlich eiw immer geringerer Teil der Videosignale die Diskriminatorwelie 17 überschreiten, d. h. die Kurvenäste 21 und 22 fallen steil ab. Schließlich tritt der Zustand ein, daß das Videosignal vollständig oberhalb der Diskriminatorschwelle 17 verläuft, d. h. die beiden Kurvenäste 21 und 22 haben den Wert Null erreicht

Derselbe Effekt tritt bei der in Fig.2a und 2b dargestellten Längenmessung auf.

Aus Fig.4 ist deshalb ersichtlich, daß es in jedem Fall vorteilhaft ist, den Fokussierbereich auf das Intervall von Zmmb'is Zmnxbeispielsweise durch Endlagenschalter zu beschränken. Innerhalb dieses Intervalles ist die Schärfenebene eindeutig durch das Minimum des von der Fernseheinrichtung gelieferten Meßsignals gekennzeichnet.

Verstellt die Vorrichtung 7 zur Vertikalverschiebung des Mikroskoptisches 3 diesen mit konstanter Geschwindigkeit so markiert im Fall der Flächenmessung die mit einer Differenzierstufe erhaltene Ableitung der von der Meß- und Auswerteeinheit in der Zentrale 8 gelieferten, dem Wert F(z) proportionalen Gleichspannung ir(t)\m Nulldurchgang die Schärfenebene. Mittels einer Komparatorschaltung, wie sie beispielsweise in F i g. 5 dargestellt ist, wird beim Nulldurchgang des differenzierten Signals ^d!^FJ^t) Vorrichtung 7 abgeschaltet.

In der Schaltung der F ig. 5 wird dem aus dem Kondensator 23 und dem Widerstand 24 bestehenden Differenzierglied das Signal /Ff/Jzugeführt. Hinter dem Verstärker 25 erscheint dann das differenzierte Signal und wird dem mit 26 bezeichnetem Komparator zugeführt. Dem anderen Eingang dieses Komparators wird eine Referenzspannung zugeführt. Beim Nulldurchgang der Differenzierspannung wird über das Relais 27 der Schalter 28 betätigt, welcher die Vertikalbewegung des Mikroskoptisches 3 stoppt.

Die Empfindlichkeit der automatischen Fokussierung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wächst mit der Beleuchtungs- und Beobachtungsapertur des Mikroskops. Bei der Wahl der Beleuchtungsapertur ist jedoch der erzielbare Kontrast der optischen Abbildung zu berücksichtigen.

Durch Wahl der im Strahlengang angeordneten Meßblendenfläche der Fernseheinrichtung läßt sich die Empfindlichkeit der automatischen Fokussierung in weiten Grenzen ändern. Ein ausgedehntes Objekt liefert im Fall der Flächenmessung bei einer großen Meßblendenfläche wie sie in Fig.6a dargestellt ist, nur verhältnismäßig geringfügige Änderungen des Flächensignals beim Fokussiervorgang nahe der Schärfenebene. Bei einer gemäß Fig.6b in der Höhe eingeengten Meßfeldblende hingegen ist die relative Änderung der angezeigten Objektfläche mit der Höhenverstellung des Tisches 3 und damit das ausnutzbare Signal wesentlich größer.

Abschließend soll noch der Funktionsablauf bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Rahmen einer automatischen Dicken-Bestimmung an einer Vielzahl mikroskopischer Objekte beschrieben werden.

Mit dem Betätigen der Starttaste am Bedienungspult 10 wird über die Zentrale 8 der Mikroskoptisch 3 gemäß dem vorgewählten Programm für die x- und y-Richtung über die Vorrichtungen 5 und 6 motorisch verstellt. Nach Auswahl eines Objektes möglichst homogener Leuchtdichte wird die x-y-Bewegung des Tisches 3 gestoppt und dieser verharrt bis zur Beendigung der Fokussierung und der anschließenden stereometrischen Messung, im betrachteten Beispiel der Dicken-Messung in der ausgewählten Stellung. Gleichzeitig mit der x- und y-Verstellung des Tisches 3 erfolgt seine motorische Höhenverstellung in ^-Richtung bis zu einem vorgegebenen Minimalwert zmin. Es ist selbstverständlich auch möglich, an Stelle einer Verschiebung des Tisches 3 die Fokussierung mit Hilfe einer Höhenverstellung der Beobachtungseinrichtung 2 zu erreichen. Nachdem dei Tisch die vorgegebene zmm-Position erreicht hat schaltet die Meß- und Auswerteelektronik in der Zentrale 8 selbsttätig auf die Betriebsart Längen- odei Flächenmessung. Gleichzeitig wird der Motor für die Fokussierung angeschaltet und verstellt nun den Tisch 3 mit konstanter Geschwindigkeit bis das zu fokussierende Objekt in die Schärfenebene der Beobachtungsoptik gelangt. Sobald dies der Fall ist, wird der z-Motor

ίο ausgeschaltet, die Meß- und Auswerteelektronik wird im angenommenen Beispiel auf Dickenmessung umgeschaltet und nach Beendigung dieser Messung beginn! mit der x-, /-Verstellung des Tisches 3 ein neuer Fokussierungs- und Meßzyklus in der beschriebenen Weise.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Mikroskopen, gekennzeichnet durch eine mit dem Mikroskop (1. 2, 3) verbundene fernsehtechnische Einrichtung (4, 8) zur Längenoder Flächenmessung am mikroskopischen Bild eines ausgewählten Objektes bei vorgegebener Ansprechempfindlichkeit, einen Motor (7) zur Verstellung der Feinfokussicrung innerhalb eines durch Endlagenschalter begrenzten Intervalls, eine Anordnung (23, 24, 25) zur Differenzierung des Während des Einstellvorganges von der fernsehtech-■ischen Einrichtung gelieferten Meßsignals, sowie durch einen mit dieser Anordnung verbundenen Schalter (28) zum Ausschalten des Motors (7) bei festgestelltem Minimalwert des Meßsignals.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende zur Begrenzung des der fernsehtechnischen Einrichtung (4, 8) zugeführten Objektbildes vorgesehen ist.