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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestimmen des Abstands zwischen einem Objektiv eines Mikroskops und einer mit dem Mikroskop untersuchten Probe. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen kapazitiven Abstandssensor, durch den zwischen mindestens zwei Elektroden ein Streufeld erzeugbar ist und dessen Kapazität durch ein in das Streufeld eintretendes Objekt eine messbare Änderung erfährt. Ferner hat die Erfindung ein Verfahren zum automatischen Fokussieren eines Mikroskops zum Gegenstand.
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In der Mikroskopie stellt sich häufig die Aufgabe, den Abstand eines Objektivs eines Mikroskops zu einer mit dem Mikroskop untersuchten Probe auf geeignete Art und Weise zu bestimmen. Dies stellt insbesondere bei Systemen mit automatischem Fokussieren eine zentrale Aufgabe dar. Dabei wird der Abstand zwischen Objektiv und Probe automatisch derart eingestellt, dass durch das Mikroskop ein scharfes Bild von der Probe gewonnen werden kann.
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Daneben werden Abstandsmessungen zum Schutz von Proben und eines die Probe tragenden Objektträgers vor Zerstörung benötigt. Eine derartige Zerstörung kann durch mechanischen Kontakt des Objektivs mit der Probe oder dem Objektträger ausgelöst werden. Beispielsweise bei Fluoreszenzpräparaten ist aufgrund der oft schwachen Signale die Fokusebene nur schwer bestimmbar. Hier und in vergleichbaren Situationen kann der Bediener während der Suche nach dem Fokus leicht unbemerkt das Objektiv oder den Mikroskoptisch derart weit voranbewegen, dass ein mechanischer Kontakt zwischen Objektiv und Probe oder Objektträger entsteht. Dies führt dazu, dass der Objektträger verbiegt oder zerbricht oder dass die Probe anderweitig zerstört wird. Dadurch können teurere Proben oder sogar einmalige Präparate zerstört werden. Ist ein Präparat toxisch, wird der Bediener dadurch zusätzlich gefährdet. Abstandsmessungen und darauf basierende Warnsysteme sind also erstrebenswert.
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Aus der Praxis sind die verschiedensten Autofokussysteme bekannt. Diese untergliedern sich im Wesentlichen in bildgestützte Verfahren und in nicht bildgestützte Verfahren. Bei bildgestützten Verfahren wird die Schärfe des mittels einer Kamera oder eines Kamerasystems aufgenommenen Mikroskopbilds ausgewertet. Dazu wird in einem Analyserechner ein Frame-Grabber eingesetzt. Die über dem Frame-Grabber aufgenommenen Bilder werden meist auf Graustufenbilder mit 8 Bit Farbtiefe reduziert. Danach werden Kantenfilter auf die Bilder angewendet. Befindet sich ein Bild im Fokus, so zeichnen sich diese sehr deutlich in dem Kamerabild ab. Kann in dem gefilterten Bild keine ausreichend scharfe Kante detektiert werden, so wird der Abstand zwischen Objektiv und Probe um einen gewissen Betrag angepasst, erneut ein Bild aufgenommen und die Kanten in dem Bild detektiert. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit des Abstands eine Fokuslage bestimmt werden.
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Bildgestützte Autofokusverfahren liefern zwar vergleichsweise gute Ergebnisse bei der Fokussierung, allerdings hängt die Qualität der Fokussierung in sehr starkem Maße von der Güte der Bilder ab. Können von der Probe lediglich vergleichsweise kontrastschwache Bilder gewonnen werden, beispielsweise bei Fluoreszenzmikroskopie, so ist eine Autofokussierung mit diesem Verfahren nur sehr schwierig oder überhaupt nicht möglich. Ferner treten Schwierigkeiten auf, wenn nicht nur eine einzige Fokuslage existiert. Bei Vorliegen mehrerer Fokuslagen entstehen Mehrdeutigkeiten, die geeignet ausgewertet werden müssen.
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Nicht bildgestützte Autofokusverfahren sind hingegen unabhängig von Bildeigenschaften. Diese bedienen sich meist eines Referenzpunkts, der zur Bestimmung des Abstands herangezogen wird. Hierzu kommt beispielsweise ein reflektierender Referenzpunkt an der Oberfläche des Objektträgers in Frage. Ein mono- oder polychromatischer Referenzlicht- oder -laserstrahl beleuchtet den Referenzpunkt, wird an diesem reflektiert, in eine oder mehrere Fotozellen gelenkt und dort detektiert. Durch Laufzeitmessung kann auf den Abstand zwischen Lichtquelle oder Laser und der Oberfläche geschlossen werden. Andere Verfahren nutzen chromatische Aberration aus, um einen Mehrfarbenlichtstrahl auf mehrere unterschiedlich weit von der Lichtquelle entfernte Punkte zu fokussieren. Aus dem reflektierten Lichtstrahl kann der Lichtstrahl herausgefiltert werden, der auf den Referenzpunkt fokussiert war. Auf diese Weise kann ebenso auf einen Abstand geschlossen werden.
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Problematisch an bekannten Autofokusverfahren - unabhängig ob bildgestützte oder nicht bildgestützte - ist, dass durch die zusätzlich notwendigen Geräte erhebliche Kosten anfallen. Insbesondere bei lasergestützten Autofokussystemen tritt zusätzlich das Problem auf, dass Bediener des Mikroskops vor dem Einfluss von Laserlicht geschützt werden müssen. Diese zusätzlichen Kosten sind beispielsweise bei dem Aufbau eines Systems zum Schutz der Probe oder eines Objektträgers vor Zerstörung nicht tragbar. Hier soll lediglich der Bediener vor einem zu geringen Abstand gewarnt werden, so dass Kosten im Bereich von mehreren Tausend Euro nicht hingenommen werden. Zudem sind die bekannten Verfahren meist vergleichsweise langsam, so dass eine schnelle Warnung eines Bedieners nur schwer möglich ist. Ferner ist problematisch, dass die bekannten Systeme in starkem Maße von kleinen Verschmutzungen des Probenträgers beeinflusst werden. So wirken sich beispielsweise Staubkörner äußerst negativ auf bildgestützte Verfahren aus.
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Die
DE 197 33 297 A1 offenbart eine Messvorrichtung, mit der die Dicke eines flachen Körpers gemessen werden kann. Dazu wird eine Kameravorrichtung mit einem als Mikroskop wirkenden Vergrößerungsobjektiv senkrecht auf die Oberfläche des zu vermessenden Körpers gerichtet. In der Nähe der Kamera ist ein induktiver Abstandssensor angeordnet, der den Abstand zu der Auflagefläche des Körpers bestimmt. Aus der Differenz der Messwerte der Kamera und des Abstandssensors wird die Dicke des Materials ermittelt.
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Die
DE 100 59 232 A1 offenbart für sich gesehen eine Einrichtung zur Montage und Einstellung von Abstandsmesssensoren, die kapazitiv oder induktiv ausgeführt sind.
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Die
DE 102 44 619 A1 offenbart eine Einrichtung und ein Verfahren zur optischen Objektuntersuchung, bei der eine Tauchelektrode in ein Flüssigkeitstropfen eingetaucht ist, der zusammen mit dem Gehäuse des Objektivs eine Elektrodenanordnung bildet. Aus der Kapazität der Anordnung wird der Abstand bestimmt. Dazu ist es jedoch notwendig, die Probe zu bestromen.
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Die
DE 199 11 958 A1 offenbart ein Verfahren zur induktiven Abstandsmessung sowie einen Arbeitskopf zur Durchführung des Verfahrens. Dazu ist um den Arbeitskopf herum eine Induktionsspule angeordnet, die mit einem Wechselstrom im Megaherzbereich bestromt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine schnelle und präzise Bestimmung des Abstands zwischen Objektiv und Probe oder Objektträger bei gleichzeitig niedrigen Kosten und einer möglichst einfachen Konstruktion ermöglicht wird. Dazu soll zusätzlich ein geeigneter Sensor angegeben werden. Ein entsprechendes Autofokusverfahren soll angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Anordnung zum Bestimmen des Abstands derart ausgestaltet, dass an dem Objektiv oder in unmittelbarer Nähe des Objektivs ein kapazitiver Sensor angebracht ist, in dessen Messbereich sich die Probe und/oder ein die Probe tragender Objektträger befindet oder in diesen bringbar ist, wobei die Probe und/oder der Objektträger eine messbare Änderung der Kapazität des Sensors hervorruft und wobei aus der Änderung der Kapazität des Sensors der Abstand der Probe und/oder des Objektträgers zu dem Sensor und damit der Abstand der Probe zu dem Objektiv bestimmbar ist.
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In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass auf teuere und aufwendige bildgestützte Verfahren oder auf teure optische Verfahren beispielsweise unter Anwendung von Laserlicht verzichtet werden kann. Stattdessen können besonders einfach kapazitive Sensoren eingesetzt werden. Diese Sensoren erzeugen ein Streufeld, das durch in den Messbereich des Sensors tretende Materialien oder Flüssigkeiten beeinflusst wird. Ein sich dem Sensor nähernder Nichtleiter führt dazu, dass in Folge der gegenüber Luft erhöhten relativen Dielektrizitätszahl eine Zunahme der Kapazität des Sensors detektiert werden kann.
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Erfindungsgemäß können diese Effekte auch im Zusammenhang mit der Mikroskopie genutzt werden. Dazu wird an dem Objektiv oder in unmittelbarer Nähe des Objektivs ein kapazitiver Sensor angebracht. Dabei ist der Sensor derart angeordnet, dass sich die Probe und/oder ein die Probe tragender Objektträger im Messbereich des Sensors befinden. Alternativ kann der Sensor auch verschwenkbar ausgestaltet sein, so dass die Probe oder der Objektträger erst nach Verschwenkung in den Messbereich des Sensors tritt. Die Probe und/oder der Objektträger rufen in Abhängigkeit des Abstands zu dem Sensor eine messbare Änderung der Kapazität des Sensors hervor. Aus der Änderung der Kapazität kann in einfachster Weise auf den Abstand der Probe und/oder des Objektträgers zu dem Sensor geschlossen werden. Daraus kann wiederum der Abstand der Probe zu dem Objektiv ermittelt werden. Auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache und kostengünstige Messung des Abstands zwischen Probe und Objektiv realisieren. Bei geeigneter Dimensionierung der durch den Sensor ausgestrahlten elektrischen Felder kann ein ausreichender Messbereich abgedeckt werden und gleichzeitig eine Zerstörung der Probe in Folge der in der Probe induzierten Ladungen verhindert werden.
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In vorteilhafter Weise kann der Abstand des Sensors zu der Probe dann besonders genau einem Abstand der Probe zu dem Objektiv zugeordnet werden, wenn der Sensor geeignet angebracht ist. Dies kann dann erreicht werden, wenn zwischen dem Sensor und dem Objektiv eine feste oder zumindest definierte räumliche Beziehung besteht. Dies setzt voraus, dass bei einer bekannten Position und Orientierung des Sensors stets in eineindeutiger Art und Weise auf die Position und Orientierung des Objektivs geschlossen werden kann. Dies ist meist dann möglich, wenn die Befestigung des Sensors ausreichend biegesteif und stabil ausgebildet ist. Allerdings könnte eine definierte räumliche Beziehung auch dann bestehen, wenn - beispielsweise bei einem verschwenkbaren Sensor - eine eindeutig definierte oder hinreichend genau bestimmbare Messposition eingenommen werden kann.
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Der Sensor könnte dabei direkt mit dem Objektiv verbunden sein. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass der Sensor auf das Objektiv gesteckt, geklebt oder geschweißt wird. Daneben können andere Arten der Verbindung Verwendung finden. So könnte der Sensor auf das Objektiv geschoben und mit einem Bajonettverschluss gesichert oder auf das Objektiv aufgeschraubt sein. Hierzu stehen sämtliche aus der Praxis bekannten Verfahren zur Verfügung. Es sollte jedoch sichergestellt sein, dass die Position und Orientierung des Sensors in Bezug auf das Objektiv ausreichend festgelegt oder definiert ist. So sollte die Verbindung beispielsweise derart ausgebildet sein, dass höchstens ein geringes Spiel zwischen Sensor und Objektiv entsteht.
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Daneben könnte der Sensor durch eine Haltevorrichtung angebracht sein. Diese Haltevorrichtung kann in verschiedenster Art ausgebildet sein. So könnte ein relativ beliebiger Ausschnitt aus einem Blech genutzt werden, an dem der Sensor befestigt ist. Aber auch stabförmige und aus relativ beliebigen Profilen hergestellte Haltevorrichtungen könnten verwendet werden. Die Befestigung an der Haltevorrichtung kann auf die verschiedensten Arten erreicht werden. Eine Steckverbindung kann ebenso eingesetzt werden wie eine Klebe-, Schweiß- oder Schraubverbindung. Hier wird der Anwendungsfall entscheiden, welche Art von Haltevorrichtung oder Verbindung des Sensors an der Haltevorrichtung sinnvoll sind.
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Die Haltevorrichtung selbst könnte zum einen an dem Objektiv befestigt sein. Damit ließe sich erreichen, dass ein gewisser Abstand zwischen Objektiv und Sensor möglich ist und dadurch eine eventuell mögliche Verschmutzung des Sensors vorgebeugt wird. Alternativ oder zusätzlich könnte die Haltevorrichtung an einem Objektivrevolver des Mikroskops angebracht sein. Die Verbindung zwischen Haltevorrichtung und Objektivrevolver könnte wiederum auf die verschiedenste Art und Weise entstehen. Die Haltevorrichtung könnte beispielsweise aufgeklebt sein oder mittels Schrauben an dem Objektivrevolver verschraubt sein. Hier stehen wiederum sämtliche aus der Praxis bekannten Befestigungsverfahren zur Verfügung.
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Alternativ könnte zur Befestigung des Sensors auch eine der Aufnahme eines Objektivrevolvers des Mikroskops dienen. Da gelegentlich nicht alle zur Verfügung stehenden Aufnahmen in dem Objektivrevolver verwendet werden, könnte eine Aufnahme nicht mit einem Objektiv bestückt sein. Stattdessen könnte der Sensor in die Aufnahme eingesteckt oder eingeschraubt werden. Zur Bestimmung des Abstands zwischen Sensor und Probe würde der Objektivrevolver dann derart gedreht werden, dass der Sensor auf die Probe gerichtet ist. Nachdem ein gewünschter Abstand eingestellt ist, würde der Objektivrevolver auf das gewünschte Objektiv gedreht und der Mikroskopiervorgang begonnen oder fortgesetzt werden.
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Damit durch den Sensor ein elektrisches Streufeld erzeugbar ist, muss dieser geeignet über eine Spannungsquelle mit Energie versorgt werden. Dazu erzeugt die Spannungsquelle eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung. Allerdings ist es auch möglich, eine mit Wechselspannung überlagerte Gleichspannung zur Versorgung des Sensors zu verwenden. Zur Speisung des Sensors sind die verschiedensten Verfahren und Vorrichtungen aus der Praxis bekannt. Beispielsweise könnte die Spannung über einen Koppelwiderstand in den Sensor eingekoppelt werden. Da die Kapazität des Sensors bei dem Betrieb der Anordnung bestimmt werden soll, erweisen sich meist Speisungen mit Wechselspannungen als besonders sinnvoll. Die Bestimmung der Kapazität könnte dann beispielsweise über eine Messbrücke erfolgen.
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Vorzugsweise wird jedoch dem Sensor eine Induktivität derart zugeschaltet, dass ein Schwingkreis aus dem Sensor und der Induktivität gebildet wird. Dabei können meist Parallelschaltungen von Sensor und Induktivität als besonders gut eingesetzt werden.
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Der derart entstandene Schwingkreis weist eine durch die Induktivität und den Kapazitätswert festgelegte Resonanzfrequenz auf. Die Speisung des Schwingkreises könnte dann derart erfolgen, dass eine Regelschaltung die Frequenz kontinuierlich nachregelt. Dabei könnte die Frequenz der Spannungsquelle im Wesentlichen auf der Resonanzfrequenz des Schwingkreises gehalten werden. Dadurch kann in einfacher Art und Weise direkt aus der Frequenz der durch die Spannungsquelle erzeugten Spannung eine Aussage über die Kapazität des Sensors getroffen werden. Erfolgt die Einstellung der Frequenz zusätzlich digital, so könnte in einfacher Art und Weise eine Analog-Digital-Wandlung entfallen.
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Dem gemessenen oder auf andere Art bestimmten Kapazitätswert des Sensors könnte dann ein Entfernungswert zugeordnet werden. Dies könnte durch eine geeignete Auswerteschaltung erfolgen. Analoge Schaltungen können dabei ebenso Verwendung finden wie digitale Schaltungen. Vorzugsweise kommen jedoch auf Mikroprozessoren, wie Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren oder dergleichen, basierte digitale Schaltungen zum Einsatz. In diesem Fall kann die Zuordnung des Kapazitätswerts zu einem Abstandswert besonders einfach und flexibel erfolgen. Insbesondere können beliebige Anpassungen an verschiedene Betriebsbedingungen angepasst werden.
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Die Verbindung des Sensors mit der Auswerteschaltung könnte auf verschiedene Art realisiert sein. So könnte ein kabelgebundenes Übertragungsverfahren eingesetzt werden. Hier lassen sich Zweidraht-Techniken ebenso verwenden wie die aus der Messtechnik bekannten Vierdraht-Verbindungen. Auch hinsichtlich der Wahl der verwendeten Kabel hält die Messtechnik verschiedene Möglichkeiten bereit. Lediglich beispielhaft sei auf die Verwendung von verdrillten Drähten oder Koaxialkabel verwiesen.
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Alternativ könnte die Übertragung der Signale von dem Sensor zu der Auswerteschaltung drahtlos erfolgen. Dies wäre dahingehend vorteilhaft, dass beispielsweise bei einer Drehung des Objektivrevolvers des Mikroskops kein Kabel eine beliebige Drehung behindert. Für die drahtlose Übertragung stehen die verschiedensten analogen oder digitalen Übertragungsverfahren zur Verfügung. Lediglich beispielhaft sei auf die Verwendung von Infrarot-Signalen, Bluetooth, WLAN (wireless local area network) oder andere Funktechniken verwiesen.
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Sowohl bei kabelgebundenen als auch bei kabellosen Übertragungsverfahren könnte an dem Sensor oder in unmittelbarer Nähe des Sensors eine Elektronikeinheit mit einer weiteren elektronischen Schaltung vorgesehen sein. Diese Schaltung könnte die Messung der Kapazität des Sensors durchführen und die gemessenen Kapazitätswerte zur Übertragung an die Auswerteschaltung aufbereiten. Diese Aufbereitung könnte beispielsweise in einer Verstärkung, einer Linearisierung, einer Analog-Digital-Wandlung oder einer geeigneten Codierung bestehen. Die elektronische Schaltung könnte dann auch bereits eine Spannungsquelle zum Speisen des Sensors und eventuell notwendige Regelschaltungen zum Regeln der Spannungsquelle enthalten.
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Die elektronische Schaltung selbst könnte über verschiedene Arten mit Energie versorgt werden. So könnte eine Batterie oder ein Akkumulator vorgesehen sein, der in unmittelbarer Nähe zu der Schaltung angebracht ist. Alternativ könnte eine kabelgebundene Versorgung vorgesehen sein. Diese könnte beispielsweise über Schleifkontakte erfolgen. Daneben können induktive Energiekopplungen eingesetzt werden.
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Auch wenn sich die bisherigen Ausführungen auf den Einsatz eines einzelnen Sensors zum Bestimmen des Abstands zwischen Objektiv und Probe beschränken, so könnten dennoch auch mehrere Sensoren parallel eingesetzt werden. So ließen sich beispielsweise drei Sensoren in einer Ebene anordnen. Ist die Ebene senkrecht zu der optischen Achse des Objektivs orientiert, so kann aus den Abstandsmesswerten der einzelnen Sensoren eindeutig auf die Lage der Probe in Bezug auf das Objektiv geschlossen werden. Der Anzahl der eingesetzten Sensoren und der Art der Anordnung sind prinzipiell keine Grenzen gesetzt. Hier muss wiederum der Anwendungsfall entscheiden, welche Anzahl von Sensoren sinnvoll und wünschenswert ist. In den meisten Fällen werden vor allem räumliche Einschränkungen die Zahl der Sensoren beschränken.
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Besonders einfach und Platz sparend kann die Bestimmung des Abstands zwischen einem Objektiv und einem Objekt dann vorgenommen werden, wenn ein kapazitiver Abstandssensor gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung eingesetzt wird. Dieser Sensor ist durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 15 beschrieben und löst die zuvor aufgezeigte Aufgabe. Danach ist der in Rede stehende Abstandssensor dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als im Wesentlichen koaxiale Mantelflächen angeordnet sind und dass die Elektroden derart ausgebildet sind, dass der Sensor auf das Objektiv eines Mikroskops aufsteckbar ist, wobei die Mantelflächen das Objektiv zumindest teilweise umschließen und berühren.
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In erfindungsgemäßer Weise ist hier erkannt worden, dass ein Sensor zur Bestimmung des Abstands zwischen einem Objektiv und einer damit untersuchten Probe besonders günstig ausgestaltet ist, wenn dieser direkt auf das Objektiv aufsteckbar ist. Dies kann erfindungsgemäß besonders einfach erreicht werden, wenn die Elektroden des Sensors als im Wesentlichen koaxiale Mantelflächen angeordnet sind. Wenn diese Mantelflächen zusätzlich derart ausgebildet sind, dass sie das Objektiv zumindest teilweise umschließen und gleichzeitig berühren, kann der Sensor auf das Objektiv aufgesteckt werden. Dazu sollten die Mantelflächen das Objektiv großflächig genug umschließen, damit eine ausreichend stabile Positionierung und Orientierung des Sensors auf dem Objektiv gewährleistet ist.
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Hinsichtlich einer besonders stabilen und präzisen Anbringung des Sensors auf dem Objektiv könnte zumindest die dem Objektiv am nächsten liegende Elektrode der Form des Objektivs nachempfunden sein. Auf diese Weise könnte bei geeigneten Berührungspunkten zwischen Sensor und Objektiv eine ausreichende Stabilität des Sensors erreicht werden. Dabei könnte die dem Objektiv am nächsten liegende Elektrode des Sensors das Objektiv formschlüssig berühren. Dadurch ist besonders optimaler Kontakt und eine hohe lokale Stabilität des Sensors in Bezug auf das Objektiv erreichbar.
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Der erfindungsgemäße Sensor könnte kraftschlüssig auf dem Objektiv aufgebracht sein. Alternativ könnte ein vergleichsweise beliebig ausgestaltetes Material zwischen Sensor und Objektiv eingebracht sein. Dies könnte beispielsweise ein Klebstoff sein, aber auch eine Schicht aus Gummi, Kunststoff oder dergleichen könnte die innere Elektrode des Sensors von dem Objektiv trennen. Dies hätte den Vorteil, dass der Sensor und das Objektiv kalvinisch voneinander getrennt sind.
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Zur Vermeidung einer Verschmutzung des Bereichs zwischen den Elektroden des Sensors könnte dieser an mindestens einem der Ränder der Elektroden mit einem nicht leitfähigen Material verschlossen sein. In besonders vorteilhafter Weise werden dabei die Ränder der Elektroden verschlossen, die der beobachteten Probe am nächsten liegen. Dieses Material zum Verschließen des Innenraums zwischen den Elektroden vergrößert zusätzlich die Stabilität der Sensoranordnung.
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Zur weiteren Stabilisierung des Sensors könnte der Zwischenraum zwischen den Elektroden teilweise oder vollständig mit einem nicht leitenden Material als Dielektrikum gefüllt sein. Dies könnte beispielsweise ein zwischen die Elektroden eingegossenes Harz umfassen. Dadurch würden die Elektroden in einem definierten und konstanten Abstand gehalten werden. Zum anderen würde der Sensor gegenüber mechanischer Belastung stabilisiert werden.
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Hinsichtlich einer besonders sinnvollen Anwendung des Sensors, könnten die Elektroden derart angeordnet sein, dass das durch den Sensor erzeugte Streufeld im Wesentlichen in einem Bereich um die optische Achse des Objektivs entsteht. Bei geeigneter Ausgestaltung der Elektroden kann damit erreicht werden, dass der Abstand zu einem tatsächlich interessanten Bereich bestimmt wird. Bereiche, die weit von der optischen Achse entfernt liegen bleiben dann im Wesentlichen unberücksichtigt.
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Zusätzlich kann der Sensor neben der äußeren und der inneren Elektrode über weitere Elektroden verfügen, mit der die Form des Streufeldes beeinflusst wird. So kann zwischen den beiden Elektroden an der der Probe zugewandten Kante eine Abschirmelektrode angeordnet sein, die das Streufeld in den Bereich vor dem Sensor drängt. Die zusätzlichen Elektroden können wiederum mit einer Spannung beaufschlagt werden. Auf diese Weise könnte auch die Eindringtiefe des Streufeldes in den Bereich vor dem Sensor beeinflusst und nach Bedarf gesteuert werden.
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Hinsichtlich eines Verfahrens zum automatischen Fokussieren eines Mikroskops ist die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 21 gelöst. Danach umfasst das hier in Rede stehende Verfahren die folgenden Schritte:
- - Messen der Kapazität eines an ein Objektiv des Mikroskops angebrachten kapazitiven Sensors, in dessen Messbereich sich eine mit dem Mikroskop untersuchte Probe und/oder ein die Probe tragender Objektträger befindet,
- - Vergleich der gemessenen Kapazität mit einem Referenzwert,
- - Bestimmen des Abstands des Sensors zu der Probe oder dem Objektträger aus dem Ergebnis des Vergleichs,
- - Bestimmen des Abstands des Objektivs zu der Probe oder dem Objektträger (Ist-Abstand) aus dem Abstand des Sensors,
- - Vergleich des Ist-Abstands mit einem Sollabstand zwischen Objektiv und Probe,
- - Verändern des Abstands zwischen Objektiv und Probe um einen mittels des Vergleichsergebnisses bestimmten Betrag.
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In einem ersten Schritt wird die Kapazität eines kapazitiven Sensors gemessen. Der Sensor ist an einem Objektiv des Mikroskops in geeigneter Weise angebracht, so dass aus der Entfernung des Sensors zu einer Probe in geeigneter Weise auf die Entfernung des Objektivs von einer Probe geschlossen werden kann. Die Probe, die durch das Mikroskop untersucht wird, und/oder ein die Probe tragender Objektträger sind in dem Messbereich des Sensors angeordnet oder zumindest in diesem bringbar.
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In einem nächsten Schritt wird die gemessene Kapazität des Sensors mit einem Referenzwert verglichen. Aus diesem Vergleich ergibt sich - bei Vorhandensein der Probe oder des Objektträgers - eine Abweichung, die im Allgemeinen eine Erhöhung der Kapazität darstellt und die von dem Abstand zwischen Sensor und Probe oder Objektträger abhängt. Aus der Kapazitätsänderung wird in einem nächsten Schritt der Abstand des Sensors zu der Probe oder dem Objektträger bestimmt. Da der Sensor derart an dem Objektiv angebracht ist, dass aus dem Abstand des Sensors zu der Probe oder dem Objektträger auf den Abstand des Objektivs zu der Probe oder dem Objektträger geschlossen werden kann. Dieser Ist-Abstand wird in einem nächsten Schritt mit einem Sollabstand zwischen Objektiv und Probe verglichen. Weicht der Ist-Abstand von dem Sollabstand ab, so wird der Abstand zwischen Objektiv und Probe um einen bestimmten Betrag verändert. Dies erfolgt im Allgemeinen durch Verschieben des Objektivs auf die Probe zu oder von dieser weg oder durch Bewegen des Mikroskoptischs, auf dem die Probe oder der Probenträger liegt.
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Zu einer weiteren Präzisierung der Messergebnisse könnte Wissen über die Beschaffenheit der Probe und/oder des Objektträgers genutzt werden. Verschiedene Materialien resultieren in einem unterschiedlich starken Einfluss auf die Kapazität des Sensors. So ist bei einem nicht leitenden Material dessen relative Dielektrizitätszahl ausschlaggebend. Diese hängt von der Art des Materials ab. So weist beispielsweise Glas, aus dem Objektträger meist gebildet sind, eine relative Dielektrizitätszahl von 6 bis 8 auf. Wasser hingegen, in dem beispielsweise die Probe schwimmt, hat eine relative Dielektrizitätszahl von etwa 80. Sind beispielsweise keramische Bestandteile in der Probe vorhanden, so kann die Dielektrizitätszahl eine Größenordnung von mehreren Hunderttausend erreichen. Diese unvollständige und lediglich beispielhafte Auflistung zeigt, dass aus einer Kapazitätsänderung nicht zwangsläufig und ohne weiteres auf den Abstand des Objektivs zu der Probe geschlossen werden kann. Im Allgemeinen ist jedoch ausreichend Wissen über die Beschaffenheit der Probe und/oder eines Objektträgers vorhanden, so dass die Unsicherheit reduziert oder sogar vollständig beseitigt werden kann. Dieses Wissen umfasst im Wesentlichen die Materialien, die die Probe und/oder der Objektträger aufweisen. Damit können Messgenauigkeiten bis weit unterhalb eines Mikrometers und teilweise sogar in den Bereich von Nanometern erreicht werden.
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Als Referenzwert bei einem Vergleich der gemessenen Kapazität kommt die Kapazität des Sensors zur Anwendung, die sich ohne Einfluss der Probe und/oder des Objektträgers einstellt. Diese Referenzwerte können beispielsweise durch Berechnungen, Simulationen oder Kalibrierungsmessungen gefunden werden. Die Kalibrierungsmessungen werden in vorteilhafter Weise an einem bereits an das Objektiv angebrachten Sensor durchgeführt.
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Zum Einstellen eines korrekten Abstands zwischen dem Objektiv und der Probe bzw. der gewünschten Fokusebene könnte diese Fokusebene noch geeignet bestimmt werden. Alternativ könnte der Nutzer des Systems eine gewünschte Fokusebene festlegen. Das Autofokussystem kann die Fokusebene dann geeignet durch Verändern des Abstands zwischen Objektiv und Probe einstellen.
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Vorteilhafter Weise können alle Aspekte dieser Erfindung unabhängig von dem verwendeten Mikroskop und dem verwendeten Mikroskopierverfahren eingesetzt werden. Lediglich beispielhaft sei auf die Anwendung im Zusammenhang mit der Durchlicht-, der Fluoreszenz- oder der Konfokalmikroskopie verwiesen. Wesentlich für die Anwendung ist lediglich, dass ein Abstand gemessen werden kann und für die eingesetzte Mikroskopie möglicherweise interessant ist.
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In besonders vorteilhafter Weise lässt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem erfindungsgemäßen Sensor ein System aufbauen, das quasi in Echtzeit arbeiten kann. Da keine aufwendigen Auswertungen von Bildern notwendig sind, kann die Verarbeitung der gemessenen Kapazitätswerte sehr schnell vorgenommen werden. Dadurch stehen die Abstandswerte sehr schnell zur Verfügung.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1, 15 und 21 jeweils nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen:
- 1 das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Abstandssensors,
- 2 das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Abstandssensors mit einer Abschirmelektrode,
- 3 einen erfindungsgemäßen auf ein Objektiv aufgesteckten Abstandssensor,
- 4 eine Schrägansicht eines Abstandssensors ähnlich dem gemäß 3,
- 5 einen erfindungsgemäßen Abstandssensor zum Einschrauben in einen Objektivrevolver eines Mikroskops,
- 6 den Abstandssensor gemäß 5 in eingeschraubtem Zustand,
- 7 eine erfindungsgemäße Anordnung mit drei Sensoren, die über eine Scheibe als Abstandshalter mit dem Objektiv verbunden sind,
- 8 eine erfindungsgemäße Anordnung mit jeweils drei Sensoren pro Objektiv, wobei die Sensoren über eine Scheibe untereinander verbunden und die Scheiben über eine weitere Haltevorrichtung an dem Objektivrevolver befestigt sind,
- 9 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem über eine Haltevorrichtung befestigen Sensor,
- 10 den Sensor gemäß 4, an dem zusätzlich eine Elektronikeinheit zum Durchführen der Messung und zum Übertragen der Messwerte über eine drahtlose Verbindung angebracht ist und
- 11 eine elektronische Schaltung zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Abstandssensor und soll das Funktionsprinzip eines derartigen Sensors verdeutlichen. Der Abstandssensor 1 besteht aus einer äußeren Elektrode 2 und einer inneren Elektrode 3, zwischen denen sich ein elektrisches Streufeld ausbildet. Einzelne Feldlinien 4 dieses Streufeldes sind in 1 schematisch abgebildet. Im Abstand d zu Sensor 1 befindet sich ein Objekt 5. Unabhängig davon, ob das Objekt 5 einen Leiter oder einen Nichtleiter umfasst, wird das Objekt 5 in Abhängigkeit von dem Abstand d Einfluss auf die Kapazität des Sensors nehmen. Diese Änderung der Kapazität kann durch eine geeignete Mess- und Auswerteschaltung detektiert und dem Abstand d zugeordnet werden.
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2 zeigt ebenso das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Abstandssensors, der jedoch zusätzlich zu den Bestandteilen des Abstandssensors aus 1 eine Abschirmelektrode 6 aufweist. Zwischen den Elektroden 2 und 3 bildet sich ebenso bei Beaufschlagung des Sensors mit einer Spannung ein Streufeld aus, dessen Feldlinien 4 in der 2 angedeutet sind. Im Gegensatz zu den Feldlinien aus 1 erstreckt sich das Feld jedoch in dem äußeren Bereich des Sensors, während im Inneren im Wesentlichen keine Feldlinien ausgebildet sind.
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3 zeigt nun die Anwendung dieses Funktionsprinzips bei einem erfindungsgemäßen Abstandssensor, der auf ein Objektiv aufsteckbar ist. 3 zeigt einen Schnitt durch einen derartigen Sensor, wobei die Schnittebene die optische Achse 9 des Objektivs 8 enthält. Der Abstandssensor 7 weist erneut eine äußere Elektrode 2 auf, die in dieser Ausgestaltung des Sensors als Mantelfläche eines Zylinders ausgestaltet ist. Die innere Elektrode 3 ist der Form des Objektivs 8 im Wesentlichen nachempfunden und berührt das Objektiv 8 formschlüssig, auch wenn in der Zeichnung der Übersichtlichkeit wegen ein kleiner Spalt zwischen Objektiv 8 und äußere Elektrode 3 gezeichnet ist. Zusätzlich weist die innere Elektrode 3 einen scheibenförmigen Bereich 10 auf, der im Wesentlichen parallel zu dem Objekt 5 - der untersuchten Probe oder dem die Probe tragenden Objektträger - angeordnet ist. Das Objektiv 8 tritt im Bereich des Mittelpunkts des scheibenförmigen Bereichs 10 durch die innere Elektrode 3 hindurch, so dass die Objektivlinse 11 nicht durch den Abstandssensor 7 verdeckt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass Mikroskopieren einschließlich eines parallelen Messens des Abstands möglich ist.
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Zwischen den Elektroden 2 und 3 bildet sich ein elektrisches Feld aus, das ebenso Komponenten in Form eines Streufelds aufweist. Die Feldlinien 4 des Streufelds bilden sich zwischen der Elektrode 2 und dem scheibenförmigen Bereich 10 der Elektrode 3 aus. Tritt das Objekt 5 nun in den Messbereich des Sensors 7, d.h. erreicht das elektrische Feld mit einer ausreichenden Feldstärke das Objekt 5, so wird sich in Abhängigkeit von dem Abstand d des Objektivs von dem Objekt 5 eine Kapazitätsänderung einstellen. Umfasst das Objekt 5 einen Nichtleiter, so wird eine Erhöhung der Kapazität in Folge der gegenüber der Umgebung erhöhten Dielektrizitätszahl des Objekts 5 zu verzeichnen sein.
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4 zeigt einen derartigen Abstandssensor in einer perspektivischen Darstellung ohne Objektiv. Allerdings sind in der hier dargestellten Ausführungsform die äußere Elektrode 2 und die innere Elektrode 3 beide der Form eines Objektivs 8 nachempfunden. Daher weist die innere Elektrode 3 keinen scheibenförmigen Bereich 10 auf. Die innere Elektrode 3 bildet dennoch eine Öffnung 12, durch die die Objektivlinse freien Zugang zu dem von der Probe kommenden Licht erhält. Über ein Anschlusskabel 13 wird der Sensor 7 mit elektrischer Energie versorgt und eine Auswertung der Kapazität des Sensors 7 vorgenommen.
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In 5 ist eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Abstandssensors 7" dargestellt. Der Abstandssensor 7" weist ähnlich wie der Abstandssensor gemäß 4 eine äußere und eine innere Elektrode auf, die der Form eines Objektivs nachempfunden sind. Der Sensor 7" weist jedoch zusätzlich ein Gewinde 14 auf, mit dem der Sensor 7" in einen Objektivrevolver eines Mikroskops eingeschraubt werden kann.
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6 zeigt diesen Abstandssensor 7" in einem eingeschraubten Zustand, während er zur Messung des Abstands auf ein Objekt 5 gerichtet ist. Zusätzlich zu dem Abstandssensor 7" sind zwei Objektive 8 in den Objektivrevolver 15 eingeschraubt. Ist der Abstand zwischen dem Sensor 7" und dem Objekt 5 bestimmt, so kann der Objektivrevolver 15 derart gedreht werden, dass eines der Objektive 8 auf das Objekt 5 gerichtet ist und das Objekt 5 betrachtet werden kann. Dieser in den Objektivrevolver einschraubbarer Sensor eignet sich für ein Autofokussystem, ist jedoch zu einer direkten Überwachung des Mikroskopiervorgangs zum Schutz gegen Zerstörung der Probe weniger geeignet. Hier könnte lediglich einmalig der Abstand zwischen der Probe 5 und dem Sensor 7" bestimmt werden und im Folgenden die Abstandsänderungen zwischen der Probe 5 und einem der Objektive 8 nachverfolgt werden und der tatsächliche Abstand daraus berechnet werden. Damit können dennoch vergleichsweise genaue Abstandsinformationen bestimmt werden, die zu einer Warnung des Bedieners des Mikroskops vor einem zu geringen Abstand geeignet sind.
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In 7 ist eine weitere Ausgestaltung der Anordnung dargestellt. Auf einem Objektiv 8, das mit einem Gewinde 14 zum Einschrauben in einen Objektivrevolver versehen ist und eine Objektivlinse 11 aufweist, ist eine Haltevorrichtung 16 befestigt. Die Haltevorrichtung 16 ist als Scheibe ausgestaltet und trägt 3 Abstandssensoren 7'''. Idealerweise ist die Scheibe derart angeordnet, dass die optische Achse des Objektivs 8 senkrecht auf der Haltevorrichtung 16 steht. Sind die Abstandssensoren 7''' gleich ausgestaltet, so kann auf diese Weise neben dem Abstand des Objektivs 8 zu der Probe 5 die Orientierung der Probe 5 und des Objektivs 8 relativ zueinander bestimmt werden.
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8 zeigt eine derartige Anordnung, in eingebautem Zustand. Die Anordnung gemäß 7 ist in doppelter Ausführung vorhanden und in einen Objektivrevolver 15 eingeschraubt. Eine der Aufnahmen 17 des Objektivrevolvers verbleibt dabei aus zeichentechnischen Gründen leer. Diese könnte jedoch ebenso bestückt sein und über ein Sensorsystem wie die anderen Objektive verfügen. Beide dargestellten Haltevorrichtungen sind mit einer zentralen Einheit 18 verbunden, die wiederum über ein Befestigungselement 19 mit dem Objektivrevolver 15 verbunden ist. Diese zentrale Einheit kann mehrere Aufgaben erfüllen. Zum einen kann sie rein dazu dienen, die Haltevorrichtungen in Bezug auf den Objektivrevolver 15 zu fixieren oder zu halten. In diesem Fall kann eine Haltevorrichtung auch ausschließlich an der zentralen Einheit und nicht an einem Objektiv befestigt sein. Zum anderen kann in der zentralen Einheit 18 eine elektronische Schaltung angeordnet sein, die eine Messung der Kapazität der Sensoren 7''' durchführt und die Messwerte für eine weitere Verwertung und/oder Übermittlung aufbereitet. Allerdings könnte auch bereits hier die Auswertung der Messwerte vorgenommen werden. Das Befestigungselement 19 könnte in diesem Fall nicht nur zum Befestigen der zentralen Einheit 18 dienen, sondern auch Leitungen aufnehmen, die zur Energie- und Datenübertragung genutzt werden.
In 9 ist eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Ein Objektiv 8 mit einem Gewinde 14 zum Einschrauben in einen Objektivrevolver und einer Objektivlinse 11 ist über eine Haltevorrichtung 16 mit einem Sensor 7''' verbunden. Um das Objektiv 8 herum ist eine Manschette 20 angeordnet, an der wiederum ein Teil der Haltevorrichtung 16 befestigt ist, mit dem der Sensor 7''' in Abstand zu der Objektivlinse 11 gehalten wird. Ähnlich wie bei den zuvor genannten Ausführungsbeispielen kann auch hier die Haltevorrichtung 16 bzw. die Manschette 20 auf das Objektiv 8 aufgesteckt, mit diesem verklebt oder verschweißt, mit Bajonettverschlüssen oder dergleichen gesichert, auf das Objektiv geschraubt, gequetscht oder auf andere aus der Praxis bekannte Weise verbunden sein.
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Die in 9a dargestellte Anordnung kann auf verschiedene Art und Weise betrieben werden. Ist der Sensor 7''' parallel zu der optischen Achse 9 des Objektivs 8 ausgerichtet, so kann ein geringfügig versetzter Bereich einer vor der Anordnung befindlichen Probe vermessen und beobachtet werden. Ist der Sensor 7''' gegenüber der optischen Achse 9 des Objektivs 8 - wie in den 9b und 9c dargestellt - verkippt, so kann die Anordnung in eine Messposition und eine Beobachtungsposition verschwenkbar ausgestaltet sein. 9b zeigt die Anordnung in einer Beobachtungsposition. Auf diese Weise kann die Probe 5 mikroskopiert werden. Wird die Anordnung in eine Messposition verkippt, so kann an der im Wesentlichen gleichen Position der Probe 5 eine Abstandsmessung durchgeführt werden. Auf diese Weise kann auch bei sehr ungleichmäßig hohen Proben eine zuverlässige Abstandsmessung durchgeführt werden.
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10 zeigt einen Abstandssensor 7' gemäß 4, an dem zusätzlich eine Elektronikeinheit 21 befestigt ist. Die Elektronikeinheit 21 enthält eine elektronische Schaltung, die eine Messung der Kapazität durchführen und die Messwerte geeignet aufbereiten kann. Hier können wiederum bereits erste Auswertungen der Messwerte durchgeführt werden, wie beispielsweise ein Vergleich mit einem Referenzwert, Linearisierungen oder dergleichen. Gleichzeitig kann die Elektronikeinheit 21 die Messwerte oder die ausgewerteten Messwerte zur Übertragung an eine weitere Einheit aufbereiten und über ein kabelgebundenes oder kabelloses Verfahren zu dieser Einheit übertragen.
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In 11 ist eine Schaltung dargestellt, die zum Betreiben der erfindungsgemäßen Anordnung und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Ein Abstandssensor 7 ist auf eine Probe 5 gerichtet, wodurch der Abstand zwischen dem Sensor 7 und der Probe 5 bestimmbar ist. Zur Veränderung des Abstands ist die Probe längs der z-Richtung mit einem geeigneten Antriebsmittel 22 verbunden. Im Allgemeinen wird dieses Antriebsmittel 22 der Stellantrieb für den Mikroskoptisch sein, der die Probe 5 oder den die Probe tragenden Objektträger trägt. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor in oder entgegen der z-Richtung bewegt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Bewegung des Objektivrevolvers durch Antriebsmittel 23 erfolgen, wodurch auch das in dem Objektivrevolver eingeschraubte und den Sensor tragende Objektiv bewegt wird.
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Der Sensor 7 ist mit einer Sensorelektronik 24 verbunden, die wiederum über eine Übertragungsstrecke 25 mit einer Empfangseinheit 26 verbunden ist. Die drei Komponenten (24, 25, 26) können in unterschiedlicher Art und Weise ausgestaltet sein. So kann die Sensorelektronik 24 eine Messung der Kapazität des Sensors 7 durchführen, die Messwerte für eine drahtlose Übertragung vorbereiten und über eine Funkübertragungsstrecke 25 zu der Empfangseinheit 26 übertragen. Alternativ könnte die Sensorelektronik 24 entfallen und die Übertragungsstrecke 25 durch ein Koaxialkabel gebildet sein. Die Empfangseinheit 26 wäre in diesem Fall eine Einheit, die gleichzeitig die Energieversorgung des Sensors 7 und Messung der Kapazität des Sensors 7 durchführt. Weitere Ausgestaltungen derartiger Verbindungen sind aus der Praxis hinlänglich bekannt und für einen Fachmann offensichtlich.
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Die Empfangseinheit 26 ist mit einer Auswerteschaltung 27 verbunden. Die Auswerteschaltung 27 ordnet den bestimmten Kapazitätswert einem Abstandswert zwischen Sensor und Probe zu. Dies erfolgt im Allgemeinen über aus der Praxis bekannte Zuordnungsvorschriften. Diese Zuordnungsvorschriften können in Form von Tabellen realisiert werden, was insbesondere bei einer Auswerteschaltung in Form eines Digitalrechners besonders einfach realisierbar ist. Kapazitätswerte zwischen abgespeicherten Werten könnten geeignet interpoliert werden. Alternativ könnte die Zuordnung zwischen Kapazitäts- und Abstandswert durch die Auswerteschaltung geeignet berechnet werden. Die Auswerteschaltung könnte zusätzlich eine digitale oder analoge Linearisierung durchführen und nichtlineare Messeffekte eliminieren.
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Die Auswerteschaltung 27 generiert zusätzlich Steuersignale, mit denen eine Steuereinheit 28 angesprochen werden kann. Diese Steuereinheit 28 treibt das Antriebsmittel 22 und/oder das Antriebsmittel 23 zum Verändern des Abstands zwischen Sensor 7 und Probe 5 geeignet an.
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Zusätzlich kann die Auswerteschaltung 27 mit einer externen Steuereinheit 29 verbunden sein. Diese Steuereinheit 29 kann beispielsweise dazu genutzt werden, Wissen über die Probe 5 in die Auswerteschaltung 27 einzugeben. Allerdings kann diese Steuereinheit 29 auch dazu dienen, die bestimmten Abstandswerte für den Nutzer zu visualisieren oder Warnhinweise an den Nutzer auszugeben. Die Steuereinheit 29 kann auf verschiedenste Weise realisiert werden. Beispielhaft sei auf die Verwendung eines Personal Computers, eines PDA (Personal Digital Assistant), eines SmartPhones oder spezieller Hardware hingewiesen.
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Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich gewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken