DE102006040636B3

DE102006040636B3 - Autofokus-System und Verfahren zum Autofokussieren

Info

Publication number: DE102006040636B3
Application number: DE102006040636A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Sander
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Instruments Singapore Pte Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: US20070262232A1; US7626151B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Autofokus-System für ein optisches Instrument (1), das ein Objekt (11) abbildet, mit einer Einstrahlungsoptik (7) zur Erzeugung eines Einstrahlungsstrahlengangs, der ein Autofokus-Muster auf dem Objekt (11) erzeugt, wobei der Einstrahlungsstrahlengang mittels eines Umlenkelements (10) auf das Objekt gelenkt wird, und mit einer Autofokus-Auswerteeinheit (19), der ein Detektorstrahlengang, der vom Objekt (11) reflektierte Strahlung des Einstrahlungsstrahlengangs umfasst, mittels eines Umlenkelements (15) zugeführt wird, wobei als Umlenkelement (10) für den Einstrahlungsstrahlengang und als Umlenkelement (15) für den Detektorstrahlengang gemeinsam ein Mikrospiegelarray (20) mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Autofokus-System für ein optisches Instrument, das ein Objekt abbildet. Das Autofokus-System weist eine Einstrahlungsoptik zur Erzeugung eines Einstrahlungsstrahlengangs auf, der ein Autofokus-Muster auf dem Objekt erzeugt, wobei der Einstrahlungsstrahlengang mittels eines Umlenkelements auf das Objekt gelenkt wird. Weiterhin weist das Autofokus-System eine Autofokus-Auswerteeinheit auf, der ein Detektorstrahlengang mittels eines Umlenkelements zugeführt wird, wobei dieser Detektorstrahlengang die vom Objekt reflektierte Strahlung des Einstrahlungsstrahlengangs repräsentiert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Autofokussieren unter Verwendung eines entsprechenden Autofokus-Systems.
Eine Autofokus-Anordnung ist aus der DE 41 31 737 C2 bekannt. Diese wird für ein Stereomikroskop mit einem Hauptobjektiv eingesetzt. Bei diesem Autofokus-System wird durch eine Projektionsoptik ein Projektionsstrahlengang erzeugt, wobei die Projektionsoptik eine Laserdiode, eine Kollimatorlinse, optional einen Abschwächer und eine Zylinderlinse hintereinandergeschaltet aufweist. Hierdurch wird in einer Fokalebene das Bild einer strichförmigen Markierung erzeugt, das seinerseits mittels einer weiteren Linse, eines Umlenkelements und dem Hauptobjektiv des Stereomikroskops auf die Objektoberfläche abgebildet wird. Der Projektionsstrahlengang erzeugt somit als Autofokus-Muster ein Linien muster auf der Objektoberfläche. Mittels eines weiteren Umlenkelements wird ein Teil des Beobachtungsstrahlengangs, der das vom Objekt reflektierte Licht des Projektionsstrahlengangs enthält, ausgekoppelt und einem lichtempfindlichen, ortsauflösenden und aus mehreren sensitiven Einzelelementen bestehenden Positionsdetektor als Autofokus-Auswerteeinheit zugeführt. Hier entspricht der Projektionsstrahlengang dem eingangs erwähnten Einstrahlungsstrahlengang und der ausgekoppelte Beobachtungsstrahlengang dem eingangs erwähnten Detektorstrahlengang.
Bei diesem bekannten Autofokus-System führt eine Defokussierung zu einer lateralen Verschiebung des Bildes der strichförmigen Markierung auf dem Positionsdetektor, die über die Autofokus-Auswerteeinheit registriert und als Regelsignal zum Nachfokussieren für einen Fokusmotor verwendet wird. Hauptkriterium bei diesem bekannten Autofokus-System ist die Tatsache, dass dort der Projektionsstrahlengang bis zum Objekt vollständig außerhalb der Beobachtungsstrahlengänge verläuft und somit vom Projektionsstrahlengang verursachte Störreflexe am Objektiv in die Beobachtungsstrahlengänge hinein weitgehend ausgeschlossen sind. Zur Autofokussierung wird motorisch die Schnittweite des verwendeten Objektivs verstellt oder das komplette Stereomikroskop wird motorisch entlang der optischen Achse verfahren.
Ein anderes Autofokus-System ist aus der EP 1 241 506 A2 bekannt. Hier wird eine (Video-) Kamera, die zu Dokumentationszwecken an einem Operationsmikroskop vorhanden ist, zum Auffinden der richtigen Fokuslage des Mikroskops verwendet. Die Kamera weist einen Bildaufnehmer und eine Signalprozessoreinheit auf, wobei letztere die optimale Fokussierung beispielsweise nach der Kontrastmethode ermittelt. Mittels einer Schnittstelle in der Kamera und einer weiteren Schnittstelle im Mikroskop werden die in der Kamera erzeugten Regelsignale zur Fokussierung in eine Steuereinheit des Mikroskops übertragen, wobei letztere entsprechende Stelleinheiten im Mikroskop ansteuert, die die Objektivbrennweite zur Autofokussierung verändern. Außer der genannten (Video-) Kamera wird bei diesem Autofokus-System kein separates Messmodul verwendet.
In der DE 197 245 483 A1 ist eine Autofokus-Anordnung beschrieben, bei der jeweils ein Umlenkelement für einen Einstrahlungs-/Projektionsstrahlengang sowie einen Detektorstrahlengang vorgesehen ist. Diese Umlenkelemente können auch durch eine mehrteilige Prismenanordnung ersetzt werden. Die Umlenkelemente bzw. die Prismenanordnung sind hierbei (vom abzubildenden Objekt aus gesehen) hinter einem Vergrößerungsvariationssystem eines optischen abbildenden Instruments angeordnet.
Die DE 697 20 458 T2 offenbart ein Konfokalmikroskop mit einem Mikrospiegelarray, dessen Spiegelelemente in einer "on"- oder "off"-Position sein können, wobei Beleuchtungslicht über Mikrospiegelelemente in der "on"-Position in die Objektebene fokussiert wird und von dort ausgehendes Fluoreszenzlicht über den selben optischen Weg zu einer Kamera geführt wird, während Licht, das aus Bereichen außerhalb des Fokus stammt, über die Mikrospiegel in "off"-Position zu einer weiteren Kamera geleitet werden. Weiterhin sind aus den Druckschriften DE 198 11 202 A1 und WO 2006/021205 A1 optische Instrumente zur Rasterung von Probenoberflächen bekannt, wobei diese optischen Instrumente Mikrospiegelarrays einsetzen.
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Autofokus-System anzugeben, das mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand eine zuverlässige Autofokussierung ermöglicht. Weiterhin soll ein Verfahren zum Autofokussieren angegeben werden, das auf schnelle und zuverlässige Weise eine Autofokussierung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Autofokus-System gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Autofokussieren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht von einem Autofokus-System für ein optisches Instrument, das ein Objekt abbildet, aus, wobei dieses System eine Einstrahlungsoptik zur Erzeugung eines Einstrahlungsstrahlengangs aufweist, der ein Autofokus-Muster auf dem Objekt erzeugt, wobei der Einstrahlungsstrahlengang mittels eines Umlenkelements auf das Objekt gelenkt wird. Das System weist weiterhin eine Autofokus-Auswerteeinheit auf, der ein Detektorstrahlengang mittels eines Umlenkelements zugeführt wird, wobei dieser Detektorstrahlengang vom Objekt reflektierte Strahlung des Einstrahlungsstrahlengangs umfasst. Mittels der Autofokus-Auswerteeinheit kann in bekannter Weise die vom Objekt reflektierte Strahlung des auf der Objektoberfläche erzeugten Autofokus-Musters hinsichtlich Lage, Form und/oder Intensität ausgewertet und hieraus eine maximale Schärfenposition abgeleitet werden. Erfindungsgemäß ist bei diesem System als Umlenkelement für den Einstrahlungsstrahlengang und als Umlenkelement für den Detektorstrahlengang gemeinsam ein Mikrospiegelarray mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln vorgesehen.
Ein solches Mikrospiegelarray besteht in der Regel aus einer zweidimensionalen Anordnung mit einer Vielzahl von Mikrospiegeln, die entweder einzeln oder in geeigneter Kombination in ihrer Winkelstellung elektronisch angesteuert und damit verstellt werden können. Hierbei bleibt das die Mikrospiegel aufnehmende Grundelement in seiner Lage unverändert. Dennoch kann im Mikrobereich die Spiegelorientierung verändert werden. Dies hat die gleiche Wirkung wie das Verkippen eines Makrospiegels. Im Gegensatz zur Verkippung eines Makrospiegels bedarf die Verkippung der Mikrospiegel bei feststehendem Grundelement viel weniger Raum. Zudem werden durch die Erfindung zwei Umlenkelemente (jeweils einer für den Einstrahlungsstrahlengang und den Detektorstrahlengang) durch ein einziges Mikrospiegelarray ersetzt. Somit werden die Anzahl der benötigten Komponenten und der Platzbedarf eines Autofokus-Systems reduziert.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Mikrospiegelarrays als Umlenkelement für den das Autofokus-Muster erzeugenden Einstrahlungsstrahlengang kann dieses Autofokus-Muster in seiner Lage und Geometrie sowie in seiner Lichtintensität durch entsprechende Ansteuerung des Spiegel-Arrays gezielt verändert werden, wobei sich Lage, Geometrie und Intensität zudem zeitlich variieren lassen. Das Autofokus-Muster kann beispielsweise punktförmig, kreisförmig, spalt-, ring-, linien-, streifen- oder mondphasenförmig sein. Somit bietet der Einsatz eines Mikrospiegelarrays vielfältige Möglichkeiten zur Erzeugung geeigneter Autofokus-Muster.
Das erfindungsgemäße Autofokus-System hat zudem den bedeutenden Vorteil, dass es kein separates Autofokus-Modul mit einer Spezialbeleuchtung (Laser) benötigt, sondern bei einem optischen Instrument, das zur Beleuchtung des Objekts eine Beleuchtungsoptik verwendet, die vorhandene Beleuchtungsoptik zum Auffinden der Fokuslage ausnutzen kann. Hierbei wird nämlich der das Autofokus-Muster erzeugende Einstrahlungsstrahlengang durch zumindest einen Teil des Beleuchtungsstrahlengangs gebildet, der von der Beleuchtungsoptik des optischen Instruments erzeugt wird. Hierzu müssen die Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays derart einstellbar sein, dass aus dem Beleuchtungsstrahlengang das Autofokus-Muster auf dem Objekt erzeugt werden kann. Hierzu werden auf dem Mikrospiegelarray eine bestimmte Menge der Mikrospiegel so geschaltet und verkippt, dass es als geometrischer Strahlenteiler wirkt. Durch individuell angesteuerte Mikrospiegel-Bereiche können so die das Autofokus-Muster bildenden Strahlen erzeugt werden. Gleichzeitig dient das Mikrospiegelarray zum Auskoppeln des Detektorstrahlengangs, wobei auch hierzu wieder Mikrospiegelbereiche so geschaltet und verkippt werden, dass die vom Objekt reflektierte Strahlung aus dem Bereich des Autofokus-Musters auf der Objektoberfläche auf die Autofokus-Auswerteeinheit gelenkt wird.
Zusätzlich oder alternativ zur Erzeugung des Autofokus-Musters mittels geeignet angesteuerter Bereiche des Mikrospiegelarrays kann in den Beleuchtungsstrahlengang ein Mikrodisplay eingebracht werden, durch das das gewünschte Autofokus-Muster auf dem Objekt erzeugt wird. Durch den Ein satz eines oder mehrerer Mikrodisplays in den Beleuchtungs- strahlengang, vorzugsweise zwischen dem Umlenkelement (Mikrospiegelarray) und der Lichtquelle, kann wiederum die Lage, Geometrie und/oder Intensität des Autofokus-Musters durch entsprechende Ansteuerung des Mikrodisplays vorgegeben und variiert werden. Die bereits im Zusammenhang mit der Erzeugung des Autofokus-Musters durch das Mikrospiegelarray besprochenen Ausgestaltungen sowie die dort geschilderten Vorteile gelten in analoger Weise für den Einsatz eines Mikrodisplays.
Mikrodisplays sind in gleicher Weise wie Mikrospiegelarrays als solche im Stand der Technik bekannt. Daher sollen Einzelheiten der Ansteuerung von Mikrospiegelarrays bzw. Mikrodisplays in vorliegender Patentanmeldung nicht im einzelnen erläutert werden. Hierzu sei auf die Literatur des Standes der Technik verwiesen. Mikrodisplays werden etwa in Video- oder Bildschirmbrillen integriert und werden auch als Displays für Handcomputergeräte, wie Mobiltelefone, PDAs etc. verwendet. Unter dem Begriff Mikrodisplay sollen auch mikroelektromechanische Systeme (MEMS) fallen, die mit winzigen Spiegeln ausgerüstet sind und mit Front- und Rückprojektion arbeiten. Weiterhin lassen sich Mikrodisplays in transmissive und reflektive Displays einteilen, wobei transmissive Displays in den genannten technischen Anwendungen mit Hintergrundbeleuchtung arbeiten. Solch ein transmissives Display kann folglich im Rahmen vorliegender Erfindung von dem Beleuchtungsstrahlengang "beleuchtet" oder durchsetzt werden. Auf diesem Display können Bildmuster generiert werden, die das Autofokus-Muster in gewünschter Weise festlegen oder verändern. Nachteil transmissiver Displays bei diesem Einsatz ist der häufig schlechte Transmissionsgrad, so dass auch reflektive Displays zum Einsatz kommen können. Hierdurch wird die Effizienz der Beleuchtung wesentlich gesteigert. Wird ein sol ches reflektives Display in den Beleuchtungsstrahlengang einer Beleuchtungsoptik zwischen Umlenkspiegel (Mikrospiegelarray) und Lichtquelle oder Lichtleiter eingesetzt, muss der Strahlengang wegen der Reflektion am Display zusätzlich gefaltet werden.
Als Lichtquelle der Einstrahlungsoptik kann eine Weißlicht- oder eine Farblichtquelle oder eine Infrarot emittierende Lichtquelle, wie eine Diode, vorgesehen sein. Das Autofokus-Muster kann dann als hell-/dunkel-Muster bei einer Weißlichtquelle oder farbig beispielsweise bei einer Mehrfarben-LED-Lichtquelle dargestellt werden. Die Muster können aber auch im unsichtbaren Spektralbereich (beispielsweise Infrarot) dargestellt werden. Die Art der Darstellung hängt davon ab, ob der Anwender das Autofokus-Muster zur Erkennung der "Zielfokuslage" wünscht.
Zur Auswertung des Detektorstrahlengangs weist die Autofokus-Auswerteeinheit vorteilhafterweise ein CCD-Array mit auswertbaren Einzelelementen auf. Solche Auswerteeinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher im Rahmen vorliegender Erfindung nicht im Detail erläutert werden.
Der erfindungsgemäße Einsatz eines Mikrospiegelarrays erlaubt dessen Verwendung als Umlenkelement für den Einstrahlungsstrahlengang, den Beleuchtungsstrahlengang sowie als Umlenkelement für den Detektorstrahlengang. Zu diesem Zweck können die entsprechenden Bereiche des Mikrospiegelarrays fest eingestellt (feste Verkippung der Mikrospiegel in den jeweiligen Bereichen) sein, es ist aber auch eine sequentielle (zeitlich aufeinanderfolgende) Einstellung möglich, wobei hier die Flimmergrenze beachtet werden muss.
Mit dem geschilderten Autofokus-System wird ein Verfahren zum Autofokussieren eines optischen Instruments ermöglicht, wie es eingangs geschildert wurde, wobei nunmehr für das Umlenkelement des Einstrahlungsstrahlengangs sowie für das Umlenkelement des Detektorstrahlengangs ein gemeinsames Mikrospiegelarray mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln verwendet wird. Zu den Vorteilen des Verfahrens sei auf die bereits geschilderten Vorteile des erfindungsgemäßen Autofokus-Systems verwiesen.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere ein vorteilhaftes Verfahren zur Autofokussierung, bei dem von ausgewählten Bereichen des Mikrospiegelarrays zwei oder mehr Punktstrahlen erzeugt werden, die als Autofokus-Muster ein Punktmuster auf dem Objekt erzeugen, wobei durch Winkelverstellung der Mikrospiegel in den jeweiligen Bereichen des Mikrospiegelarrays eine Annäherung und schließlich eine Verschmelzung der Punkte des Punktmusters auf dem Objekt vorgenommen wird. Nach dem Prinzip der Triangulation liefert diese Winkelstellung der Mikrospiegel bzw. die Winkelstellung der Punktstrahlen zueinander bei bekanntem Abstand der die Punktstrahlen erzeugenden Bereiche auf dem Mikrospiegelarray beim Verschmelzen der Punkte ein Maß für eine Objektentfernung (bspw. zum Mikrospiegelarray oder zu einem Objektiv des optischen Instruments). Bei diesem Verfahren können die Punktstrahlen mit Vorteil wiederum aus dem vorhandenen Beleuchtungsstrahlengang abgelenkt oder ausgekoppelt werden.
Solange auf der Objektoberfläche zwei oder mehr Punkte, die von den Punktstrahlen erzeugt werden, zu sehen sind, befindet sich die Objektoberfläche nicht im Schnittpunkt der Punktestrahlen. Der Einfachheit halber werden im folgenden zwei Punktstrahlen betrachtet, die von Mikrospiegelbereichen erzeugt werden, deren Mikrospiegeln in einer Ebene oder in zueinander parallelen Ebenen liegen. Werden die Mirospiegel eines Bereiches aus dieser Ebene herausgekippt (gleiche Verkipplungswinkel der Mikrospiegel in einem Bereich), kann bei geeignetem Verkippungswinkel der entsprechende Punktstrahl in Richtung des anderen gelenkt werden. In gleicher Weise kann (zusätzlich) ein geeigneter Verkippungswinkel für den anderen Bereich gewählt werden, so dass beide Punktstrahlen aufeinander zu gelenkt werden. Die analoge Betrachtung gilt für Punktstrahlen, die durch sphärische Ausrichtung von Mikrospiegeln aus entsprechenden Bereichen des Mikrospiegel-Arrays erzeugt werden, wobei der Verkippungswinkel dann gemäß der Veränderung der Richtung der Hauptachse des Punktstrahls zu definieren ist.
Die Verkippung der Mikrospiegel in den die Punktstrahlen erzeugenden Bereichen des Arrays und damit der Winkel, den die Punktstrahlen einschließen, wird nun solange verändert, bis der Schnittpunkt der Punktstrahlen auf der Objektoberfläche zum Liegen kommt. In diesem Moment verschmelzen die vorher getrennten Punkte der Punktstrahlen zu einem einzigen (Schnitt-) Punkt. Aus dem dann jeweils eingestellten Verkippungswinkel der Mikrospiegel in den beiden Bereichen, die die Punktstrahlen erzeugen, sowie aus dem Abstand dieser beiden Bereiche läßt sich durch Triangulation die Entfernung der Bereiche zur Objektoberfläche bestimmen. Die Berechnungsmethoden bei der Triangulation sind bekannt und sollen daher im folgenden nicht explizit ausgeführt werden.
Das Verfahren funktioniert in ähnlicher Weise auch dann, wenn der Einstrahlungs- bzw. Beleuchtungsstrahlengang über das Hauptobjektiv eines optischen Instruments (wie Mikroskop) geführt wird, so dass auch die Punktstrahlen über das Hauptobjektiv verlaufen. In diesem Fall ist bei der Triangulationsberechnung noch die Brechung der Punktstrahlen durch das Hauptobjektiv zu berücksichtigen.
Somit können bestimmten Verkippungswinkeln der Bereiche auf dem Mirospiegelarray entsprechende Objektentfernungen und somit die notwendigen Verschiebungen zur Autofokussierung zugeordnet werden. Bei einem optischen Instrument mit einem Objektiv fester Brennweite (beispielsweise Brennweite von 20 cm) und einer bestimmten oder errechneten Objektentfernung zum Objektiv (beispielsweise von 25 cm) muss das Objektiv entsprechend verschoben werden (im betrachteten Beispielfall um 5 cm näher an das Objekt herangebracht werden), um eine scharfe Abbildung zu erzeugen. Bei optischen Instrumenten mit einem Objektiv variabler Brennweite (Varioobjektiv) ist es möglich, die Brennweite entsprechend anzupassen (im betrachteten Beispielsfall auf 25 cm). Selbstverständlich können die genannten Einstellmöglichkeiten (Verschieben des Objektivs oder des gesamten optischen Instruments und Einstellung einer variablen Brennweite) auch miteinander kombiniert werden, beispielsweise für den Fall, dass die aufgefundene Entfernung von Objekt und Objektiv außerhalb des Brennweitenbereichs des Varioobjektivs liegt.
Die Erfindung ermöglicht zudem eine Erkennung der Richtung der vorzunehmenden Fokussierung (also beispielsweise der Richtung, in die das Hauptobjektiv verfahren werden muss). Wandern die beiden erzeugten Punkte auf der Objektoberfläche bei einer zunehmenden Vergrößerung der Verkippung der Mikrospiegel aufeinander zu, so befindet sich das Objekt oberhalb des Schnittpunkts der Punktstrahlen, und das Hauptobjektiv muss von der Objektoberfläche weggefahren werden. Wandern bei zunehmendem Verkippungswinkel die Punkte voneinander weg, so liegt das Objekt unterhalb des Schnittpunkts der Punktstrahlen und das Hauptobjektiv muss in Richtung Objekt geschoben werden. Somit kann bereits während des Autofokussiervorgangs die Richtung bestimmt werden, in die das Hauptobjektiv verschoben werden muss, sobald die tatsächliche Objektentfernung festgestellt ist.
Eine andere Möglichkeit der Autofokussierung ergibt sich, wenn zwei oder mehr Punktstrahlen von ausgewählten Bereichen auf dem Mikrospiegelarray erzeugt werden, wobei diese Punktstrahlen über ein Objektiv des optischen Instruments auf das Objekt gelenkt werden, auf dem sie ein Punktmuster als Autofokus-Muster erzeugen, und wobei durch Verschieben des Objektivs – in der Praxis des gesamten Mikroskops – in Fokusrichtung, also entlang der optischen Achse des Objektivs, die Autofokussierung vorgenommen wird. Eine besonders einfache und vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens besteht darin, dass zwei oder mehr parallele Punktstrahlen erzeugt werden, und dass das Objektiv solange in Fokusrichtung verschoben wird, bis die auf dem Objekt erzeugten Punkte des Punktmusters auf dem Objekt zu einem Punkt miteinander verschmelzen. Dann ist die richtige Stellung des Objektivs gefunden.
Beispielsweise werden zwei parallele Punktstrahlen zweckmäßigerweise parallel zur optischen Achse des Objektivs auf dieses gerichtet, so dass beide Strahlen in der objektseitigen Fokusebene des Objektivs sich schneiden. Liegt das Objekt außerhalb dieser Fokusebene, ergeben sich statt eines Punktes zwei Punkte, die von der Autofokus-Auswerteeinheit als solche erkannt werden. Es wird nunmehr das Objektiv in Fokusrichtung, d.h. in diesem Fall in Richtung seiner optischen Achse verschoben, bis das Objekt in der Fokusebene liegt und somit nur noch ein Punkt von der Autofokus-Auswerteeinheit detektiert wird. Diese zweite Methode der Autofokussierung kann in bestimmten Fällen schneller und einfacher durchzuführen sein als die oben geschilderte erste Methode. Selbstverständlich ist diese zweite Methode auch bei anderen Anordnungen, also bei spielsweise nicht parallelen Punktstrahlen und/oder nicht symmetrisch zur optischen Achse des Objektivs verlaufenden Punktstrahlen, anwendbar, wobei in solchen Fällen jedoch meist nicht unmittelbar die richtige Stellung des Objektivs von der Autofokus-Auswerteeinheit ermittelt werden kann, sondern etwaige Zwischenrechnungen und daraus resultierende Korrekturen vorgenommen werden müssen, um den richtigen Abstand zwischen Objektiv und Objekt zu bestimmen, der der Brennweite des Objektivs entsprechen muss.
Bei Verwendung eines Objektivs variabler Brennweite (Varioobjektiv) ist es wieder möglich, anstelle einer Veränderung des Abstands des Objektivs zum Objekt zur Autofokussierung die Brennweite des Objektivs anzupassen. Wiederum können beide Fokussierarten kombiniert werden, etwa wenn das Objekt außerhalb des Brennweitenbereichs des Varioobjektivs liegt.
Wiederum ist es auch bei der erläuterten zweiten Methode der Autofokussierung schnell möglich, die Richtung der vorzunehmenden Fokussierung zu erkennen, indem wiederum beobachtet wird, ob sich die erzeugten Punkte aufeinander zu oder voneinander weg bewegen, wenn das Objektiv verfahren wird bzw. die Brennweite des Objektivs angepasst wird. Hierzu sei sinngemäß auf das im Zusammenhang mit der ersten Methode der Autofokussierung erläuterte verwiesen.
Zur Erkennung und Auswertung der zeitlichen und räumlichen Veränderung des Autofokus-Musters befindet sich neben oder auch nachgeschaltet hinter dem Hauptobjektiv des optischen Instruments, wie ein Mikroskop, eine Abbildungseinheit, die das Muster auf ein Sensor-/Detektorelement, insbesondere CCD-Array, vorzugsweise mit einer hohen Schärfentiefe bei geringer numerischer Apertur abbildet. Mit einer nachgeschalteten Auswerteeinheit kann das von diesen Detektorele menten gelieferte Signal bezüglich seiner Struktur ausgewertet werden, und über einen Algorithmus kann anschließend festgestellt werden, wann, d.h. zum Beispiel bei welcher Winkelstellung der Mikrospiegel, das Muster einer korrekten Fokuslage entspricht. Im betrachteten ersten Fall des Punktmusters wird beispielsweise detektiert, wann ein (Schnitt-) Punkt mit minimaler Ausdehnung, maximaler Intensität und maximal steilen Flanken im Profil erzeugt ist. Ist dieser Wert erreicht, wird über eine Stelleinheit am Hauptobjektiv dieses insgesamt oder auch nur in Teilkomponenten zur Autofokussierung verschoben.
Hauptmerkmale bei diesen geschilderten Fokussierungsverfahren sind: Es kann der vorhandene Beleuchtungsstrahlengang des optischen Instruments zur Autofokussierung verwendet werden, so dass keine Autofokussier- bzw. Projektionsoptik, wie beim Stand der Technik, eigens bereitgestellt werden muss. Es wird in einem Fall eine Winkelmessung bei den die Punktstrahlen erzeugenden Mikrospiegeln bei feststehendem. (Haupt-) Objektiv des optischen Instruments vorgenommen. Ist der richtige Winkel und damit eine Objektentfernung bestimmt, wird erst dann das (Haupt-) Objektiv neu positioniert oder in seiner Brennweite eingestellt; im anderen Fall kann unmittelbar das (Haupt-) Objektiv verfahren oder in seiner Brennweite eingestellt werden, bis der richtige Abstand von Objekt zum Objektiv gefunden ist.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante kann bei Verwendung von sichtbar/farblich gestalteten Autofokus-Mustern über eine Augensteuerung (eye-control oder eye-tracking) dem Anwender die Möglichkeit gegeben werden, den Fokusmesspunkt an eine beliebige Stelle im Objektfeld zu legen. Hierzu wird ein eye-tracking-Messsystem elektronisch mit den Mikrospiegelarray verschaltet. Die Augenbewegung des Anwenders steuert dann die Lage des Autofokus-Messmusters im Ob jektfeld. Ebenso sind als Varianten hiervon eine Sprachsteuerung oder als einfachste Ausführungsform eine manuelle Ansteuerung denkbar.
Das erfindungsgemäße Autofokussierungs-Verfahren wird vorteilhafterweise automatisch mittels eines Computerprogramms (oder Mikroprozessorprogramms) implementiert. Dieses Computerprogramm kann in einer eigens vorgesehenen Rechnereinheit des Autofokus-Systems oder in einer Rechnereinheit des optischen Instruments vorgesehen sein oder auch zum Teil oder ganz in der beschriebenen Autofokus-Auswerteeinheit enthalten sein. Nach Wahl des gewünschten Autofokus-Musters steuert das Computerprogramm entsprechende Bereiche des Mikrospiegelarrays an, um dieses Muster auf der Objektoberfläche zu erzeugen. Die Auswertung des Musters hinsichtlich Ausdehnung, Intensität und/oder Flankensteilheit kann Bestandteil des Computerprogramms sein. Je nach Ergebnis dieser Auswertung erfolgt eine automatische Veränderung der Fokuslage. Bei dem beschriebenen ersten Verfahren zur Autofokussierung mittels Punktstrahlen steuert das Computerprogramm den Verkippungswinkel der jeweiligen Mikrospiegel an, bis auf der Objektoberfläche ein einziger Punkt erkennbar wird. Den entsprechenden Verkippungswinkeln der Mikrospiegel ist eine bestimmte Objektentfernung zugeordnet. Somit kann, wie bereits oben geschildert, eine entsprechende Autofokussierung durch Veränderung der Objektentfernung und/oder Einstellen der Brennweite, vorgenommen werden. Bei dem beschriebenen zweiten Verfahren zur Autofokussierung mittels Punktstrahlen steuert das Computerprogramm unmittelbar eine Positionsverschiebeeinrichtung zur Verschiebung des Objektivs in Fokusrichtung an, um in Abhängigkeit der Auswertesignale der Autofokus-Auswerteeinheit die Autofokussierung vorzunehmen. Bei Verwendung eines Varioobjektivs steuert das Computerprogramm entsprechend die Einrichtung zur Anpassung der Brennweite des Objektivs an.
Im folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, die durch beigefügte Zeichnung illustriert sind.
1 zeigt schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Autofokus-System,
2 zeigt schematisch ein entsprechend vorliegender Erfindung abgewandeltes Autofokus-System in Anlehnung an 1,
3 zeigt schematisch ein Mikrospiegelarray mit Bereichen zur Erzeugung von zwei Punktstrahlen,
4 veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Autofokussieren mittels zweier Punktstrahlen, wobei
5 den zum Zwecke des Einstellens des Fokus geeigneten Zustand darstellt und
6 zwei Möglichkeiten des Einstellens des Fokus veranschaulicht, einmal bei einem Objektiv fester Brennweite (6a), einmal mit einem Objektiv variabler Brennweite (6b);
7 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Autofokussieren mittels zweier Punktstrahlen, wobei
8 den Abschluss der Autofokussierung nach Verschieben des Objektivs aus einer in 7 dargestellten Position in die in 8 dargestellten Endposition zeigt, und
9 zeigt schematisch ein Mikrospiegel-Array in Draufsicht (9A) sowie eine beispielhafte Anordnung von Mikrospiegeln in einer Dimension in Seitenansicht (9B).
1 zeigt ein Autofokus-System für ein Stereomikroskop gemäß DE 41 31 737 C2 . Bezüglich Einzelheiten sei explizit auf diese Schrift verwiesen. Im folgenden seien daher nur die Grundprinzipien des Aufbaus gemäß 1 erläutert. Das Stereomikroskop als optisches Instrument ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Es weist Okularlinsen 2a, 2b, Tubuslinsen 3a, 3b, ein pankratisches Vergrößerungssystem 5 sowie ein aus den Linsen 4a, 4b bestehendes Hauptobjektiv 4 auf. Ebenfalls dargestellt sind die optischen Achsen 29a und 29b der beiden stereoskopischen Beobachtungsstrahlengänge. Das Autofokus-System umfasst eine Laserdiode 6 sowie eine Kolimatorlinse 12. Die optische Achse des erzeugten Projektionsstrahlengangs ist mit 30 bezeichnet. Das parallele Strahlenbündel passiert einen nachfolgend angeordneten Abschwächer 13, der für lichtempfindliche Objekte zuschaltbar ist, sowie eine nachfolgende Zylinderlinse 8, die das parallele Strahlenbündel in die Fokalebene 14 der Zylinderlinse 8 als dünne strichförmige Markierung abbildet. Diese Abbildung wird ihrerseits über eine weitere Linse 9 sowie ein Umlenkelement 10 und das Hauptobjektiv 4 auf das Objekt 11 abgebildet. In der erwähnten Schrift wird als Umlenkelement 10 ein geeigneter Spiegel oder ein Prisma verwendet. Die Komponenten 6, 12, 13, 8 und 9 bilden die sogenannte Projektionsoptik 7.
Empfangsseitig wird der von der Objektoberfläche reflektierte Laserstrahl nach Passieren des Hauptobjektivs 4 durch ein Auskoppelelement oder Umlenkelement 15 aus dem Beobachtungsstrahlengang ausgekoppelt und über eine weitere Projektionslinse 16 und einen Filter 17 auf einen ortsauflösenden Positionsdetektor 18 abgebildet, der Bestandteil der Autofokus-Auswerteeinheit 19 ist. Zur Vorgehensweise der Autofokussierung sei nochmals auf die genannte Schrift verwiesen.
Bei diesem bekannten Autofokussierungsverfahren ist der Winkel der Einstrahlachse A des Einstrahlungsstrahlengangs oder Projektionsstrahlengangs ebenso wie der Winkel der Detektorstrahlengangsachse B in bezug zu den jeweiligen Umlenkelementen 10 bzw. 15 immer konstant. Zum Auffinden der korrekten Fokuslage wird das Objektiv verschoben oder in seiner Schnittweite variiert.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Autofokus-Systems gemäß Erfindung anhand einer Variation des in 1 dargestellten Aufbaus. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Im folgenden sollen nur die Unterschiede zu dem Aufbau gemäß 1 erläutert werden. Erfindungsgemäß ist anstelle der in 1 gezeigten Umlenkelemente 10 und 15 ein einziges Mikrospiegelarray 20 vorgesehen, das die in 2 dargestellte Anordnung ermöglicht. Durch entsprechende Einstellung und Verkippung eines Teils der Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays 20 wird der Einstrahlungsstrahlengang in das Hauptobjektiv 4 und von dort auf das Objekt 11 gelenkt, wo es ein Autofokus-Muster erzeugt. Die von diesem Autofokus-Muster reflektierte Strahlung wird über das Hauptobjektiv 4 und das Mikrospiegelarray 20 sowie den bereits geschilderten Komponenten, Projektionslinse 16 und Filter 17, auf den Positionsdetektor 18 einer Autofokus-Auswerteeinheit 19 gelenkt. Hierzu ist ein anderer Teil der Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays 20 derart eingestellt und verkippt, dass ein weiterer Ablenkwinkel, nämlich der für die Achse B des Detektorstrahlengangs realisiert wird. Die erfindungsgemäße dar gestellte Anordnung ist platzsparend und reduziert die Anzahl der benötigten Komponenten.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei dem in 2 dargestellten Aufbau anstelle der als Einstrahlungsoptik 7 dienenden Projektionsoptik 7, bestehend aus den Komponenten 6, 12, 13, 8 und 9, eine Beleuchtungsoptik eingesetzt werden kann, wie sie üblicherweise zur Beleuchtung des Objekts 11 in Stereomikroskopen Verwendung findet. Somit kann die ohnehin vorhandene Beleuchtungsoptik zur Autofokussierung verwendet werden, ohne dass eigens eine Autofokussier- bzw. Projektionsoptik vorgesehen werden muss. Die Komponenten dieser Beleuchtungsoptik 7 entsprechen im wesentlichen denjenigen der dargestellten Projektionsoptik 7, mit dem Unterschied, dass anstelle der Laserdiode 6 auch eine andere übliche Beleuchtungslichtquelle 6 verwendet werden kann. Zur Erzeugung eines Autofokus-Musters kann dann beispielsweise anstelle des Abschwächers 13 ein transmissives Display 21 als Mikrodisplay eingesetzt sein, dessen Intensitätsverteilung über die Displayfläche vorgebbar ist. Ein solches transmissives Display 21 erlaubt die Erzeugung unterschiedlichster Geometrien von Autofokus-Mustern, zudem zeitlich variierend, wenn dies erwünscht ist. Zur Erzeugung zweier Punktstrahlen, wie dies in den beiden bereits geschilderten bevorzugten erfindungsgemäßen Autofokussierungsverfahren vorgesehen ist, ist die Helligkeit zweier Punkte auf dem Display relativ zur Umgebung einstellbar. Zusätzlich oder alternativ können solche Punktstrahlen auch durch Mikrospiegelbereiche auf dem Mikrospiegelarray 20 unterstützt bzw. erzeugt werden. Hierzu sei auf 3 verwiesen.
Bei der Anordnung gemäß 2 kann die Auskopplung des Detektorstrahlengangs auch an anderer Stelle erfolgen, nämlich zweckmäßigerweise im Bereich zwischen den Komponenten 20 (Umlenkelement) und 12 (Kollimatorlinse) insbesondere zwischen den Komponenten 12 (Kollimatorlinse) und 13 (Abschwächer) bzw. 21 (Mikrodisplay). Die Auskopplung könnte mittels eines (klassischen) Umlenkspiegels erfolgen, wobei selbstverständlich die Autofokus-Auswerteeinheit 19 mit den vorgeschalteten Komponenten 17 und 16 entsprechend anzuordnen wären. In diesem Fall würde das Mikrospiegelarray 20 bezüglich des Detektorstrahlengangs dieselbe Umlenkung vornehmen wie bezüglich des Beleuchtungsstrahlengangs.
3 zeigt schematisch eine als Einstrahlungsoptik 7 eingesetzte Beleuchtungsoptik 7 in seitlicher Ansicht sowie ein Mikrospiegelarray 20 in Draufsicht, wobei zwei Mikrospiegelbereiche a und b durch entsprechende Verkippung der zugehörigen Mikrospiegel zwei ablenkbare Punktstrahlen 31 und 32 erzeugen. Die insgesamt beleuchtete Spiegelfläche des Mikrospiegelarrays 20 ist mit 33 bezeichnet. Der Einfachheit halber sind die dem Mikrospiegelarray 20 nachfolgenden Komponenten aus 2 nicht dargestellt. 3 illustriert das Grundprinzip eines ersten bevorzugten Autofokussierungsverfahrens. Wie dargestellt, schneiden sich die beiden Punktstrahlen 31 und 32. Der Schnittwinkel dieser Punktstrahlen 31 und 32 kann durch Veränderung des Verkippwinkels der Mikrospiegel in den beiden Teilbereichen a und b des Mikrospiegelarrays 20 verändert werden. Dieses Grundprinzip kann wie anhand der folgenden 4 bis 6 erläutert, zum Autofokussieren eingesetzt werden.
4 illustriert den Einstellvorgang, wobei der Schnittwinkel der Strahlen 31 und 32 mit α₁ bezeichnet ist. Die Brennweite des Hauptobjektivs 4 ist mit f_HO bezeichnet. Die Strahlengänge 31, 32 verlaufen in den 4 und 5 in der Realität selbstverständlich nicht gerade durch das Hauptobjektiv 4, sondern werden durch dieses gebrochen. Es handelt sich hier nur um eine schematische Darstellung, um die Grundprinzipien der Autofokussierung zu erläutern. Wie in diesem Ausführungsbeispiel ersichtlich, liegt der Schnittpunkt der Punktstrahlen 31, 32 oberhalb des Objekts 11, so dass auf dem Objekt zwei Punkte 34 und 35 sichtbar sind. Der Schnittwinkel (α, α₁, α₂) der Punktstrahlen 31, 32 hängt vom jeweiligen Verkipplungswinkel der Mirospiegel in den Bereichen a und b ab. Der Verkipplungswinkel kann bezüglich einer festzulegenden Ebene, bspw. die Ebene des die Mikrospiegel aufnehmenden Grundelements oder eine zur Hauptebene des Objektivs parallel verlaufende Ebene, definiert werden. Die beiden Punkte 34 und 35 wandern abhängig vom jeweiligen Verkippwinkel der Mikrospiegel in den Teilbereichen a und b des Mikrospiegelarrays 20 voneinander weg oder aufeinander zu. Somit kann sofort die Richtung der Fokussierung ermittelt werden. Der Abstand des unscharf abgebildeten Objekts 11 ist hier größer als die Brennweite f_HO Verringert man den Verkippwinkel (bezogen auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse) der Mikrospiegel der Teilbereiche a und b, so wandern die beiden Punkte 34 und 35 auf dem Objekt 11 aufeinander zu, bis sie schließlich verschmelzen. Dieser Zustand ist in 5 dargestellt.
5 entspricht dem Endpunkt des Messvorgangs. Der Schnittwinkel der beiden Punktstrahlen 31 und 32 ist mit α₂ bezeichnet, wobei α₂ < α₁. Die beiden Punkte 34 und 35 sind nun zu einem einzigen Punkt 36 verschmolzen. Dies kann durch den ortsauflösenden Positionsdetektor 18 der Autofokus-Auswerteeinheit 19 detektiert werden, da der einzige Punkt 36 minimale Ausdehnung, maximale Intensität und steile Flanken im Profil aufweist. Aus dem Winkel α₂, der sich aus den jeweiligen Verkippwinkeln der Mikrospiegel in den Teilbereichen a und b des Mikrospiegelarrays und den bekannten Brecheigenschaften des Objektivs 4 ergibt, und dem bekannten Abstand der Teilbereiche a und b zueinander läßt sich durch Triangulation eine Entfernung der Mikrospiegel bereiche a, b oder des Objektivs 4 zum Objekt 11 angeben, wobei hierbei die Brechung der Punktstrahlen 31, 32 durch das Objektiv 4 mit berücksichtigt werden muss. Wie anhand des Beispiels gemäß 5 dargestellt, beträgt die Entfernung zum Hauptobjektiv f_HO + x.
6 stellt nunmehr zwei Möglichkeiten der Fokussierung dar, wobei bei einem Hauptobjektiv fester Brennweite ( 6a) die Einstellung derart erfolgt, dass mittels eines Motorantriebs 37 das Hauptobjektiv 4 um den Betrag × in Richtung Objekt 11 verschoben wird. Das Objekt 11 liegt dann im Brennpunkt des Hauptobjektivs 4.
Anstelle einer Verschiebung des Hauptobjektivs 4 kann bei einem Objektiv variabler Brennweite (Varioobjektiv) die Brennweite neu eingestellt werden, wobei gilt f_neu = f_Ho + x. Hierzu kann wiederum ein Motor 38 die entsprechenden Komponenten des Hauptobjektivs 4 verstellen.
Selbstverständlich kann auch eine Kombination der Einstellmechanismen gemäß 6a und 6b erfolgen, wenn etwa die Objektentfernung außerhalb des möglichen Brennweitenbereichs des Varioobjektivs liegt.
Anhand der 4 bis 6 konnte anschaulich erläutert werden, dass die erfindungsgemäße Ausführungsform der Autofokussierung vollständig automatisch ablaufen kann. Die Einstellung der Fokussierung (6) kann bereits anhand der aufgefundenen Winkelstellung der Mikrospiegel in den Bereichen a und b des Mikrospiegelarrays (vergleiche 5) erfolgen, ohne dass hierzu explizit die Objektentfernung mit Hilfe der Triangulation bestimmt wird. Der Zusammenhang der genannten Verkippwinkel (und damit des Winkels α) mit der Objektentfernung ist eindeutig. Die entsprechenden Berechnungsmethoden sind aus der Triangulation und Optik be kannt und sollen hier daher nicht im einzelnen dargelegt werden.
Die 7 und 8 illustrieren eine weitere mögliche Methode der Autofokussierung, wobei hier wiederum zwei Punktstrahlen 31, 32 von zwei Bereichen a, b eines Mikrospiegelarrays 20 erzeugt werden. Die beiden Punktstrahlen 31, 32 verlaufen zunächst parallel zueinander, wobei zur besseren Verständlichkeit in 7 ein paralleler und bezüglich der optischen Achse des Hauptobjektivs 4 symmetrischer Verlauf der Punktstrahlen 31 und 32 angenommen wird. Es sei, wie bereits an anderer Stelle vermerkt, darauf hingewiesen, dass die beiden Punktstrahlen 31 und 32 nicht notwendig nur durch das Mikrospiegelarray 20 erzeugt sein müssen, sondern dass alternativ oder zusätzlich hierzu auch ein Mikrodisplay eingesetzt werden kann, das in den Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt wird und dessen Intensitätsverteilung über die Displayfläche entsprechend vorgegeben wird (vergleiche die Ausführungen im Zusammenhang mit 2).
Die beiden Punktstrahlen 31, 32 werden über das Objektiv 4 (bspw. Hauptobjektiv 4 eines Stereomikroskops 1) auf ein Objekt 11 gelenkt, auf dessen Oberfläche sie ein Punktmuster als Autofokusmuster erzeugen, wobei das Punktmuster hier aus den beiden Punkten 34 und 35 besteht. Wie aus 7 ersichtlich, werden zwei Punkte 34 und 35 erzeugt, da sich das Objekt 11 unterhalb der objektseitigen Fokusebene des Hauptobjektivs 4 befindet. Das Objektiv 4 ist in dieser Ausführungsform mittels einer Positioniereinrichtung in Richtung der optischen Achse bzw. in Fokusrichtung verschiebbar (angedeutet durch den Doppelpfeil in 7).
Zur Autofokussierung wird nunmehr das Objektiv 4 in Fokusrichtung verschoben. Bei einer Verschiebung vom Objekt 11 weg würde sich der Abstand der Punkte 34 und 35 vergrößern, so dass die Autofokus-Auswerteeinheit sofort die Richtung der Autofokussierung umkehren würde. Durch Verschiebung des Objektivs 4 in Richtung Objekt 11 nähern sich die Punkte 34 und 35 einander an, bis sie zu einem Punkt 36 verschmelzen, wie in 8 dargestellt. Durch Verschiebung des Objektivs 4 um die Strecke x in Richtung Objekt 11 wird die optimale Fokuslage eingestellt.
Alternativ könnte bei Verwendung eines Varioobjektivs als Hauptobjektiv 4 auch die Brennweite entsprechend neu (Erhöhung der Brennweite um x) eingestellt werden. Schließlich kann auch zusätzlich eine Verschiebung des Mikroskops inklusive Varioobjektiv vorgenommen werden, insbesondere wenn die Entfernung des Objektivs 4 zum Objekt 1 außerhalb des möglichen Brennweitenbereichs des Varioobjektivs liegt.
Zum Aufbau eines Mikrospiegel-Arrays 20 sei auf 9 verwiesen. 9A zeigt ein solches Mikrospiegel-Array 20 in einer Draufsicht mit einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Mikrospiegel 40. In erster Reihe angeordnet sind die Mikrospiegel 40₁ _,1 , 40_1,2 , ..., 40_1,n . In der zweiten Reihe sind die Mikrospiegel 40₂ _,1 , ..., 40_2,n angeordnet und so fort, bis in der letzten Reihe die Mikrospiegel 40_m,1 , 40_m,2 , ..., 40_m,n angeordnet sind. Jeder dieser Mikrospiegel 40 läßt sich individuell oder in geeigneter Kombination mit anderen Mikrospiegeln 40 ansteuern und in seiner Raumrichtung einstellen. Die 9B zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A aus 9A. 9B verdeutlicht die räumliche Orientierung der Mikrospiegel 40, wobei hierbei beispielhaft eine sphärische Ausrichtung von Mikrospiegeln 40 dargestellt ist. Eine solche sphärische Ausrichtung in einem Bereich a, b des Mikrospiegel-Arrays 20 eignet sich beispielsweise zur Erzeugung eines Punkt- oder kreisförmigen Strahls 31, 32 (vergleiche 3). Die Vorgehensweise der Ansteuerung der Mikrospiegel 40 eines Mikrospiegel-Arrays 20 soll vorliegend nicht näher erläutert werden, da Mikrospiegel-Arrays prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Die Erfindung hat den Vorteil, kein separates Autofokus-Modul mit einer Spezialbeleuchtung zu benötigen, sondern die vorhandene Mikroskopbeleuchtung nutzen zu können. Das System ist zudem in der Lage, die Richtungskorrektur bei der Findung der Fokuslage sofort zu erkennen. Weitere Möglichkeiten der Ausführungsformen und weitere Vorteile wurden bereits oben in der Beschreibung angegeben. Diese können vom Fachmann ohne weiteres auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele gemäß den beigefügten Figuren übertragen werden. Es sei lediglich der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch realisiert werden kann, wenn das Mikrospiegelarray außerhalb oder neben dem Hauptobjektiv 4 des Stereomikroskops 1 liegt. Ein hierfür geeigneter Aufbau ist beispielsweise aus der US 5,748,367 A bekannt. Insofern sei hierzu explizit auf diese Schrift verwiesen.

1: optisches Instrument, Stereomikroskop
2a, 2b: Okularlinsen
3a, 3b: Tubuslinsen
4: Objektiv, Hauptobjektiv
4a, 4b: Linsen des Hauptobjektivs
5: Vergrößerungssystem
6: Laserdiode, Lichtquelle
7: Einstrahlungsoptik, Projektionsoptik, Beleuch
: tungsoptik
8: Zylinderlinse
9: Linse
10: Umlenkelement
11: Objekt
12: Kollimatorlinse
13: Abschwächer
14: Fokalebene
15: Auskoppelelement, Umlenkelement
16: Projektionslinse
17: Filter
18: Positionsdetektor
19: Autofokus-Auswerteeinheit
20: Mikrospiegelarray als Umlenkelement
21: Mikrodisplay
29a, 29b: optische Achsen
30: optische Achse
31: Punktstrahl
32: Punktstrahl
33: beleuchtete Spiegelfläche
34: Punkt auf Objekt
35: Punkt auf Objekt
36: Punkt auf Objekt
37: Motorantrieb
38: Motorantrieb
a: Bereich des Mikrospiegelarrays
b: Bereich des Mikrospiegelarrays
A: Einstrahlungsstrahlengangsachse
B: Detektorstrahlengangsachse
α, α₁, α₂: Schnittwinkel der Punktstrahlen 31, 32
f_HO: Brennweite des Hauptobjektivs

Claims

Autofokus-System für ein optisches Instrument (1), das ein Objekt (11) abbildet, mit einer Einstrahlungsoptik (7) zur Erzeugung eines Einstrahlungsstrahlengangs, der ein Autofokus-Muster auf dem Objekt (11) erzeugt, wobei der Einstrahlungsstrahlengang mittels eines Umlenkelements (10) auf das Objekt gelenkt wird, und mit einer Autofokus-Auswerteeinheit (19), der ein Detektorstrahlengang, der vom Objekt (11) reflektierte Strahlung des Einstrahlungsstrahlengangs umfasst, mittels eines Umlenkelements (15) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Umlenkelement (10) für den Einstrahlungsstrahlengang und als Umlenkelement (15) für den Detektorstrahlengang gemeinsam ein Mikrospiegelarray (20) mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln vorgesehen ist.
Autofokus-System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das optische Instrument (1) zur Beleuchtung des Objekts (11) eine Beleuchtungsoptik mit zugeordnetem Beleuchtungsstrahlengang aufweist, wobei der Einstrahlungsstrahlengang durch zumindest einen Teil des Beleuchtungsstrahlengangs gebildet ist, wobei hierzu die Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays (20) derart einstellbar sind, dass aus dem Beleuchtungsstrahlengang das Autofokus-Muster auf dem Objekt (11) erzeugt wird.
Autofokus-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Instrument (1) zur Beleuchtung des Objekts (11) eine Beleuchtungsoptik mit zugeordnetem Beleuchtungsstrahlengang aufweist, der Einstrahlungsstrahlengang durch zumindest einen Teil des Beleuchtungsstrahlengangs gebildet ist, wobei hierzu ein Mikrodisplay (21) in den Beleuchtungsstrahlengang einzubringen ist, durch das das Autofokus-Muster auf dem Objekt (11) erzeugt wird.
Autofokus-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Autofokus-Muster punkt-, kreis-, spalt-, ring-, linien-, streifen- oder mondphasenförmig ist.
Autofokus-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Autofokus-Muster zeitlich und/oder räumlich variierbar ist.
Autofokus-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (6) für den Einstrahlungsstrahlengang eine Weißlicht- oder eine Farblichtquelle oder eine im Infrarot emittierende Lichtquelle vorgesehen ist.
Autofokus-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Autofokus-Auswerteeinheit (19) ein CCD-Array mit auswertbaren Einzelelementen als Positionsdetektor (18) aufweist.
Autofokus-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrospiegelarray (20) derart ansteuerbar ist, dass zeitlich aufeinanderfolgend das Mikrospiegelarray (20) abwechselnd als Umlenkelement (10, 20) für den Einstrahlungsstrahlengang und als Umlenkelement (15, 20) für den Detektorstrahlengang fungiert.
Verfahren zum Autofokussieren eines optischen Instruments (1), das ein Objekt (11) abbildet, wobei mittels eines Einstrahlungsstrahlengangs ein Autofokus-Muster auf dem Objekt (11) erzeugt wird, wobei der Einstrahlungsstrahlengang mittels eines Umlenkspiegels (10) auf das Objekt gelenkt wird, und wobei ein Detektorstrahlengang, der vom Objekt reflektierte Strahlung des Einstrahlungsstrahlengangs umfasst, mittels eines Umlenkelements (15) einer Autofokus-Auswerteeinheit (19) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für das Umlenkelement (10) des Einstrahlungsstrahlengangs sowie für das Umlenkelement (15) des Detektorstrahlengangs ein gemeinsames Mikrospiegelarray (20) mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Autofokus-Auswerteeinheit (19) das vom Objekt reflektierte Autofokus-Muster bezüglich seiner Ausdehnung und/oder seiner Intensität und/oder seiner Flankensteilheit ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Punktstrahlen (31, 32) von ausgewählten Bereichen (a, b) des Mikrospiegelarrays (20) erzeugt werden, wobei diese Punktstrahlen (31, 32) ein Punktmuster als Autofokus-Muster auf dem Objekt (11) erzeugen, und wobei durch Winkelverstellung der Mikrospiegel in den jeweiligen ausgewählten Bereichen (a, b) des Mikrospiegelarrays (20) eine Annährung und schließlich eine Verschmelzung der Punkte (34, 35) des Punktemusters auf dem Objekt vorgenommen wird, wobei die Winkelstellung der Mikrospiegel oder die der Punktstrahlen (31, 32) zueinander beim Verschmelzen der Punkte ein Maß für eine Objektentfernung liefert.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Winkelstellung bei Verschmelzen der Punkte eine Objektentfernung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem optischen Instrument (1) mit einem Objektiv (4) fester Brennweite je nach Winkelstellung der Mikrospiegel oder der Punktstrahlen (31, 32) zueinander beim Verschmelzen der Punkte oder je nach bestimmter Objektentfernung der Abstand des Objektivs (4) zum Objekt (11) zum Autofokussieren verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem optischen Instrument (1) mit einem Objektiv (4) variabler Brennweite je nach Winkelstellung der Mikrospiegel oder der Punktstrahlen (31, 32) zueinander beim Verschmelzen der Punkte oder je nach bestimmter Objektentfernung zum Autofokussieren die Brennweite des Objektivs (4) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Punktstrahlen (31, 32) von ausgewählten Bereichen (a, b) des Mikrospiegelarrays (20) erzeugt werden, wobei diese Punktstrahlen (31, 32) über ein Objektiv (4) des optischen Instruments (1) auf das Objekt (11) gelenkt werden, auf dem sie ein Punktmuster als Autofokus-Muster erzeugen, und wobei durch Verschieben des Objektivs (4) in Fokusrichtung und/oder durch Anpassen einer variablen Brennweite des Objektivs (4) die Autofokussierung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass parallele Punktstrahlen (31, 32) erzeugt werden, und dass das Objektiv (4) so lange in Fokusrichtung verschoben oder eine variable Brennweite des Objektivs (4) so lange angepasst wird, bis die durch die Punktstrahlen (31, 32) erzeugten Punkte (34, 35) des Punktmusters auf dem Objekt (11) verschmelzen.