DE102008015885A1

DE102008015885A1 - Device and method for autofocusing optical devices, in particular microscopes

Info

Publication number: DE102008015885A1
Application number: DE200810015885
Authority: DE
Inventors: Axel Bonsen; Stefan Hummel; Matthias Pirsch
Original assignee: SYNENTEC GmbH
Current assignee: SYNENTEC GmbH
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-01
Also published as: WO2009118005A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen. Um eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, durch die eine hochpräzise und robuste Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen, erzielt wird, wird vorgeschlagen, dass eine Messlichtquelle und ein Objektiv zur Abbildung eines von der Messlichtquelle ausgehenden im Wesentlichen parallelen Strahlenbündels auf ein Beobachtungsobjekt zur Erzeugung eines Reflexionsbildes vorgesehen sind, wobei weiterhin eine Auswerte- und Einstelleinheit vorgesehen ist, welche geeignet ist, aus dem Reflexionsbild die Fokuslage zu ermitteln und das Objektiv zu positionieren.The invention relates to a device and a method for autofocusing of optical devices, in particular of microscopes. In order to propose a device and a method by which a high-precision and robust autofocusing of optical devices, in particular of microscopes, is achieved, it is proposed that a measuring light source and an objective for imaging a substantially parallel beam emanating from the measuring light source to an observation object Provision of a reflection image are provided, wherein furthermore an evaluation and adjustment unit is provided, which is suitable for determining the focus position from the reflection image and to position the objective.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen.The The invention relates to a device and a method for autofocusing of optical devices, in particular of microscopes.

Beim Gebrauch von optischen Geräten ist es oftmals notwendig, das Gerät auf ein Beobachtungsobjekt automatisch scharf zu stellen, insbesondere wenn Messreihen automatisiert durchgeführt werden müssen.At the Use of optical devices It is often necessary to place the device on an observation object automatically focus, especially if measurement series are automated carried out Need to become.

Dieses geschieht nach dem Stand der Technik mit dem so genannten Triangulationsverfahren. Hierbei wird ein Laserstrahl unter einem bestimmten Winkel auf das Beobachtungsobjekt, beispielsweise ein Objektträger in einem Mikroskop, gerichtet und der reflektierte Strahl mit einem CCD-Chip gemessen. Eine Veränderung des Abstands zwischen Laser und Beobachtungsobjekt äußert sich dann in einer lateralen Verschiebung des reflektierten Laserstrahls auf dem CCD-Chip. Diese Information kann ausgewertet und damit die Fokuseinstellung korrigiert werden.This happens according to the prior art with the so-called triangulation. in this connection a laser beam is directed at the observation object at a certain angle, for example, a slide in a microscope, and the reflected beam with a CCD chip measured. A change the distance between the laser and the observation object is expressed then in a lateral displacement of the reflected laser beam on the CCD chip. This information can be evaluated and thus the Focus adjustment to be corrected.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist seine geringe Genauigkeit, die für eine präzise Scharfstellung, gerade bei Mikroskopen, nicht ausreicht.One Disadvantage of this method is its low accuracy, which is necessary for precise focusing, especially with microscopes, not enough.

Als weitere Methode kommt die konfokale Messvorrichtung in Frage. Bei dieser Methode wird der reflektierte Fokus eines Laserstrahls auf ein Pinhole abgebildet und mit der Verlauf der Fokusposition das Maximum der Intensität bestimmt. Diese Methode ist allerdings sehr anfällig auf Störeinflüsse.When Another method is the confocal measuring device in question. at this method becomes the reflected focus of a laser beam imaged a pinhole and with the course of the focus position the Maximum of intensity certainly. However, this method is very susceptible to interference.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, durch die eine hochpräzise und robuste Autofokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen, erzielt wird.task The invention therefore is to propose an apparatus and a method, through the one highly precise and robust autofocusing of optical devices, especially microscopes becomes.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Messlichtquelle und ein Objektiv zur Abbildung eines von der Messlichtquelle ausgehenden im Wesentlichen parallelen Strahlenbündels auf ein Beobachtungsobjekt zur Erzeugung eines Reflexionsbildes aufweist, wobei eine Auswerte- und Einstelleinheit vorgesehen ist, welche geeignet ist, aus dem Reflexionsbild die Fokuslage zu ermitteln und das Objektiv zu positionieren.These Task is solved by that the device has a measuring light source and a lens for imaging one of the measuring light source outgoing substantially parallel beam on an observation object for generating a reflection image having an evaluation and adjustment unit is provided, which is suitable for determining the focal position from the reflection image and position the lens.

Bei dieser Anordnung fällt das parallele Strahlenbündel auf eine Objektivlinse, welche das Licht auf die Ebenen des Objektträgers projiziert. Das Licht wird kegelförmig fokussiert. So erhält man bis zum Fokuspunkt einen konvergenten und nach dem Fokuspunkt einen divergenten Kegel. Diese Kegel werden durch den Objektträger geschnitten und es bilden sich so genannte Kegelschnitte. Aufgrund der unterschiedlichen Einfallswinkel entsteht dabei eine inhomogene Helligkeitsverteilung, wobei die Intensität des Laserlichts zum Rand des Kegelschnitts hin zunimmt. Dadurch werden sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite des Objektträger konzentrische Ringe erzeugt, welche zum Objektiv reflektiert werden.at this arrangement falls the parallel beam to an objective lens which projects the light onto the planes of the slide. The light becomes cone-shaped focused. So get one convergent to the focal point and one after the focal point a divergent cone. These cones are cut through the slide and so-called conic sections are formed. Due to the different Incidence angle results in an inhomogeneous brightness distribution, being the intensity of the laser light increases towards the edge of the conic section. Thereby become concentric on both the top and bottom of the slide Generates rings which are reflected to the lens.

Hierdurch entsteht ein charakteristisches Reflexionsbild aus konzentrischen Ringen. Aus dem Durchmesser der Ringe lässt sich unter Berücksichtigung der optischen Dicke mittels der Auswerteeinheit direkt der Abstand zwischen Objektiv und Beobachtungsobjekt bestimmen und mittels der Einstelleinheit das Objektiv auf das Beobachtungsobjekt fokussieren. Als Licht werden auch elektromagnetische Wellen im infraroten oder im ultravioletten Bereich verstanden.hereby creates a characteristic reflection image of concentric Rings. From the diameter of the rings can be considered the optical thickness of the evaluation directly the distance determine between lens and object to be observed and by means of Adjustment unit focus the lens on the observation object. As light also electromagnetic waves in the infrared or understood in the ultraviolet range.

Für die Vorrichtung ist weiterhin eine Kamera, insbesondere mit einem CMOS-Chip, vorgesehen. Mit der Kamera lässt sich das Reflexionsbild aufnehmen. Außerdem lässt sich mit der Kamera, etwa in einem Mikroskop, auch das Beobachtungsobjekt detektieren. Dieses kann alternativ auch mit einer zusätzlichen Detektorkamera erfolgen.For the device Furthermore, a camera, in particular with a CMOS chip, is provided. With the camera leaves to absorb the reflection image. In addition, can be with the camera, about in a microscope, also detect the observation object. This Alternatively, it can be done with an additional detector camera.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerte- und Einstelleinheit derart ausgebildet, dass zwischen einer Start- und einer Endposition die Reflexionsbilder jeweils bei unterschiedlichen Abständen von Objektiv und Beobachtungsobjekt zueinander sequentiell aufgenommen und ausgewertet werden. Überraschenderweise lässt sich die Genauigkeit der Fokussierung hierdurch nochmals erheblich verbessern, da die Information über Fokuslage aus dem Vergleich der unterschiedlichen Reflexionsbilder bei verschiedenen Abständen gewonnen wird.In a preferred embodiment the evaluation and adjustment unit is designed such that between a start and an end position, the reflection images respectively at different distances taken by lens and observation object sequentially to each other and evaluated. Surprisingly let yourself significantly improve the accuracy of the focus, because the information about Focus position from the comparison of the different reflection images at different distances is won.

Die genaue Einstellung des Abstandes von Objektiv und Beobachtungsobjekt zueinander erfolgt dadurch, dass ein Schrittmotor (elektrische Antriebseinheit, insb. Schrittmotor) vorgesehen ist.The Precise adjustment of the distance between the objective and the object to be observed to each other takes place in that a stepper motor (electric drive unit, esp. Stepper motor) is provided.

Die Auswerteeinheit ist so eingerichtet, dass alle Pixel jeweils einer Aufnahme eines Reflexionsbildes, deren Helligkeit über einem definierten Schwellenwert liegt, addiert werden, wobei eine Messkurve gebildet wird, bei der jedem Abstand zwischen Objektiv und Beobachtungsobjekt ein bestimmter numerischer Wert zugeordnet ist. Diese Art der Auswertung benötigt kein aufwändiges Bilderkennungsverfahren und ist deshalb sehr schnell. Es hat daher den Vorteil, auch in Echtzeit durchführbar zu sein.The Evaluation unit is set up so that all pixels each one Recording a reflection image whose brightness is above a defined threshold is added, forming a trace becomes, at the every distance between lens and object of observation a specific numeric value is assigned. This kind of evaluation needed no elaborate Image recognition process and is therefore very fast. It therefore has the advantage of being realizable in real time.

Indem die Abstände, bei denen jeweils eine Aufnahme eines Reflexionsbildes erfolgt, äquidistant sind, ist eine einfachere Auswertung möglich, da nur die Startposition bekannt sein muss.By doing the distances, in each case a recording of a reflection image takes place, are equidistant, a simpler evaluation is possible since only the starting position must be known.

Die Abstände, bei denen jeweils eine Aufnahme eines Reflexionsbildes erfolgt, sind zeit- und/oder ortsmarkiert, damit sie sich bei der Auswertung einer Aufnahme eines Reflexionsbildes jeweils eine Position des Objektivs zuordnen lässt.The Distances, each taking a picture of a reflection image, are time- and / or location-marked, so that they are in the evaluation a recording of a reflection image in each case a position of the Lens can be assigned.

Aus experimentellen und theoretischen Untersuchungen hat sich ergeben, dass die Vorrichtung dann optimal fokussiert ist, wenn das Reflexionsbild zwischen Start- und Endposition die geringsten Hell/Dunkel-Unterschiede aufweist. Die Auswerte- und Einstelleinheit ist deshalb vorteilhafterweise so eingerichtet, dass ein erstes Maximum und ein darauf folgendes Minimum der Messkurve berechnet und der Abstand zwischen Objektiv und Beobachtungsobjekt so eingestellt wird, das dieser dem Minimum zugeordneten Wert der Messkurve entspricht.Out experimental and theoretical investigations have shown that the device is then optimally focused when the reflection image between Start and end position has the slightest light / dark differences. The evaluation and adjustment unit is therefore advantageous set up so that a first maximum and a following Calculated minimum of the trace and the distance between lens and observation object is set to that of the minimum assigned Value of the trace corresponds.

Wenn die Lichtquelle ein Laser ist, steht eine optimale Quelle für monochromatisches und kohärentes Licht zur Verfügung. Als besonders geeignet hat sich ein Laser mit einer Wellenlänge von 785 nm erwiesen. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Laser auch als Anregungslicht, beispielsweise bei Fluoreszenzmikroskopie, verwendet werden kann.If The light source is a laser, is an optimal source of monochromatic and coherent Light available. Particularly suitable is a laser with a wavelength of 785 nm proved. Another advantage is that the laser is also called Excitation light, for example, in fluorescence microscopy used can be.

Für den Laser sind eine Linse zur Aufweitung des emittierten Strahls und eine Kollimationslinse zur Parallelisierung des aufgeweiteten Strahls vorgesehen. Hierbei entspricht dessen Durchmesser vorzugsweise etwa dem Durchmesser der Öffnung der Objektivlinse, wodurch die Genauigkeit der Messung verbessert und die Auswertung erleichtert wird.For the laser are a lens for expanding the emitted beam and a Collimating lens for parallelizing the expanded beam intended. In this case, its diameter preferably corresponds approximately to the diameter of the opening the objective lens, which improves the accuracy of the measurement and the evaluation is facilitated.

Die Laserleistung ist in Abhängigkeit von der verwendeten Optik der Vorrichtung oder zwischengeschaltete Filter steuerbar. Hierdurch kann die Vorrichtung unterschiedlichen Messbedingungen automatisch angepasst werden.The Laser power is dependent from the optics used by the device or intermediary Filter controllable. As a result, the device can be different Measurement conditions are automatically adjusted.

Das Beobachtungsobjekt kann ein Objektträger aus Glas, Kunststoff oder Metall sein, auf den ein zu untersuchender Gegenstand aufgebracht ist.The Observation object may be a glass, plastic or glass slide Be metal on which an object to be examined applied is.

Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.The Invention is in a preferred embodiment with reference on a drawing by way of example, with further advantageous details the figures of the drawing can be seen.

Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.Functionally same Parts are provided with the same reference numerals.

Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:The Figures of the drawing show in detail:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Autofokussierung; 1 a schematic representation of an embodiment of the device for autofocusing;

2a eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbild in einer Startposition; 2a a detailed view of the lens with focus passage through the slide and the associated reflection image in a start position;

2b eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbilde in einer Zwischenposition; 2 B a detailed view of the lens with focus passage through the slide and the associated reflection image in an intermediate position;

2c eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbild in einer Zwischenposition; 2c a detailed view of the lens with focus passage through the slide and the associated reflection image in an intermediate position;

2d eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbilde in einer weiteren Zwischenposition; 2d a detailed view of the lens with focus passage through the slide and the associated reflection image in a further intermediate position;

2e eine Detailansicht des Objektivs mit Fokusdurchgang durch den Objektträger und das dazugehörige Reflexionsbild in einer weiteren Endposition; 2e a detailed view of the lens with focus passage through the slide and the associated reflection image in a further end position;

3 eine schematische Darstellung einer Serie von Reflexionsbildern mit konzentrischen Ringen; 3 a schematic representation of a series of reflection images with concentric rings;

4 eine aus verschiedenen Reflexionsbildern berechnete Messkurve; 4 a measured curve calculated from different reflection images;

5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Autofokussierung mit einer Detektorkamera; 5 a schematic representation of another embodiment of the device for autofocusing with a detector camera;

6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Autofokussierung mit direkter Einkoppelung des Laserstrahls und 6 a schematic representation of another embodiment of the device for autofocusing with direct coupling of the laser beam and

7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Autofokussierung ohne zusätzliche Detektorkamera. 7 a schematic representation of another embodiment of the device for autofocusing without additional detector camera.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Autofokussierung 1. Die Vorrichtung ist hierbei als Mikroskop ausgebildet. Dieses weist einen schaltbaren Dauerlaser 2 auf, der im Betrieb einen Laserstrahl von 785 nm emittiert. Hinter dem Laser ist eine refraktive oder diffraktive Linse 14 angeordnet, welche den Laserstrahl aufweitet. Der aufgeweitete Laserstrahl 4 wird durch einen Strahlteiler 17 in den Strahlengang der Vorrichtung 1 geleitet. Der Strahlteiler 17 reflektiert und transmittiert das Laserlicht zu etwa gleichen Teilen. Der Laserstrahl wird dann über einen selektivtransparenten Spiegel 19 in den Strahlengang des Mikroskops 1 eingekoppelt. Der aufgeweitete Laserstrahl 4 wird mittels einer in einem Tubus angeordneten Kollimationslinse 20 parallelisiert und dann in ein Objektiv 3 eingekoppelt. Das Mikroskop 1 hat also einen Laserstrahlengang 4, einen Messstrahlengang 16 und einen Detektionsstrahlengang 15, wobei die Strahlengänge teilweise parallel verlaufen. Im Strahlengang sind weiterhin ein Filter 13 und ein dichroitischer Strahlteiler 18 vorgesehen. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device for autofocusing 1 , The device is designed as a microscope. This has a switchable continuous laser 2 which emits a laser beam of 785 nm during operation. Behind the laser is a refractive or diffractive lens 14 arranged, which widens the laser beam. The expanded laser beam 4 is through a beam splitter 17 in the beam path of the device 1 directed. The beam splitter 17 Reflects and transmits the laser light to approximately equal parts. The laser beam is then passed over a selectively transparent mirror 19 in the beam path of the microscope 1 coupled. The expanded laser beam 4 is by means of a collimating lens arranged in a tube 20 parallelized and then into a lens 3 coupled. The microscope 1 So has a laser beam path 4 , a measuring beam path 16 and a detection beam path 15 , wherein the beam paths are partially parallel. In the beam path are still a filter 13 and a dichroic beam splitter 18 intended.

Das Objektiv 3, welches als Fokussierungsoptik dient, bündelt den parallelisierten Laserstrahl 4 zu einem beugungsbegrenzten Fokus 21, wobei die Öffnung der Objektivlinse 3 und Laserstrahl 4 etwa den gleichen Durchmesser haben. Der Laserstrahl 4 wird auf einem hinter dem Objektiv 3 angeordneten Objektträger 5 abgebildet. Hierbei wird das Licht sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite der Luftschicht zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 reflektiert, wodurch reflexionsbildende Teilstrahlen entstehen. Hierdurch bildet sich ein charakteristisches Reflexionsbild 6 aus konzentrischen Ringen 22 (siehe 2a bis 2e). Das Reflexionsbild wird über den gleichen Strahlengang rückwärts durch den selektivtransparenten Spiegel 19 und durch den Strahlteiler 17 auf eine Detektorkamera 9 mit einem CMOS-Chip abgebildet und von einer damit verbundenen (nicht gezeigten) Auswerteeinheit 7 verarbeitet. Die Auswerteeinheit 7 ist mit einer Einstelleinheit 8 verbunden, die die Position des Objektivs 3 verändern und so das Mikroskop 1 scharfstellen kann.The objective 3 , which serves as a focusing optics, bundles the parallelized laser beam 4 to a diffraction-limited focus 21 , wherein the opening of the objective lens 3 and laser beam 4 about the same diameter. The laser beam 4 gets on one behind the lens 3 arranged slides 5 displayed. In this case, the light is at the top and at the bottom of the air layer between lens 3 and slides 5 reflected, resulting in reflection-forming partial beams. This forms a characteristic reflection image 6 from concentric rings 22 (please refer 2a to 2e ). The reflection image is returned through the same transparent optical path through the selectively transparent mirror 19 and through the beam splitter 17 on a detector camera 9 imaged with a CMOS chip and from an associated (not shown) evaluation 7 processed. The evaluation unit 7 is with a setting unit 8th connected to the position of the lens 3 change and so does the microscope 1 can focus.

Weiterhin ist eine Messkamera 27 vorgesehen, die ein Bild eines zu untersuchenden Gegenstands auf dem Objektträger 5 liefert.Furthermore, a measuring camera 27 provided an image of an object to be examined on the slide 5 supplies.

Die 2a bis 2e zeigen Detailansichten des Objektivs 3 mit Fokusdurchgang durch den Objektträger 5 und das dazugehörige Reflexionsbild 6, welches in den jeweiligen Positionen des Objektivs 3 entsteht. Die verschiedenen Positionen entsprechend dabei unterschiedlichen Abständen zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5.The 2a to 2e show detail views of the lens 3 with focus passage through the slide 5 and the associated reflection image 6 which is in the respective positions of the lens 3 arises. The different positions corresponding to different distances between lens 3 and slides 5 ,

In 2a ist zunächst das Reflexionsbild 6 dargestellt, was in einer Startposition des Objektivs 3 entsteht. Das Laserlicht 4 wird vom Objektiv 3 gebündelt, wobei Objektiv 3 und Objektträger 5 einen derartigen Abstand zueinander aufweisen, dass der Fokus 21 etwa im oberen Drittel zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 liegt. Dabei entsteht ein charakteristisches Reflexionsbild 6 aus konzentrischen Ringen 22, welches ebenfalls schematisch dargestellt ist. Im Zentrum befindet sich außerdem einen Helligkeitspunkt 23, der durch einen Phasensprung bei der Reflexion am optisch dichten Objektträger 5 entsteht.In 2a is first the reflection image 6 shown what is in a starting position of the lens 3 arises. The laser light 4 is from the lens 3 bundled, being objective 3 and slides 5 have such a distance from each other that the focus 21 in the upper third between the lens 3 and slides 5 lies. This creates a characteristic reflection image 6 from concentric rings 22 , which is also shown schematically. There is also a brightness point in the center 23 caused by a phase jump in the reflection on the optically dense slide 5 arises.

Der Abstand zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 kann mittels der Einstelleinheit 8 (nicht gezeigt) verändert werden, wobei das Objektiv 3 verfahrbar ist. Es ist aber auch möglich, dass der Objektträger 5 verfahrbar ist.The distance between lens 3 and slides 5 can by means of the adjustment 8th (not shown) to be changed, with the lens 3 is movable. But it is also possible that the slide 5 is movable.

Die 2b und 2c zeigen, dass der Durchmesser der konzentrischen Ringe 22 abnimmt, je näher das Objektiv 3 an die Oberfläche des Objektträgers 5 herangefahren wird. In 2c liegt der Fokus 21 genau auf der Oberfläche des Objektträgers 5 und die konzentrischen Ringe 22 haben den geringsten Durchmesser. Wird das Objektiv 3 noch weiter an den Objektträger 5 herangefahren, wie dies in den 2d und 2e gezeigt ist, dann nehmen die Durchmesser der konzentrischen Ringe 22 wieder zu.The 2 B and 2c show that the diameter of the concentric rings 22 decreases, the closer the lens 3 to the surface of the slide 5 is approached. In 2c is the focus 21 exactly on the surface of the slide 5 and the concentric rings 22 have the smallest diameter. Will the lens 3 even further to the slide 5 moved up, as in the 2d and 2e shown, then take the diameter of the concentric rings 22 again to.

Dieser Effekt wird nochmals in der 3 veranschaulicht, in der in einer Serie von Reflexionsbildern 6 die Veränderungen der konzentrischen Ringe 22 bei verschiedenen Abständen zwischen Objektiv 3 und Objektträger 5 gezeigt sind.This effect will be repeated in the 3 in which in a series of reflection images 6 the changes of the concentric rings 22 at different distances between lens 3 and slides 5 are shown.

Der Vorgang der Autofokussierung läuft nun erfindungsgemäß folgendermaßen ab: Die Einstelleinheit 8 fährt das Objektiv 3 automatisch zunächst in eine definierte Startposition, wobei der Abstand zum Objektträger 5 etwa ein Drittel des gesamten Verfahrbereichs beträgt, unter Berücksichtigung des jeweiligen Arbeitsabstandes des Objektivs 3. Dann wird die Unterseite des Objektträgers 5 gesucht. Von dort aus orientiert sich die Einstelleinheit 8, um die Oberseite des Objektträgers 5 zu finden. Für geringe Vergrößerungen fährt die Einstelleinheit 8 das Objektiv 3 direkt unter Berücksichtigung der optischen Dicke zur Oberseite des Objektträgers 5, bei großen Vergrößerungen erfolgt eine erneute Suche der Oberseite des Objektträgers 5 in einer feineren Auflösung.The process of autofocusing is now according to the invention as follows: The adjustment 8th drives the lens 3 automatically first into a defined starting position, with the distance to the slide 5 is about one third of the total travel range, taking into account the respective working distance of the lens 3 , Then the bottom of the slide 5 searched. From there the adjustment unit is oriented 8th to the top of the slide 5 to find. For low magnifications, the adjustment unit moves 8th the objective 3 directly considering the optical thickness to the top of the slide 5 , at large magnifications, a new search of the top of the slide is done 5 in a finer resolution.

Die Suche der jeweiligen Oberfläche, d. h. die Abrasterung in axialer Richtung erfolgt durch schrittweise Annäherung an die Grenzfläche des Objektträgers 5, wobei die Schrittweite jeweils gleich groß ist. Bei jedem Schritt, das heißt bei jedem Abstand, wird das erzeugte Reflexionsbild von der Kamera aufgenommen. Auf diese Weise werden etwa 30 bis 100 Bilder aufgenommen. Die Auswerteeinheit 7 addiert dann von einer Aufnahme alle Pixel, deren Wert, bzw. Helligkeit über einem definierten Schwellenwert liegt. Der Schwellenwert kann fest eingestellt sein oder aus der Gradationskurve der Aufnahme berechnet werden. Für jede einzelne Aufnahme ergibt sich also ein bestimmter numerischer Wert, wobei alle Werte eine Messkurve 24 bilden.The search of the respective surface, ie the scanning in the axial direction is carried out by stepwise approach to the interface of the slide 5 , wherein the step size is the same size. At each step, that is at every distance, the generated reflection image is taken by the camera. This will take about 30 to 100 pictures. The evaluation unit 7 then adds all pixels from a recording whose value or brightness is above a defined threshold. The threshold may be fixed or calculated from the recording's tone curve. For each individual shot, therefore, a certain numerical value results, with all the values being a trace 24 form.

4 zeigt eine derartige, aus verschiedenen Reflexionsbildern berechnete Messkurve 24. Bei der Messkurve 24 ist der berechnete numerische Wert für jedes Reflexionsbild gegen den Abstand von Objektiv 3 und Objektträger 5 aufgetragen. Zunächst steigt dieser Wert bei Annährung der Oberfläche an und bildet ein erstes Maximum 25, um anschließend bei weiterer Annährung bis zu einem Minimum 26 wieder abzufallen und danach wieder anzusteigen. 4 shows such a calculated from various reflection images waveform 24 , At the trace 24 is the calculated numerical value for each reflection image versus the distance from the lens 3 and slides 5 applied. Initially, this value increases as the surface approaches and forms a first maximum 25 and then on further approximation to a minimum 26 fall off again and then rise again.

Der Fokus 21 befindet sich dann genau auf der Oberfläche des Objektträgers 5, wenn das Objektiv 3 sich in genau der Position befindet, bei der das Minimum 26 der Messkurve 24 gemessen wurde. Die Auswerte- und Einstelleinheit (7, 8) bestimmt durch ein numerisches Verfahren das Minimum 24 und stellt das Objektiv 3 auf diese Position ein.The focus 21 is then exactly on the surface of the slide 5 if the lens 3 is in exactly the position where the minimum 26 the trace 24 was measured. The evaluation and adjustment unit ( 7 . 8th ) determines the minimum by a numerical method 24 and puts the lens 3 to this position.

Damit ist das Bild mit hoher Präzision scharfgestellt und kann von der Messkamera 27 aufgenommen werden.Thus, the image is focused with high precision and can by the measuring camera 27 be recorded.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Autofokussierung. Bei dieser Anordnung 1 können vorteilhafterweise weitere wellenlängenselektive optische Elemente in den Messstrahlengang 16 gebracht werden, ohne dass sie für die Laserwellenlänge entsprechend transparent sein müssen. In der 5 sind dies ein Filter 13 und ein dichroitischer Strahlteiler 18. Durch den getrennten Messstrahlengang 16 wird zu dessen Abbildung auf die Messkamera 27 eine zusätzliche Tubuslinse 28 benötigt. 5 shows a schematic representation of another embodiment of the device 1 for autofocusing. In this arrangement 1 can advantageously further wavelength-selective optical elements in the measuring beam path 16 be brought without having to be correspondingly transparent to the laser wavelength. In the 5 this is a filter 13 and a dichroic beam splitter 18 , Through the separate measuring beam path 16 becomes its picture on the measuring camera 27 an additional tube lens 28 needed.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1, bei der der Laserstrahl 4 ohne Strahlteiler direkt in den Strahlengang ein gekoppelt wird. In diesem Fall hat der selektivtransparente Spiegel 19 vorzugsweise ein Transmissions- zu Reflexionsverhältnis von ca. 50% für die entsprechende Laserwellenlänge von 785 nm. Im Gegensatz zu den vorher gezeigten Ausführungsformen wird nur eine einzige Kamera sowohl als Messkamera 27 zur Abbildung des Objektträgers 5 als auch als Detektorkamera 9 für die Autofokussierung genutzt. Dadurch ergibt sich ein einfacherer und kostengünstigerer Aufbau. 6 shows a schematic representation of another embodiment of the device 1 in which the laser beam 4 without beam splitter directly into the beam path is coupled. In this case, the selective transparent mirror has 19 Preferably, a transmission to reflection ratio of about 50% for the corresponding laser wavelength of 785 nm. In contrast to the embodiments previously shown, only a single camera as both measuring camera 27 for imaging the slide 5 as well as a detector camera 9 used for autofocusing. This results in a simpler and cheaper construction.

7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Autofokussierung, die ebenfalls wie die Ausführungsform von 6 nur eine Kamera 9, 27 benötigt. Im Unterschied dazu ist der Detektionsstrahlengang 15 jedoch wie bei 5 vom Messstrahlengang 16 getrennt, wodurch auf einfache Weise weitere optische Elemente in den Messstrahlengang gebracht werden können. 7 shows a schematic representation of another embodiment of the device 1 for autofocusing, which also like the embodiment of 6 only a camera 9 . 27 needed. In contrast, the detection beam path 15 however as with 5 from the measuring beam path 16 separated, which can be brought in a simple way other optical elements in the measuring beam path.

11: Mikroskopmicroscope
22: MesslichtquelleMeasuring light sources
33: Objektivlens
44: Strahlenbündelray beam
55: Objektträgerslides
66: Reflexionsbildreflection image
77: Auswerteeinheitevaluation
88th: Einstelleinheitadjustment
99: Detektorkameradetector camera
1010: Messkurvemeasured curve
1111: Maximum der Messkurvemaximum the trace
1212: Minimum der Messkurveminimum the trace
1313: Filterfilter
1414: Aufweitungslinseexpander lens
1515: DetektionsstrahlengangDetection beam path
1616: MessstrahlengangMeasurement beam path
1717: Strahlteilerbeamsplitter
1818: Dichroitischer Strahlteilerdichroic beamsplitter
1919: Selektivtransparenter Spiegelselective Transparent mirror
2020: Kollimationslinsecollimating lens
2121: Fokusfocus
2222: Ringring
2323: Helligkeitspunktbright spot
2424: Messkurvemeasured curve
2525: Maximummaximum
2626: Minimumminimum
2727: Messkamerameasuring camera
2828: Tubuslinsetube lens

Claims

Device for autofocusing optical devices, in particular microscopes, with a measuring light source ( 2 ) and a lens ( 3 ) for imaging one of the measuring light source ( 2 ) outgoing substantially parallel beam ( 4 ) on an observation object ( 5 ) for generating a reflection image ( 6 ), wherein an evaluation and adjustment unit ( 7 . 8th ), which is suitable, from the reflection image ( 6 ) determine the focus position and the lens ( 3 ).

Device according to claim 1, characterized in that a camera ( 9 ), preferably with a CMOS chip, for receiving the reflection image ( 6 ) and / or the observation object ( 5 ) is provided.

Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the evaluation and adjustment unit ( 7 . 8th ) is formed, between a start and an end position, the reflection images ( 6 ) each at different distances from the lens ( 3 ) and observation object ( 5 ) sequentially to each other and evaluate.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that for the adjustment of the distance from the lens ( 3 ) and observation object ( 5 ) to one another the stepping motor is provided.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 7 ) is set up, all pixels in each case a shot of a reflection image ( 6 ) whose brightness is above a defined threshold, so that a measurement curve ( 10 ) is formed, at which each distance between lens ( 3 ) and observation object ( 5 ) a certain numeric Value is assigned.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the distances at which in each case a recording of a reflection image ( 6 ), are equidistant.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the distances at which in each case a recording of a reflection image ( 6 ) takes place, time and / or are spatially marked.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation and adjustment unit ( 7 . 8th ) is set up, a first maximum ( 11 ) and a following minimum ( 12 ) of the trace and the distance between lens ( 3 ) and observation object ( 5 ) to be set to the minimum ( 12 ) corresponding value of the trace corresponds.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the light source is a laser ( 2 ), preferably at a wavelength of 785 nm.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that for the laser ( 2 ) a lens ( 14 ) for expanding one of the lasers ( 2 ) emitted beam ( 4 ) and a collimating lens ( 16 ) for the parallelization of the expanded beam ( 4 ), the diameter of which preferably corresponds approximately to the diameter of the opening of an objective lens.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the laser power depending on the used optics of the device or intermediary filters ( 13 ) is controllable.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the observation object ( 5 ) is a glass, plastic or metal slide.

Method for autofocusing optical devices, in particular microscopes, wherein a substantially parallel beam ( 4 ) of a measuring light source ( 2 ) with a lens ( 3 ) on an observation object ( 5 ) that a reflection image ( 6 ), from the reflection image ( 6 ) determines the focal position and the lens ( 3 ) on the observation object ( 5 ) is focused.

A method according to claim 12, characterized in that between a start and an end position reflection images ( 6 ) each at different distances from the lens ( 3 ) and observation object ( 5 ) are recorded and evaluated.

A method according to claim 12 or claim 13, characterized in that all the pixels in each case a recording of a reflection image ( 6 ) whose brightness is above a defined threshold, are added together and a measurement curve ( 10 ) is formed, at which each distance between lens ( 3 ) and observation object ( 5 ) a certain numerical value is assigned.

Method according to claims 12 to 14, characterized in that a first maximum ( 11 ) and a following minimum ( 12 ) of the trace and the distance between the lens ( 3 ) and observation object ( 5 ) is set to the minimum ( 12 ) corresponding value of the trace corresponds.