DE2528515C3 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Fokussierung eines optischen Gerätes mit einem Abtastgitter - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Fokussierung eines optischen Gerätes, insbesondere eines Mikroskops, unter Verwendung eines Abtastgitters sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, optische Geräte dadurch automatisch zu fokussieren, daß in einer Bildebene des Gerätes ein als Ortsfrequenzfilter wirkendes Abtastgitter (Sensor) angeordnet wird, mit dem die der Gitterkonstante entsprechende Ortsfrequenz aus dem Zwischenbild ausgefiltert und mittels eines Fotoempfängers zur Erzeugung von elektrischen Signalen verwendet wird. Das Gitter wird dabei über das Zwischenbild bewegt, und je nach Fokussierung oder Defokussierung des Gerätes auf das Objekt ergeben sich unterschiedliche Signale, die ein Kriterium für die erforderliche Nachfokussierung darstellen.

Insbesondere bei MikrosKopen fanden sich nun bei Schwingen des Gitters über wenige Gitterkonstanten und bei Verschieben des mikroskopischen Objektes immer wieder Stellen, an denen der Sensor nur ein sehr kleines oder nahezu überhaupt kein Signal erzeugen konnte, so daß an diesen Stellen ein Fokussierung nicht möglich war bzw. sogar eine Defokussierung eintrat. Diese Präparatstellen sind dadurch gekennzeichnet — was mit dem Auge nicht sichtbar ist —, daß die bei Verwendung eines Prismenrasters als Abtastgitter an den beiden Lichtempfangern gemessenen Lichtströme gleich sind oder, anders ausgedrückt, daß die dem Abtastgitter entsprechende Ortsfrequenz im Objekt bei der gerade vorliegenden Relativbewegung zwischen Objekt und Gitter nicht erfaßt werden kann. Die zweite Formulierung gilt auch für Amplitudengitter ais Abtastgitter. Bei einer relativ kleinen Verschiebung des Zwischenbildes können wieder sehr gute Signale auftreten.

Obwohl diese Erscheinung bei der automatischen Fokussierung von Mikroskopen festgestellt wurde, ergibt sie sich sinngemäß auch bei der Fokussierung anderer optischer Geräte, z. B. bei der selbsttätigen Scharfeinstellung von fotografischen Kameras.

Der Erfindung liegt daher ganz allgemein die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, mit dem diese Schwierigkeiten mit den Objektstellen, die nahezu kein Signal geben, zu überwinden sind.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Verwendung eines im Verhältnis zur Ausdehnung des Zwischenbildes kurzen Gitters sich über mehrere Gitterkonstanten erstreckende Relativbewegungen zwischen Zwischenbild und Gitter erzeugt werden.

Üblicherweise wird es für ausreichend erachtet, das Gitter 1/2 Gitterperiode, oder wenig mehr, schwingen zu lassen, wobei man dann nur die Grund- und 1. Oberwelle erhält. Im Gegensatz dazu wird vorgeschlagen, den Abtastweg des Gitters auf etwa 20 Gitterperioden auszudehnen. Dieser große Schwingweg hat den Vorteil, daß Bildstellen mit kleinem Signal und solche mit hohem Signal nacheinander abgetastet werden und sich dabei auf jeden Fall ein Stellsignal ergibt; die Stellen ohne Signal werden also sozusagen überspielt.

Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird ein Gitter verwendet, das kurz ist im Verhältnis zur Ausdehnung des Zwischenbildes, und wobei die Antriebsmittel für die Gitterbewegung derart bemessen sind, daß die Gitter eine sich über mehrere Gitterkonstanten erstreckende Bewegung ausführt.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels dargestellt, bei dem das Gitter eine hin und her schwingende Bewegung ausführt. Es zeigt

F i g. 1 das Zwischenbild mit überlagerndem Gitter in Ansicht,

Fig.2 einen idealen Signalverlauf, wie er für ein schwingendes Gitter typisch wäre, wenn alle Objektstellen ausreichende Helligkeit besäßen,

F i g. 3 einen Signalverlauf bei einem Objekt, das Dunkelstellen besitzt,

Fig.4 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in Verbindung mit einem Miskroskop.

In Fig. 1 ist mit 1 das Zwischenbild bezeichnet, in dessen Ebene ein Gitter 2 schwingt. Das eigentliche Gitter, d. h. die Schlitze 2a und die Stege 2b sind kurz im Verhältnis zur Schwingweite des Gitters. Mit »d« ist die Gitterkonstante und mit »a« ist die Schwingamplitude bezeichnet, und es gilt a > d

Da im allgemeinen mit dem Gitter Bildstellen verschiedener Gesamthelligkeit überstrichen werden, ergibt sich eine Modulation der Signalfrequenz mit der Schwingfrequenz des Gitters. Da wegen a > d ein relativ großer Frequenzabstand besteht, macht eine elektrische Abtrennung keine Schwierigkeiten.

Um das durch die normalerweise sinusförmige Bewegung des Gitters entstehende Frequenzspektrum einzuschränken, mögliche Fehlerquellen auszuschließen und eine günstigere elektronische Signal-Verarbeitung zu gewährleisten, kann durch ein aus der Gitterbewegung gewonnenes Signal eine Austastung der Signale von den Gitterumkehrpunkten und ihrer Umgebung vorgenommen werden. Dadurch beschränkt man das Meßsignal auf den Abschnitt der Gesamtgiiteramplitude, bei dem die Bewegung einigermaßen linear verläuft, ι ο

F i g. 2 zeigt den Signalverlauf bei einer Objektstelle, die auf dem gesamten Gitterweg von gleichmäßiger Helligkeit ist Die Signalamplituden sind alle gleich groß, aber die Frequenz ist nur im mittleren Teil einigermaßen linear. Nahe dan Umkehrpunkten erfolgt daher eine Austastung des Signals. Eine Linearisierung des Signalverlaufs kann aber auch dadurch erreicht werden, daß die Gitterbewegung selbst linearisiert wird.

F i g. 3 zeigt dagegen einen Signalverlau', wie er sich ergibt, wenn neben einer hellen Objektstelle eine dunkle Stelle vorhanden ist Man erhält dann auf einem Teil des Schwingweges des Gitters fast keine Signalamplitude, unmittelbar danebn ergibt sich dann wieder eine Signalamplitude, die zur Fokussierung des Gerätes ausreicht. Mit a > d wird die dunkle Stelle somit überspielt.

Statt eines periodischen Gitters kann auch ein aperiodisches Gitter verwendet werden, was den Vorteil mit sich bringt, daß verschiedene Ortsfrequenzen des Bildes ausgewertet werden können.

Das vorgeschlagene Verfahren, über eine im Verhältnis zur Gitterkonstante große Amplitude zu schwingen, gilt sowohl für Amplitudengitter als auch für Prismenrastergitter.

Zur Bestimmung der Richtung, in der nachfokussiert werden soli, ist es möglich, das Verfahren der sogenannten Pupillenteilung zu verwenden. Hierbei werden jeweils zwei Lichtempfänger in die hinter dem Amplitudengitter durch eine Sammellinse abgebildeten Pupille gebracht. Bei Defokussierung entsteht zwischen den beiden Signalen der Lichtempfänger eine Phasendifferenz, deren Richtung und Größe ein Maß für die Defokussierung ist

Bei Verwendung eines Prismenrasters werden in analoger Weise zwei mal zwei Lichtempfänger verwendet, wobei durch entsprechende Differenzschaltung wiederum bei Defokussierung zwei Signale mit Phasenverschiebung entstehen.

Bei dem hier vorgeschlagenen schwingenden Gitter ergibt sich nur aufgrund der Richtungsumkehr auch eine Umkehrung in der Phasenverschiebung der Signale. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, einen elektronischen Kommutator zur Signal-Verarbeitung einzusetzen. Bei Rückschwingen des Gitters werden dabei durch ein Triggersignal aus der Gitterbewegung die Kanäle für die Signale aus den beiden Pupillenbildhälften vertauscht.

Die Erfindung läßt sich aber nicht nur bei einem kurzen Gitter anwenden, das mit großer Amplitude in der Zwischenbildebene hin und her schwingt, sondern auch bei einem kontinuierlich ablaufenden Gitter. In diesem Falle wäre eine Extra-Blende vorzusehen, die unscharf auf das Gitter abzubilden ist (oder eine Blende mit üraukeilrand, die unmittelbar vor dem Gitter steht), und diese Blende ist mit großer Amplitude über die Zwischenbildebene hin und her zu bewegen, um auf diese Weise die Stellen mit verschwindendem Signal zu überspielen.

Die Doppelscanning-Bewegung, die im Falle des schwingenden Gitters von diesem allein erzeugt wird, wird also im hier beschriebenen Fall getrennt von einem kontinuierlich laufenden Gitter und einer Schwingblende dargestellt.

F i g. 4 zeigt noch einmal deutlich die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei einem Mikroskop. In dieser Figur ist mit 10 eine Lichtquelle bezeichnet, die über einen Kondensor 11 ein Objekt 12 beleuchtet. Von dem Objekt 12 wird mittels eines Objektes 13 ein Zwischenbild in der Okularebene 14 entworfen, das mittels eines Fernrohrs 15, 15a vom Benutzer 16 betrachtet werden kann. Diese Betrachtung geschieht über einen Strahlenteiler 17, durch den hindurch und mittels einer Linse 18 ein Zwischenbild 19 des Objektes auch in einer Zwischenbildebene entworfen wird, in der ein als Prismenraster ausgebildetes Abtastgitter 20 verschiebbar angeordnet ist. Die Verschiebung geschieht mittels eines Schwinggliedes 21, und zwar ist auch hier der Schwingweg a > d. Die von dem Abtastgitter ausgehenden Lichtströme werden in bekannter und daher nicht näher erläuterter Weise mittels einer Feldlinse 22 zwei Doppelfotoempfängern 23, 24 zugeführt, deren Signale zu einem Stellglied 25 und weiter über einen Verstärker 26 zu einem Antriebsmotor 27 gelangen, weicher das Objektiv zwecks automatischer Fokussierung in Richtung des Doppelpfeiles 28 verschiebt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur automatischen Fokussierung eines optischen Gerätes, insbesondere eines Mikroskops, bei welchem unter Verwendung eines als Ortsfrequenzfilter wirkenden, in einer Zwischenbildebene befindlichen Gitters sowie eines diesem zugeordneten fotoelektrischen Empfängersystems elektrische Steuersignale erzeugt werden, die durch Relativbewegungen zwischen Objektbild und Gitter, vorzugsweise senkrecht zur Längsausdehnung der Gittermarken, moduliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung eines im Verhältnis zur Ausdehnung des Zwischenbildes (1) kurzen Gitters (2) sich über mehrere Gitterkonstanten (d) erstreckende Relativbewegungen zwischen Zwischenbild (1) und Gitter (2) erzeugt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, zum automatischen Fokussieren eines optischen Gerätes, insbesondere eines Mikroskops, mit einem als Ortsfrequenzfilter wirkenden Gitter, das in einer Zwischenbildebene des Strahlenganges des zu fokussierenden Gerätes vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse und vorzugsweise senkrecht zur Längsausdehnung der Gittermarken bewegbar angeordnet ist und dem ein mindestens einen Empfänger aufweisendes fotoelektrisches Empfängersystem zugeordnet ist, welches das Gitter verlassende Lichtflüsse abtastet und in entsprechende elektrische Signale umsetzt, die als Steuersignale zum Fokussieren verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (20) kurz ist im Verhältnis zur Ausdehnung des Zwischenbildes (19) und daß die Antriebsmittel (21) für die Gitterbewegung derart bemessen sind, daß das Gitter eine sich über mehrere Gitterkonstanten erstreckende Bewegung ausführt.