DE102010041484A1

DE102010041484A1 - Autofokussierverfahren und Autofokussiervorrichtung

Info

Publication number: DE102010041484A1
Application number: DE201010041484
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Smolej Vito
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Es wird ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Abbildungsoptik zur Abbildung eines Objektes entlang eines Abbildungsstrahlenganges in eine Bildebene sowie eine Beleuchtungseinheit mit einer Beleuchtungsquelle zur Befeuchtung des Objektes aufweist, wobei die Beleuchtungseinheit eine Feldblende aufweist, die nicht im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist und bei Beleuchtung des Objektes in den Abbildungsstrahlengang abgebildet wird, wobei das Autofokussierverfahren folgende Schritte umfaßt: – Verkleinern der Feldblende, – automatische Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende zum Fokussieren des Objektes und – Vergrößern der Feldblende für die Abbildung des fokussierten Objektes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Autofokussierverfahren sowie eine Autofokussiervorrichtung.
Autofokussierverfahren werden häufig im Bereich der Mikroskopie eingesetzt, um automatisch eine Probe zu fokussieren. Für eine erfolgreiche automatische Fokussierung müssen jedoch bereits im defokussierten Anfangszustand ausreichend Strukturen sichtbar sein, die zur Fokussierung benutzt werden können. Wenn die Probe relativ wenig Strukturen aufweist, kann es vorkommen, daß die Autofokussierung nicht erfolgreich ist. Auch bei einem zu stark defokussierten Anfangszustand kann die Autofokussierung nicht erfolgreich sein, z. B. kann die Autofokussierung in einer suboptimalen Fokusposition enden.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Autofokussierverfahren bereitzustellen, das selbst dann noch funktioniert, wenn das zu fokussierende Objekt wenig zur Fokussierung benutzbare Strukturen aufweist oder wenig Strukturen zur Fokussierung sichtbar sind, da eine starke Defokussierung vorliegt.
Die Aufgabe wird gelöst, durch ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik zur Abbildung eines Objektes entlang eines Abbildungsstrahlenganges in eine Bildebene sowie eine Beleuchtungseinheit mit einer Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des Objektes aufweist, wobei die Beleuchtungseinheit eine Feldblende aufweist, die nicht im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist und bei Beleuchtung des Objektes in den Abbildungsstrahlengang abgebildet wird, wobei das Autofokussierverfahren folgende Schritte umfaßt:

– Verkleinern der Feldblende,
– automatische Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende zum Fokussieren des Objektes und
– Vergrößern der Feldblende für die Abbildung des fokussierten Objektes.

Durch das Verkleinern der Feldblende wird vorteilhaft erreicht, daß sichtbare Strukturen erzeugt werden, die zur Fokussierung benutzt werden können. Insbesondere kann der Rand der Feldblende zur Fokussierung verwendet werden. Nach der Durchführung des automatischen Fokussierens wird die Feldblende wieder vergrößert, so daß dann das fokussierte Objekt in der gewünschten Art und Weise abgebildet werden kann.
Durch dieses Vorgehen kann somit selbst bei Objekten mit wenig bis keinen zur Fokussierung verwendbaren Strukturen und/oder bei einer Ausgangslage, bei das zu fokussierende Objekt stark defokussiert ist, eine erfolgreiche automatische Fokussierung durchgeführt werden.
Natürlich kann bei dem Schritt des automatischen Fokussierens zusätzlich der innerhalb des Bildes der Feldblende liegende Ausschnitt der unscharfen Probe nutzen. Dabei sind so mehr Details nutzbar, je näher die Probe an der richtigen Fokusposition liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Fokusposition, die nach Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende vorliegt, für einen weiteren Fokussierungsschritt verwendet werden, um das Objekt zu fokussieren. So kann beispielsweise ausgehend von der durch das vorgeschlagene Verfahren erreichten Fokusposition eine zusätzliche automatische Feinfokussierung unter Verwendung der nun sichtbaren Strukturen des Objektes durchgeführt werden.
Ferner ist es möglich, daß die Fokusposition, die nach der Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende vorliegt, um einen vorbekannten Versatz zwischen dem Bild der verkleinerten Feldblende und einer Objektebene, in der das Objekt angeordnet ist, korrigiert wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Ebene, in der die Feldblende liegt, nicht exakt optisch konjugiert zur Objektebene ist. In diesem Fall ist das Bild der Feldblende etwas zur Objektebene versetzt. Dieser Versatz wird dann zur Fokussierung auf das Objekt berücksichtigt.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Schritt des automatischen Fokussierens auf den Rand des Bildes der verkleinerten Feldblende fokussiert werden.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Feldblende gegenüber ihrer maximalen Blendenöffnung um 10%, 20%, 50%, 80% oder sogar 90% verkleinert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Autofokussierverfahren kann die Abbildungsvorrichtung insbesondere ein Mikroskop oder ein Projektor sein. Es sind aber auch andere optische Abbildungsvorrichtungen mit Abbildungsstrahlengang und Beleuchtungseinheit möglich, bei denen das erfindungsgemäße Autofokussierverfahren angewendet werden kann.
Es wird ferner bereitgestellt eine Autofokussiervorrichtung mit einer Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik zur Abbildung eines Objektes entlang eines Abbildungsstrahlenganges in eine Bildebene, und eine Beleuchtungseinheit aufweist, die eine Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des Objektes umfaßt, wobei die Beleuchtungseinheit eine Feldblende aufweist, die nicht im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist und bei Beleuchtung des Objektes in den Abbildungsstrahlengang abgebildet wird, und wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, daß sie zur automatischen Fokussierung folgende Schritte ausführt:
Verkleinern der Feldblende,
Fokussieren auf das Bild der verkleinerten Feldblende zum Fokussieren des Objektes und Vergrößern der Feldblende für die Abbildung des fokussierten Objektes.
Mit der erfindungsgemäßen Autofokussiereinrichtung kann selbst dann noch ein automatisches Fokussieren durchgeführt werden, wenn die Probe wenig verwendbare Strukturen zum Autofokussieren aufweist und/oder die Probe anfänglich stark defokussiert ist.
Beim Schritt des Fokussierens kann natürlich auch der innerhalb des Bildes der Feldblende liegende Teil der Probe berücksichtigt werden, sofern er verwendbare bzw. ausreichend scharfe Details zeigt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, eine Fokusposition, die nach der Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende vorliegt, für einen weiteren Fokussierungsschritt zu verwenden, um das Objekt zu fokussieren.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, daß die Fokusposition, die nach der Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende vorliegt, um einen vorbekannten Versatz zwischen dem Bild der verkleinerten Feldblende und einer Objektebene, in der das Objekt angeordnet ist, zu korrigieren. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Feldblende in einer Ebene liegt, die nicht exakt optisch konjugiert ist zur Objektebene.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Feldblende bevorzugt einer Ebene angeordnet, die optisch konjugiert ist zu einer Objektebene, in der das Objekt zur Abbildung liegt.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Beleuchtungseinheit als Köhler'sche Beleuchtungseinheit ausgebildet sein.
Insbesondere ist die Abbildungsvorrichtung bei der erfindungsgemäßen Autofokussiervorrichtung bevorzugt als Mikroskop oder als Projektionsvorrichtung ausgebildet.
Die Steuereinheit kann als Hardware und/oder Software ausgebildet sein.
Die Feldblende kann eine motorisierte Feldblende oder eine Feldblende sein, bei der die Größe der Blendenöffnung mittels eines Aktuators veränderbar und einstellbar ist. Bevorzugt ist die Größe der Feldblende mittels der Steuereinheit steuerbar. Das Mikroskop kann beispielsweise ein Durchlicht- und/oder Auflicht-Mikroskop sein.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiter gebildet werden, daß mit ihr Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden. Auch das erfindungsgemäße Verfahren kann so weitergebildet werden, daß es Schritte aufweist, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar sind oder durchgeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnung (1), die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbart, noch näher erläutert.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Autofokussiervorrichtung 1 als Mikroskop ausgebildet und umfaßt eine Abbildungsoptik 2 mit einem Objektiv 3 und einem Okular 4 sowie eine Beleuchtungseinheit 5, die eine Beleuchtungsquelle 6, einen Kollektor 7, eine Leuchtfeldblende 8 und einen Kondensor 9 aufweist.
Die Beleuchtungseinheit 5 ist hier als Köhler'sche Beleuchtungseinheit ausgebildet, so daß die Leuchtfeldblende 8 optische konjugiert ist mit der Probenebene 10, die zwischen Kondensor 9 und Objektiv 3 liegt.
Die erfindungsgemäße Autofokussiervorrichtung weist somit einen Beleuchtungsstrahlengang 11 auf, der von der Beleuchtungsquelle 6 bis zur Probenebene 10 verläuft (die Beleuchtungsstrahlen sind schematisch als durchgezogene Linie eingezeichnet). Ferner weist die Abbildungsoptik 2 einen Abbildungsstrahlengang 12 auf, der von der Probenebene 10 bis zur Austrittspupille 13 der Abbildungsoptik 2 verläuft. Der entsprechende Strahlenverlauf ist durch gestrichelte Linien angedeutet.
Ferner umfaßt die Autofokussiervorrichtung 1 einen Aktuator 14 mit dem die Öffnung der Leuchtfeldblende 8 verstellbar ist. Der Aktuator 14 ist mit einer Steuereinheit 15 verbunden.
Es ist ferner ein teiltransparenter Umlenkspiegel 16 vorgesehen, der hier zum Beispiel in der Austrittspupille 13 positioniert ist und einen Teil der Strahlung auf eine Autofokuseinheit 17 lenkt, die eine Optik 18 sowie einen Detektor 19 umfaßt. Der Detektor 19 ist mit der Steuereinheit 15 verbunden.
Bei einer herkömmlichen Autofokussiervorrichtung kann es immer wieder vorkommen, daß nicht automatisch auf eine in der Probenebene 10 positionierte Probe fokussiert werden kann, weil von der Probe 20 beispielsweise für das Autofokussieren zu wenig Strukturen auf dem Detektor 19 sichtbar sind.
Mit der erfindungsgemäßen Autofokussiervorrichtung 1 ist selbst dann noch ein automatisches Fokussieren möglich, da wie folgt vorgegangen wird. Die Steuereinheit 15 steuert den Aktuator 14 so an, daß die Größe der Leuchtfeldblende 8 verringert wird. Da die Leuchtfeldblende 8 optisch zur Probenebene 20 konjugiert ist, ist in der Probenebene 20 dadurch der Rand der verkleinerten Leuchtfeldblende 8 sichtbar und wird somit als Struktur auf den Detektor 19 abgebildet. Anhand dieser Abbildung kann eine Autofokussierung in üblicher Weise durchgeführt werden, so daß dann auch die Probe 20 fokussiert ist.
Wenn die Probe 20 fokussiert ist, kann mittels der Steuereinheit der Aktuator 14 wiederum angesteuert werden, so daß die Leuchtfeldblende 8 wieder öffnet. Somit kann auf einfache Art und Weise selbst bei schwierigen Probenbedingungen ein erfolgreiches Autofokussieren durchgeführt werden.
Nicht nur bei schwierigen Probenbedingungen kann noch eine erfolgreiche Fokussierung durchgeführt werden, sondern auch in dem Fall, in dem der Fokus deutlich von der Probe 20 entfernt ist. Selbst in diesem Fall ist die abgebildete, verkleinerte Leuchtfeldblende 8 im Detektor 19 noch gut sichtbar, so daß die gewünschte automatische Fokussierung durchgeführt werden kann. Es wird somit ein erweiterter Fangbereich bereitgestellt.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wurde davon ausgegangen, daß die Leuchtfeldblende 8 optisch zur Probenebene 20 konjugiert ist. Es kann jedoch abhängig von der konkreten Ausbildung der Beleuchtungseinheit 5 der Fall auftreten, daß die Leuchtfeldblende 8 nicht genau optisch konjugiert zur Probenebene 10 ist, sondern daß ein vorbestimmter Versatz vorliegt. In diesem Fall kann der bekannte Versatz von der Steuereinheit 15 berücksichtigt werden, so daß nach Fokussierung auf die abgebildete Leuchtfeldblende 8 die Fokuslage um den bekannten Versatz verstellt wird, um zu der gewünschten Fokussierung der Probe 20 zu gelangen. Sollte die Fokussierung dann immer noch nicht als ausreichend gut angesehen werden, kann die Probe 20 dann benutzt werden, um die Fokussierung zu verbessern.
Die Verkleinerung der Leuchtfeldblende 8 bei der Fokussierung kann beispielsweise 10%, 20%, 50% oder mehr betragen. Es ist auch eine Verkleinerung um 80 bis 90% möglich.

Claims

Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik zur Abbildung eines Objektes entlang eines Abbildungsstrahlenganges in eine Bildebene sowie eine Beleuchtungseinheit mit einer Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des Objektes aufweist, wobei die Beleuchtungseinheit eine Feldblende aufweist, die nicht im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist und bei Beleuchtung des Objektes in den Abbildungsstrahlengang abgebildet wird, wobei das Autofokussierverfahren folgende Schritte umfaßt: – Verkleinern der Feldblende, – automatische Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende zum Fokussieren des Objektes und – Vergrößern der Feldblende für die Abbildung des fokussierten Objektes.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fokusposition, die nach der Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende vorliegt, für einen weiteren Fokussierungsschritt verwendet wird, um das Objekt zu fokussieren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fokusposition, die nach der Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende vorliegt, um einen vorbekannten Versatz zwischen dem Bild der verkleinerten Feldblende und einer Objektebene, in der das Objekt angeordnet ist, korrigiert wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem im Schritt des automatischen Fokussierens auf den Rand des Bildes der verkleinerten Feldblende fokussiert wird.
Autofokussiervorrichtung mit einer Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (2) zur Abbildung eines Objektes (20) entlang eines Abbildungsstrahlenganges (12) in eine Bildebene und eine Beleuchtungseinheit (5) aufweist, die eine Beleuchtungsquelle (6) zur Beleuchtung des Objektes (20) umfaßt, wobei die Beleuchtungseinheit (5) eine Feldblende (8) aufweist, die nicht im Abbildungsstrahlengang (12) angeordnet ist und bei Beleuchtung des Objektes (20) in den Abbildungsstrahlengang (12) abgebildet wird, und einer Steuereinheit (15), die dazu eingerichtet ist, daß sie zur automatischen Fokussierung folgende Schritte ausführt: – Verkleinern der Feldblende (8), – Fokussieren auf das Bild der verkleinerten Feldblende (8) zum Fokussieren des Objektes (20) und – Vergrößern der Feldblende (8) für die Abbildung des fokussierten Objektes (20).
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, die Fokusposition, die nach der Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende vorliegt, für einen weiteren Fokussierungsschritt zu verwenden, um das Objekt zu fokussieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, die Fokusposition, die nach der Fokussierung auf das Bild der verkleinerten Feldblende vorliegt, um einen vorbekannten Versatz zwischen dem Bild der verkleinerten Feldblende und einer Objektebene, in der das Objekt angeordnet ist, zu korrigieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Feldblende (8) in einer Ebene angeordnet ist, die optisch konjugiert ist zu einer Objektebene (10), in der das Objekt (20) zur Abbildung liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die Beleuchtungseinheit (5) als Köhler'sche Beleuchtungseinheit ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der die Abbildungsvorrichtung (1) als Mikroskop ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei der ein Aktuator (14) vorgesehen ist, der von der Steuereinheit (15) ansteuerbar ist und mittels dem die Größe der Blendenöffnung der Feldblende (8) erstellbar ist.