專利名稱：用于顯微鏡的自動聚焦方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于顯微鏡、特別是手術(shù)顯微鏡的自動聚焦方法和自動聚焦設(shè)備。
背景技術(shù)：
已知的自動聚焦設(shè)備包括用于產(chǎn)生自動聚焦光束路徑的自動聚焦光學(xué)部件，自動聚焦光束路徑在物體上產(chǎn)生自動聚焦圖案，自動聚焦光束路徑通常通過偏轉(zhuǎn)元件被引導(dǎo)到物體上。此外，這種類型的自動聚焦設(shè)備包括自動聚焦評估單元，檢測器光束路徑通過偏轉(zhuǎn)元件被遞送到自動聚焦評估單元，該檢測器光束路徑代表自動聚焦光束路徑的從物體反射的輻射。DE4131737C2描述了一種用于具有主物鏡的立體顯微鏡的自動聚焦設(shè)備。用該自動聚焦設(shè)備，投影光束路徑由投影光學(xué)部件產(chǎn)生，且轉(zhuǎn)而在通過主物鏡之后，在物體表面上產(chǎn)生線條圖案。從物體反射的投影光束路徑的光被耦合輸出且被遞送到光敏的空間分辨的位置檢測器。散焦操作導(dǎo)致線條圖案(條狀紋理(linear marking))的像在位置檢測器上的橫向移動，該橫向移動通過自動聚焦評估單元被記錄且被使用作為用于聚焦驅(qū)動器的再聚焦的閉環(huán)控制信號。為了自動聚焦，后者調(diào)節(jié)正被使用的物鏡的攔截距離(interceptdistance)，或者將整個立體顯微鏡沿著光軸移置。基于根據(jù)DE4131737C2描述的布置，DE102006040636B3提出一種自動聚焦設(shè)備，其中具有單獨地可控制和可調(diào)節(jié)的微鏡(micromirror)的微鏡陣列以共用方式被設(shè)置作為用于自動聚焦光束路徑和投影光束路徑的偏轉(zhuǎn)元件，且被設(shè)置作為用于檢測器光束路徑的偏轉(zhuǎn)元件。通過微鏡陣列，通過對微鏡相應(yīng)地應(yīng)用控制，自動聚焦圖案可以受控制的方式在其位置和幾何形狀方面以及在其光強度方面被改變。另外，可以使用在任何情況下均存在于顯微鏡中用于照明物體的照明光學(xué)部件來產(chǎn)生自動聚焦光束路徑。因而，微鏡陣列可以具有兩種功能一方面，微鏡陣列從照明光束路徑產(chǎn)生用于在物體上產(chǎn)生自動聚焦圖案的自動聚焦光束路徑；另一方面，微鏡陣列將檢測器光束路徑耦合輸出，檢測器光束路徑轉(zhuǎn)而被引導(dǎo)到自動聚焦評估單元上。這個文件描述了通過適當(dāng)調(diào)節(jié)微鏡陣列中的微鏡而產(chǎn)生兩個點光束。從微鏡陣列發(fā)出的點光束通過顯微鏡的主物鏡且由主物鏡聚焦。如果兩個點光束的交叉點位于物體之上或之下，那么兩個斑點在物體上可見。為了自動聚焦，具有固定的焦距的主物鏡被移動，直到僅一個斑點(當(dāng)散焦時可見的兩個斑點的合并)在物體上可見。用變焦距物鏡(具有可變焦距的物鏡)，相應(yīng)地調(diào)節(jié)焦距。關(guān)于使用所描述的自動聚焦設(shè)備的這種類型或其他類型的自動聚焦，明確地參考上述專利文件DE102006040636B3。通過這種參考,相應(yīng)的公開清楚地意欲成為本申請的組成部分。另一種自動聚焦設(shè)備從EP1241506B1已知。這里，使用在手術(shù)顯微鏡上存在用于文件編制目的的(視頻)攝像機來定位顯微鏡的正確焦點位置。攝像機包括圖像采集設(shè)備和信號處理器單元，信號處理器單元使用例如對照方法確定最佳焦點。通過攝像機中的接口和顯微鏡中的另一接口，為了聚焦，將由攝像機產(chǎn)生的閉環(huán)控制信號傳遞到顯微鏡的控制單元中，控制單元對顯微鏡中的相應(yīng)的定位單元應(yīng)用控制，定位單元改變物鏡焦距用于自動聚焦。除了上述(視頻)攝像機之外，單獨的測量模塊不與這種系統(tǒng)一起使用。在EP1255146B1中以類似的方式進行自動聚焦；這里，通過評估顯微鏡圖像傳感器的圖像內(nèi)容的變化而產(chǎn)生二維直方圖，且從該直方圖獲得特定的運動活動性。由此，自動聚焦單元可以基于被確定的數(shù)據(jù)將焦點放置到具有最大活動性的區(qū)域，即例如放置到用手術(shù)儀器研究的區(qū)域。DE3328821C2公開了一種用于顯微鏡的自動聚焦設(shè)備，具有至少兩個交替切換的光源，例如紅外二極管，光源靠近顯微鏡的光瞳被彼此相鄰布置。從光源發(fā)出的光束被反射到顯微鏡的光束路徑中。光源照明特別地代表由透明條紋和反射條紋構(gòu)成的格柵的標(biāo)記。該標(biāo)記自動準(zhǔn)直地成像到自身。如果物體位于顯微鏡的焦點處，那么在返回路徑上，朝向物體通過標(biāo)記的透明條紋前進的光束再一次通過標(biāo)記的相同區(qū)域前進。然而，如果物體不位于焦點處，那么在物體處反射時通過標(biāo)記的透明條紋前進的光束經(jīng)歷橫向偏移，且到達布置在透明條紋之上或之下的反射條紋(根據(jù)散焦的表示)。如果反射條紋鄰近透明條紋彼此成特定角度地被布置，那么也可以確定散焦的表示。最近,一種被稱為“SpeedSpot”的自動聚焦設(shè)備從Leica model M720 0H5手術(shù)顯微鏡已知，該自動聚焦設(shè)備與在物體上產(chǎn)生兩個斑點狀的標(biāo)記的兩個激光束一起工作，當(dāng)物平面的焦點位置是最佳的時，兩個斑點狀的標(biāo)記轉(zhuǎn)而合并成一個斑點。用戶選擇固定的聚焦速度用于自動聚焦。聚焦發(fā)生，使得通過使物平面更接近焦平面而使間隔開的激光斑點合并成一個斑點。如果在最佳焦平面與物平面之間有大偏差，那么使用者通常認為使物平面更接近最佳焦平面的步驟是費時的。在高放大率下，相反地，固定的聚焦速度可以使焦平面的區(qū)域被太迅速地通過。由于在高放大率下的淺景深，激光點的合并的檢測(特別地由使用者檢測)經(jīng)常是僅困難地可能的。因此，在本發(fā)明的情況下出現(xiàn)的目的是基于特別是斑點狀的標(biāo)記的使用改進自動聚焦方法，使得不管被設(shè)置的顯微鏡放大率如何，都可能簡單、精確和快速地自動聚焦。

發(fā)明內(nèi)容
上述目的通過一種用于在顯微鏡中自動聚焦的方法而實現(xiàn)，其中，在物體上產(chǎn)生至少兩個、特別是斑點狀的標(biāo)記，所述標(biāo)記的彼此之間的間距代表在所述物體中的工作平面從所述顯微鏡的焦平面散焦的指示；其中，當(dāng)所述標(biāo)記處于預(yù)定的間距4時，所述工作平面位于所述焦平面中；和其中，所述工作平面通過聚焦驅(qū)動器根據(jù)所述標(biāo)記間距被移置到所述焦平面中，調(diào)節(jié)作為所述標(biāo)記間距的函數(shù)的所述聚焦驅(qū)動器的速度(即，所述工作平面被移置到所述焦平面中的速度)。此外，本發(fā)明的目的是一種用于實現(xiàn)上述方法的相應(yīng)的自動聚焦設(shè)備，該自動聚焦設(shè)備包括捕獲在物體上產(chǎn)生的標(biāo)記的像的檢測器、以及確定標(biāo)記的間距的評估單元，其中，此外，設(shè)置控制單元，控制單元調(diào)節(jié)作為被確定的標(biāo)記間距的函數(shù)的聚焦驅(qū)動器的速度。沒有一般性限制，以下將考慮其中標(biāo)記間距在標(biāo)記的顯微鏡像中被確定的情況。本發(fā)明不限于使用兩個標(biāo)記。當(dāng)然，也可以使用超過兩個的標(biāo)記。然后標(biāo)記的間距需要被適當(dāng)?shù)叵薅?。根?jù)本發(fā)明，然后可以轉(zhuǎn)而利用每兩個標(biāo)記的間距來調(diào)節(jié)聚焦驅(qū)動器的速度?？蛇x地，在這樣的情況下，從每兩個標(biāo)記的多個間距形成或限定另一參考變量(例如，平均間距、間距的和等等)將是可能的，然后調(diào)節(jié)作為該另一參考變量的函數(shù)的聚焦驅(qū)動器的速度。本發(fā)明的進一步的優(yōu)點和實施例從各個從屬權(quán)利要求和以下描述以及附圖中將
變得明顯。本發(fā)明的優(yōu)點根據(jù)本發(fā)明，為了自動聚焦，調(diào)節(jié)作為位于物體上的標(biāo)記的間距的函數(shù)的聚焦驅(qū)動器將工作平面移置到焦平面中的速度。為了簡化說明，以下將假設(shè)，沒有一般性限制，工作平面位于焦平面中的標(biāo)記的預(yù)定間距dF意欲等于零，即當(dāng)工作平面被最佳聚焦時，標(biāo)記彼此合并或變成重合的。 聚焦驅(qū)動器的速度(也被稱為“聚焦速度”)將與標(biāo)記的間距成比例地被控制。換言之，標(biāo)記間的間距越小，被選擇的聚焦速度(聚焦驅(qū)動器的速度)越慢。相反地，標(biāo)記間彼此分開得越遠，被選擇的聚焦驅(qū)動器的速度(聚焦速度)越大。為了進一步說明，將假設(shè)，沒有一般性限制，在物體上產(chǎn)生恰好兩個標(biāo)記。在聚焦時，兩個標(biāo)記朝向彼此移動，且當(dāng)?shù)竭_焦平面時合并。在稍后討論的特殊情況下，使用兩個標(biāo)記，其中一個為由沿著光軸的相應(yīng)的光束路徑產(chǎn)生的所謂的目標(biāo)標(biāo)記。在聚焦操作期間目標(biāo)標(biāo)記保持不動，而另一標(biāo)記朝向所述目標(biāo)標(biāo)記移動。因為聚焦驅(qū)動器的速度與標(biāo)記間距成比例地被調(diào)節(jié)，所以在離開焦點的間距大的情況下，聚焦速度更大，以便使用者不再認為相應(yīng)的調(diào)焦是費時的。相反地，對于離開焦點的間距小，聚焦速度更小，以便，特別地在標(biāo)記迅速地朝向彼此移動的高顯微鏡放大率下，相應(yīng)的速度“節(jié)流”發(fā)生。如以下將進一步單獨地說明的，顯微鏡放大率也可以作為另一參數(shù)結(jié)合到聚焦速度控制系統(tǒng)中。如果聚焦驅(qū)動器速度與標(biāo)記間距之間的比例關(guān)系可以由多項式函數(shù)或指數(shù)函數(shù)表示，那么已經(jīng)被證明是有利的。二次函數(shù)或指數(shù)函數(shù)是特別有利的。多項式函數(shù)可以以下形式存在V (d) = kod0+!^1+!^2. . . ^_!(1Χ_1+^(1Χ,其中，V表示聚焦速度，且d表示標(biāo)記間距。1^至匕表示第X階多項式函數(shù)的系數(shù)。在實踐中，四階函數(shù)是足夠的；二次函數(shù)(二階多項式函數(shù))是有利的。指數(shù)函數(shù)具有以下形式v(J) = k0* eKd ,其中，k0和Ii1是指數(shù)函數(shù)的系數(shù)。為了在物體上產(chǎn)生標(biāo)記，相應(yīng)的自動聚焦光束路徑被耦合到顯微鏡的光束路徑中。為了產(chǎn)生相應(yīng)的自動聚焦光束路徑，使用一個或多個點光源是有利的?！包c光源”需要被理解為點狀的光源，例如LED或激光束源，其呈現(xiàn)出特別是高平行性的輻射。使用激光二極管是特別優(yōu)選的。激光二極管的輻射可以用作用于在物體上產(chǎn)生標(biāo)記的自動聚焦光束路徑。為此，自動聚焦光束路徑通過分束器被耦合到顯微鏡的光束路徑中?？蛇x地，然而，兩個(或更多個)點光源也可以被直接布置在顯微鏡的光束路徑中。在這種情況下，如果兩個點光源被布置在顯微鏡的光束路徑的最外面的邊緣處(特別地在物鏡的觀測光瞳之外)，那么是有利的?，F(xiàn)代顯微鏡(特別是手術(shù)顯微鏡)包括被布置在顯微鏡物鏡之后的變焦系統(tǒng)。立體顯微鏡包括用于每個觀測通道的單獨的變焦系統(tǒng)，立體顯微鏡在兩個通道中產(chǎn)生相同的放大率。用這樣的顯微鏡，自動聚焦光束路徑的輸入耦合通過分束器在物鏡與一個變焦系統(tǒng)(在立體顯微鏡的情況下是多個變焦系統(tǒng))之間進行是有利的。類似地，在被布置在顯微鏡的光束路徑中的點光源的情況下，所述光源被布置在物鏡與一個變焦系統(tǒng)(多個變焦系統(tǒng))之間。這樣的布置的結(jié)果是，不管被設(shè)置的變焦放大率如何，在物體上的標(biāo)記(激光斑點)的直徑都保持相同，而如果檢測器(對于其部件)被布置在變焦系統(tǒng)后面，那么標(biāo)記的像相應(yīng)地被放大。將點光源布置在物鏡與一個變焦系統(tǒng)(多個變焦系統(tǒng))之間或者將自動聚焦光束路徑在物鏡與一個變焦系統(tǒng)(多個變焦系統(tǒng))之間輸入耦合的進一步重要的優(yōu)點是，然后兩個自動聚焦光束路徑可以在主動橫截面(以下是“觀測光瞳”)之外輸入耦合。下面在示例性的實施例的情況下將再次單獨地討論這種配置。一般而言，所使用的變焦系統(tǒng)是被布置在成像到無限遠的物鏡后面的遠焦的變焦系統(tǒng)。在這樣的情況下，自動聚焦光束路徑在顯微鏡的光束路徑中平行于顯微鏡的光軸延伸。再一次，將自動聚焦光束路徑(當(dāng)使用激光二極管時是激光束路徑)在觀測光瞳之外輸入耦合或產(chǎn)生是有利的。當(dāng)使用不同類型的物鏡時，如果標(biāo)記需要在焦平面中合并，那么自動聚焦光束路徑(當(dāng)使用激光二極管時是激光束路徑)需要相應(yīng)地以會聚或發(fā)散的方式被布置。原則上，自動聚焦光束路徑相對于光軸的精確對準(zhǔn)不是至關(guān)重要的，假如被產(chǎn)生的標(biāo)記在焦平面中具有離開彼此的預(yù)定的獨特或明確的間距dF ;該間距也可以不等于零。在手術(shù)顯微術(shù)中通常使用的變焦系統(tǒng)的變焦因數(shù)為6(最大變焦放大率至最小變焦放大率)；通常使用的變焦系統(tǒng)是具有典型地20cm至50cm的可調(diào)節(jié)的焦距的多焦點物鏡或所謂的變焦距物鏡。通過顯微鏡物鏡延伸的自動聚焦光束路徑在物體上產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)記。從物體反射的標(biāo)記的輻射(以下為了簡單被稱為“從物體反射的自動聚焦光束路徑”)通過顯微鏡的一個觀測光束路徑或多個觀測光束路徑延伸。通過相應(yīng)的分束器將標(biāo)記的像從顯微鏡的觀測光束路徑中耦合輸出是有用的。當(dāng)變焦系統(tǒng)存在時，在變焦系統(tǒng)后面(當(dāng)從物鏡觀察時)進行該輸出耦合是有利的。分束器將被輸出耦合的光束路徑引導(dǎo)到檢測器(攝像機)上，然后在檢測器(攝像機)的光敏傳感器表面上產(chǎn)生標(biāo)記像。在立體顯微鏡的情況下，被反射的自動聚焦光束路徑的輸出耦合僅從立體顯微鏡的兩個觀測光束路徑中的一個中進行是有用的，因為單視場的(monoscopic)標(biāo)記像的成像對于確定標(biāo)記的間距來說是完全足夠的。特別地在手動的自動聚焦的情況下，例如由外科醫(yī)生作為手術(shù)顯微鏡的操作員，使用相應(yīng)的自動聚焦光束路徑的不同波長來產(chǎn)生標(biāo)記是有用的，然后該波長應(yīng)該從可見波長區(qū)域獲得。這也使檢測對焦平面的通過容易，因為然后標(biāo)記“切換”顏色。因而，容易監(jiān)測聚焦方向。在自動的自動聚焦的情況下，相反地，使用對人眼不可見(即，特別地來自紅外波長區(qū)域)的標(biāo)記是有用的。當(dāng)然，必須注意的是，用于將自動聚焦光束路徑輸入耦合和輸出耦合的分束器以及用于捕獲標(biāo)記像的檢測器被設(shè)計用于所使用的自動聚焦光束路徑波長。根據(jù)以上已經(jīng)指出的實施例，可以使用通過沿著顯微鏡的光軸延伸的目標(biāo)光束路徑在物體上產(chǎn)生的目標(biāo)標(biāo)記。這樣的目標(biāo)標(biāo)記的優(yōu)點是，聚焦目的地(即正被聚焦的圍繞目標(biāo)標(biāo)記的區(qū)域)被指示。特別地，對于具有隆起和凹陷的三維物體結(jié)構(gòu)，這是有利的。在這方面，使用可見的目標(biāo)標(biāo)記是有利的，以便外科醫(yī)生或顯微鏡的其他操作員可以看到哪個物體區(qū)域正被聚焦。除如以上所描述的為了自動聚焦使用的在物體上產(chǎn)生的(至少)兩個標(biāo)記之外，還可以使用目標(biāo)標(biāo)記。可選地，根據(jù)標(biāo)記間距，目標(biāo)標(biāo)記還可以代替為了自動聚焦使用的標(biāo)記中的一個。在這種情況下，一個標(biāo)記接近固定的目標(biāo)標(biāo)記，且當(dāng)?shù)竭_焦平面時這兩個標(biāo)記彼此合并(沒有一般性限制)。為了使用手動的自動聚焦系統(tǒng)，使用可見的自動聚焦光束來產(chǎn)生可見的標(biāo)記是特別有利的，在這種情況下使用不同的波長(例如紅色標(biāo)記和綠色標(biāo)記)。在這種情況下，顯微鏡的操作員同時看到正被聚焦的物體區(qū)域，以便目標(biāo)標(biāo)記不是絕對必需的。在自動的自動聚焦的情況下，另一方面，使用不可見的標(biāo)記(特別地來自紅外波長區(qū)域)是特別優(yōu)選的。自動聚焦標(biāo)記然后不影響顯微鏡操作員對物體區(qū)域的光學(xué)研究。然而，在這種情況下，使用可見的目標(biāo)標(biāo)記是有用的，以便顯微鏡操作員(外科醫(yī)生)可以檢測正被聚焦的物體區(qū)域且可以在適用時主動地改變該物體區(qū)域。以上關(guān)于標(biāo)記的陳述也適用于目標(biāo)標(biāo)記的產(chǎn)生，特別是關(guān)于相應(yīng)的目標(biāo)光束路徑的輸出耦合以及關(guān)于用于產(chǎn)生目標(biāo)光束路徑的點光源的布置和使用。如早先已經(jīng)指出的，還調(diào)節(jié)作為顯微鏡放大率的函數(shù)的聚焦驅(qū)動器的速度是有用的。在高顯微鏡放大率下，當(dāng)工作平面接近焦平面時標(biāo)記接近彼此的速度比在更低的顯微鏡放大率下的標(biāo)記接近彼此的速度大得多。然而，對于工作平面與焦平面之間的預(yù)定間距，在高顯微鏡放大率下的在傳感器/檢測器上的兩個標(biāo)記點之間的間距也比在低顯微鏡放大率下的兩個標(biāo)記點之間的間距更大。然而，如果在兩種情況下焦平面與當(dāng)前工作平面之間的間距是相同的，那么聚焦速度應(yīng)該也具有相同的值。因此，使聚焦驅(qū)動器速度與標(biāo)記間距之間的比例關(guān)系還依賴于顯微鏡放大率的參數(shù)是有用的。對于這個有利的實施例，顯微鏡放大率的值必須被遞送到自動聚焦評估和控制單元。因為可改變的顯微鏡放大率主要由可改變的變焦放大率確定，所以將變焦放大率Γ遞送到評估和控制單元是足夠的。Γ的值通常為在O. 4與2. 4之間。通過改變被確定的標(biāo)記間距來說明顯微鏡放大率是有利的。沒有一般性限制，下面將僅考慮變焦放大率。標(biāo)記間距的以下改變是特別優(yōu)選的
d' = d/Γ在高變焦放大率(Γ = 2. 4)下，大的標(biāo)記的間距d相應(yīng)地被降低至d’。然而，在低變焦放大率(Γ =0.4)下，小標(biāo)記間距d被增大至d’。因此，通過標(biāo)記間距的這種改變，可以消除變焦放大率對聚焦速度的影響。所有必需的是在以上所描述的方程中用d’代替d0對于用于自動聚焦的該配置，從在恒定的聚焦驅(qū)動器的速度下標(biāo)記間距的變化率確定顯微鏡放大率是可能的。具體地顯微鏡放大率越高，當(dāng)接近焦平面時在物體上的標(biāo)記將朝向彼此移動的速度越大，如果聚焦驅(qū)動器的速度仍然被設(shè)置為恒定值。例如，對于已知的顯微鏡放大率，可以用在恒定的聚焦驅(qū)動器的速度下標(biāo)記間距的變化率校準(zhǔn)該系統(tǒng)，且在隨后操作時被設(shè)置的特定的顯微鏡放大率可以從該校準(zhǔn)曲線被確定?？蛇x地，在當(dāng)今的現(xiàn)代顯微鏡中，作為一般規(guī)則，顯微鏡放大率或變焦放大率可以被截取或選擇作為電子信號。
本發(fā)明進一步涉及一種用于實現(xiàn)以上詳細討論的根據(jù)本發(fā)明的方法的自動聚焦設(shè)備。關(guān)于該方法及其實施例的所有陳述對于根據(jù)本發(fā)明的自動聚焦設(shè)備都是同樣有效的，不需要對該目的單獨說明。因此，自動聚焦設(shè)備及其實施例的以下描述將限于為此所必需的裝置元件。根據(jù)本發(fā)明的自動聚焦設(shè)備包括用于捕獲在物體上產(chǎn)生的標(biāo)記的顯微鏡像的檢測器；還設(shè)置有確定標(biāo)記的間距的評估單元。作為被確定的標(biāo)記間距和可選地另外的顯微鏡參數(shù)(例如，特別是顯微鏡放大率或變焦放大率)的函數(shù)，聚焦驅(qū)動器的速度(即，工作平面被移置到焦平面中的速度)由控制單元調(diào)節(jié)。在這方面，需要說明的是，聚焦驅(qū)動器可以操作地連接至相應(yīng)的多焦點物鏡或變焦距物鏡，多焦點物鏡或變焦距物鏡的焦距在預(yù)定范圍內(nèi)是可改變的?？蛇x地或另外地，(至少)顯微鏡物鏡可以在光軸的方向上被移動，以便調(diào)節(jié)焦點。再次可選地或另外地，為了聚焦目的，待研究的物體被定位在其上的顯微鏡載臺可以沿著光軸移動。因此，聚焦驅(qū)動器可以對所描述的部件中的一個或多個起作用，“聚焦驅(qū)動器的速度”始終意欲是指在物體中的工作平面被移置到焦平面中的速度。用于在在顯微鏡中自動聚焦的自動聚焦設(shè)備的特別合適的配置可以被描述如下在顯微鏡物鏡的朝向遠離物體的側(cè)面上，兩個點光源被布置在被布置在物鏡下游的變焦系統(tǒng)之前。假設(shè)物鏡成像到無限遠。點光源產(chǎn)生平行于光軸延伸的自動聚焦光束路徑。點光源特別地被布置在觀測光瞳之外。如果物體的工作平面位于焦平面中，那么由自動聚焦光束路徑在物體上產(chǎn)生的標(biāo)記合并或變成重合的。當(dāng)從物鏡觀察時，分束器被布置在變焦系統(tǒng)后面，分束器將標(biāo)記的像從顯微鏡的觀測光束路徑中耦合輸出且將標(biāo)記的像遞送到檢測器(攝像機)。在具有兩個變焦系統(tǒng)用于產(chǎn)生兩個觀測光束路徑的立體顯微鏡的情況下，如果分束器被布置在兩個變焦系統(tǒng)中的一個后面(即在兩個觀測光束路徑中的一個中)，那么是足夠的。檢測器可操作地連接至評估單元。標(biāo)記像中的標(biāo)記的間距的確定在這個評估單元中發(fā)生。對聚焦驅(qū)動器速度的相應(yīng)的控制信號與標(biāo)記間距相關(guān)聯(lián)。相應(yīng)的控制單元將這個信號傳送到聚焦驅(qū)動器。聚焦驅(qū)動器轉(zhuǎn)而連接至負責(zé)使顯微鏡聚焦的相應(yīng)的顯微鏡部件。該顯微鏡部件可以是以下部件中的一個或多個多焦點物鏡或變焦距物鏡，物鏡的z位移，和僅顯微鏡載臺的Z位移(“Z位移”是指在光軸的方向上的位移)。當(dāng)使用多焦點物鏡時，如果散焦發(fā)生在多焦點物鏡可以覆蓋的范圍之外，除用多焦點物鏡聚焦之外還提供通過移動物鏡或顯微鏡載臺的聚焦作用可能是有用的。需要理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，以上所詳述的特征和以下將被說明的特征不僅可用于所指出的特定的組合中，而且可用于其他組合中或者單獨地被使用。基于示例性的實施例在附圖中示意性地示出本發(fā)明，且下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明。


圖1示意性地示出在立體顯微鏡中的根據(jù)本發(fā)明的自動聚焦設(shè)備的配置；圖2示意性地示出在優(yōu)選的實施例中的標(biāo)記間距與聚焦速度之間的比例關(guān)系；和圖3示意性地示出通過圖1的顯微鏡的主光束路徑的橫截面。部件列表
1-變焦系統(tǒng)2-物鏡3-分束器4-檢測器5-點光源6_聚焦驅(qū)動器7a_評估單元7b-控制單元8-像段9-工作平面10-焦平面11_(立體)顯微鏡12-標(biāo)記13、14-自動聚焦光束路徑15-控制曲線16-控制曲線17-光軸18-物鏡的透明孔19-觀測光瞳20-變焦系統(tǒng)光瞳d-標(biāo)記的間距dF-在焦平面中的標(biāo)記的間距V-聚焦驅(qū)動器的速度d’-改變的標(biāo)記間距Γ-顯微鏡放大率/變焦放大率
具體實施例方式圖1示意性地示出用于在顯微鏡11中自動聚焦的自動聚焦設(shè)備的特別優(yōu)選的實施例。僅顯微鏡(這里是立體顯微鏡)的最基本的部件被示出到說明本發(fā)明所必需的程度。在本實施例中，立體顯微鏡11包括多焦點物鏡2以及由兩個變焦通道組成的變焦系統(tǒng)I。 這里，未示出立體顯微鏡的另外的部件，例如雙目鏡管。為了簡單，將假設(shè)顯微鏡11的聚焦唯一地通過多焦點物鏡2進行。因此，在此情況下，不考慮物鏡2和/或顯微鏡載臺(未示出)為了聚焦目的的移動。自動聚焦設(shè)備基本上由檢測器4、組合成一個共用單元的評估單元7a和控制單元7b、以及控制多焦點物鏡2的聚焦驅(qū)動器6組成。檢測器4可以是(CXD)攝像機，其捕獲在將用顯微鏡11研究的物體上的標(biāo)記12的像。標(biāo)記12的間距d在評估單元7a中被確定。評估單元7a和控制單元7b也可以彼此分離地實現(xiàn)；特別地，評估單元7a也可以是檢測器4的組成部分，而控制單元7b轉(zhuǎn)而可以是聚焦驅(qū)動器6的組成部分。圖1示出三個像段或像區(qū)域8，像段或像區(qū)域8示出在物體上的標(biāo)記12的像，物體的工作平面9與焦平面10有間距。像段8可以是由攝像機/檢測器4捕獲的像的一段。最上面的像段8與遠離焦平面10的上面的工作平面9相關(guān)聯(lián)。中間的像段8與更接近焦平面10的中間的工作平面9相關(guān)聯(lián)；最低的像段8與非常接近焦平面10的工作平面9相關(guān)聯(lián)。當(dāng)工作平面9接近焦平面10時，在該像段8中的標(biāo)記12的間距d相應(yīng)地減小。在最低的像段8中，標(biāo)記12接觸彼此；在到達焦平面10時，標(biāo)記12將合并或變成重合的。然后相應(yīng)的間距4為O。在本實施例中，使用依次各自由點光源5產(chǎn)生的兩個自動聚焦光束路徑13和14來產(chǎn)生標(biāo)記12。兩個點光源5 (在這種情況下是激光二極管)被布置在顯微鏡11的光束路徑中的物鏡2的觀測光瞳之外(在這方面，也參見圖3的說明)。點光源5產(chǎn)生平行于顯微鏡11的光軸17延伸且由物鏡2聚焦在焦平面10中的自動聚焦光束路徑13、14。如果選擇具有來自可見區(qū)域的波長的自動聚焦光束路徑，那么位于當(dāng)前工作平面9的物體上的標(biāo)記是可見的。在這樣的情況下，使用兩個不同的波長是有用的。例如，在焦平面10之上，右側(cè)的標(biāo)記12將具有顏色I，而左側(cè)的標(biāo)記12將具有顏色2 ;在焦平面10已經(jīng)被通過之后，顏色將“被切換”，即右側(cè)的標(biāo)記12然后將具有顏色2，而左側(cè)的標(biāo)記12將具有顏色I。由此，可以容易地檢測聚焦方向。在物體上存在的標(biāo)記12由顯微鏡部件和檢測器/攝像機部件成像到檢測器4的檢測器表面上。如已經(jīng)說明的，相應(yīng)的像段8在圖1中示出。設(shè)置優(yōu)選地被布置在變焦系統(tǒng)I后面(當(dāng)從物鏡2觀察時)的分束器3，以便將標(biāo)記像輸出耦合。因為單視場的標(biāo)記像對于評估標(biāo)記間距d來說是足夠的，所以將分束器3布置在立體顯微鏡11的兩個觀測光束路徑中的僅一個中是適當(dāng)?shù)摹?br> 評估單元7a使用本身已知的圖像處理方法評估在標(biāo)記像中的兩個標(biāo)記12的間距d。根據(jù)被確定的標(biāo)記間距d，控制單元7b產(chǎn)生用于聚焦驅(qū)動器6的相應(yīng)的信號?？刂茊卧?b的信號控制聚焦驅(qū)動器6的速度，即當(dāng)前工作平面9被移動到焦平面10中的速度。為此，負責(zé)在多焦點物鏡2中聚焦的透鏡元件以與標(biāo)記間距成比例的相應(yīng)的速度被移動。對于在當(dāng)前工作平面9與焦平面10之間的大間距d(參見最上面的像段8)，高聚焦速度由控制單元7b選擇，且將相應(yīng)的信號發(fā)送到聚焦驅(qū)動器6。當(dāng)標(biāo)記間距d減小時，聚焦速度變得更低。對于非常小的間距d (參見最低的像段8)，聚焦速度被設(shè)置得相應(yīng)地低，以便使得能夠受控制地接近焦平面10。這可以防止無意地通過焦平面10。V與d之間的關(guān)系優(yōu)選地為二次的或指數(shù)的。圖2定性地示出聚焦速度(以Ι/min為單位)與改變的標(biāo)記間距d’(以mm為單位)之間的優(yōu)選的關(guān)系。通過將標(biāo)記間距d除以變焦放大率Γ (Γ = O. 4至2. 4)而確定值d’。圖2示出兩個優(yōu)選的控制曲線15和16 ;控制曲線15描述V與d’之間的指數(shù)關(guān)系，而控制曲線16產(chǎn)生V與d’之間的多項式關(guān)系、特別是二次關(guān)系。顯然明白的是，在兩種情 況下，對于大標(biāo)記間距，存在與聚焦速度近似線性的關(guān)系，而當(dāng)標(biāo)記間距減小時，聚焦速度更大地降低。根據(jù)圖2所示出的函數(shù)中的一個有利地被存儲作為控制單元7b中的控制曲線?？梢蕴峁┊?dāng)用戶要求時，適配這個函數(shù)。圖3示意性地示出通過如圖1所示的顯微鏡的(主)光束路徑的橫截面。例如，該橫截面位于物鏡2與變焦系統(tǒng)I之間的點處(參見圖1)。示出圍繞變焦系統(tǒng)I的兩個通道的物鏡2的橫截面。變焦系統(tǒng)光瞳或者更精確地兩個變焦通道的光瞳被標(biāo)為20。在物鏡的平面中的觀測光瞳19主要由變焦系統(tǒng)(變焦通道)的入射光瞳限定。觀測光瞳19與物鏡的邊緣之間的區(qū)域被稱為物鏡的透明孔18。如果自動聚焦光束路徑13、14被布置在物鏡的透明孔18的區(qū)域中，那么這導(dǎo)致以下重要的優(yōu)點兩個自動聚焦光束路徑13、14可以在觀測光瞳19之外被耦合輸入。相反地，如果自動聚焦光束路徑13、14在變焦系統(tǒng)I之后(當(dāng)從物鏡2觀察時)被耦合輸入，那么自動聚焦光束路徑13、14將需要被直接放置在觀測光瞳19中，以便允許自動聚焦光束路徑13、14撞擊物體；然而，這會導(dǎo)致漸暈。
權(quán)利要求
1.一種用于在顯微鏡(11)中自動聚焦的方法，其中，在物體上產(chǎn)生至少兩個、特別是斑點狀的標(biāo)記(12)，所述標(biāo)記(12)的彼此之間的間距(d)代表在所述物體中的工作平面(9)從所述顯微鏡(11)的焦平面(10)散焦的指示；其中，當(dāng)所述標(biāo)記(12)處于預(yù)定的間距(dF)時，所述工作平面(9)位于所述焦平面(10)中；其中，所述工作平面(9)通過聚焦驅(qū)動器(6)根據(jù)所述標(biāo)記間距⑷被移置到所述焦平面(10)中；和其中，調(diào)節(jié)作為所述標(biāo)記間距(d)的函數(shù)的所述聚焦驅(qū)動器￠)的速度(V)，所述工作平面(9)以所述聚焦驅(qū)動器￠)的速度(V)被移置到所述焦平面(10)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述聚焦驅(qū)動器(6)的速度(V)是所述標(biāo)記間距 (d)的多項式函數(shù)、特別是二次函數(shù)或者指數(shù)函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述標(biāo)記(12)由耦合到所述顯微鏡(11)的光束路徑中的自動聚焦光束路徑(13、14)產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述標(biāo)記(12)由點光源(5)產(chǎn)生的自動聚焦光束路徑(13、14)產(chǎn)生，所述點光源(5)被布置在所述顯微鏡(11)的光束路徑中。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，在具有物鏡(2)和下游變焦系統(tǒng)(I)的顯微鏡(11)的情況下，其中，所述自動聚焦光束路徑(13、14)的輸入耦合或者所述點光源(5)的布置在所述物鏡(2)與變焦系統(tǒng)(I)之間進行。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，在具有物鏡(2)和下游變焦系統(tǒng)(I)的顯微鏡(11)的情況下，其中，在從所述物體反射的相應(yīng)的自動聚焦光束路徑(13、14)從所述顯微鏡(11)的光束路徑中輸出耦合之后，位于所述物體上的所述標(biāo)記(12)的像由檢測器⑷捕獲。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，當(dāng)從所述顯微鏡(11)的物鏡(2)觀察時，被反射的自動聚焦光束路徑(13、14)的輸出耦合在所述變焦系統(tǒng)(I)后面進行。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，在立體顯微鏡(11)的情況下，被反射的自動聚焦光束路徑(13、14)的輸出耦合從所述立體顯微鏡(11)的兩個觀測光束路徑中的僅一個中進行。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，各自具有不同波長的自動聚焦光束路徑(13、14)用于產(chǎn)生所述標(biāo)記(12)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述波長從可見波長區(qū)域獲得。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，使用沿著所述顯微鏡(11)的光軸(17)前進的目標(biāo)光束路徑，所述光束路徑在所述物體上產(chǎn)生特別是斑點狀的目標(biāo)標(biāo)記。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，使用所述目標(biāo)標(biāo)記作為在所述物體上產(chǎn)生的所述至少兩個標(biāo)記(12)中的一個。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，除在所述物體上產(chǎn)生的所述至少兩個標(biāo)記(12)之外，還使用所述目標(biāo)標(biāo)記。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項所述的方法，其中，確定顯微鏡放大率(Γ)，且其中，還調(diào)節(jié)作為所述顯微鏡放大率(Γ)的函數(shù)的所述聚焦驅(qū)動器￠)的速度(V)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，調(diào)節(jié)作為改變的標(biāo)記間距(d’)的函數(shù)的所述聚焦驅(qū)動器(6)的速度(V)，使得d’ = d/Γ，其中d =標(biāo)記間距且Γ =顯微鏡放大率、特別是變焦放大率。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其中，從在恒定的聚焦驅(qū)動器的速度下所述標(biāo)記間距(d)的變化率確定所述顯微鏡放大率。
17.一種用于在在顯微鏡(11)中自動聚焦的自動聚焦設(shè)備，通過所述自動聚焦設(shè)備在物體上產(chǎn)生至少兩個、特別是斑點狀的標(biāo)記(12)，所述標(biāo)記(12)的彼此之間的間距(d)代表在所述物體中的工作平面(9)從所述顯微鏡(11)的焦平面(10)散焦的指示；當(dāng)所述標(biāo)記(12)處于預(yù)定的間距(dF)時，所述工作平面(9)位于所述焦平面(10)中；且設(shè)置聚焦驅(qū)動器￠)，所述聚焦驅(qū)動器(6)根據(jù)所述標(biāo)記間距(d)將所述工作平面(9)移置到所述焦平面(10)中，其中，檢測器(4)捕獲在所述物體上產(chǎn)生的所述標(biāo)記(12)的像，且評估單元(7a)確定所述標(biāo)記(12)的間距；且控制單元(7b)調(diào)節(jié)作為被確定的標(biāo)記間距(d)的函數(shù)的所述聚焦驅(qū)動器(6)的速度(V)，所述工作平面(9)以所述聚焦驅(qū)動器(6)的速度(V)被移置到所述焦平面(10)中。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的自動聚焦設(shè)備，其中，至少一個點光源(5)被設(shè)置用于產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)的自動聚焦光束路徑(13、14)，所述自動聚焦光束路徑(13、14)在所述物體上產(chǎn)生至少一個標(biāo)記(12)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的自動聚焦設(shè)備，其中，一個點光源(5)和兩個或更多個分束器(3)被設(shè)置，以在所述物體上產(chǎn)生兩個或更多個標(biāo)記(12)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的自動聚焦設(shè)備，其中，所述點光源(5)被布置在所述顯微鏡(11)的光束路徑中。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的自動聚焦設(shè)備，其中，對于具有物鏡(2)和下游變焦系統(tǒng) ⑴的顯微鏡(11)，所述點光源(5)被布置在所述物鏡(2)與變焦系統(tǒng)⑴之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至21中的任一項所述的自動聚焦設(shè)備，其中，對于具有物鏡(2) 和下游變焦系統(tǒng)(I)的顯微鏡(11)，在從所述物體反射的相應(yīng)的自動聚焦光束路徑(13、 14)從所述顯微鏡(11)的光束路徑中輸出耦合之后，位于所述物體上的所述標(biāo)記(12)的像由檢測器(4)捕獲，當(dāng)從所述顯微鏡(11)的物鏡(2)觀察時特別地被布置在所述變焦系統(tǒng)(I)后面的分束器(3)被設(shè)置用于輸出耦合。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的自動聚焦設(shè)備，其中，對于立體顯微鏡(11)，用于輸出耦合被反射的自動聚焦光束路徑(13、14)的分束器(3)被布置在所述立體顯微鏡(11)的兩個觀測光束路徑中的僅一個中。
全文摘要
本發(fā)明提供用于顯微鏡的自動聚焦方法和設(shè)備。本發(fā)明涉及用于在顯微鏡中自動聚焦的方法和設(shè)備，通過該方法和設(shè)備在物體上產(chǎn)生兩個、特別是斑點狀的標(biāo)記，標(biāo)記的彼此之間的間距代表在物體中的工作平面從顯微鏡的焦平面散焦的指示；當(dāng)標(biāo)記處于預(yù)定的間距時，工作平面位于焦平面中；且設(shè)置聚焦驅(qū)動器，聚焦驅(qū)動器根據(jù)標(biāo)記間距將工作平面移置到焦平面中；調(diào)節(jié)作為標(biāo)記間距的函數(shù)的工作平面被移置到焦平面中的聚焦驅(qū)動器的速度。為了允許進行快速和同時精確的聚焦，提出檢測器捕獲在物體上產(chǎn)生的標(biāo)記的像，且評估單元確定標(biāo)記的間距；且控制單元調(diào)節(jié)作為被確定的標(biāo)記間距的函數(shù)的聚焦驅(qū)動器的速度，工作平面以聚焦驅(qū)動器的速度被移置到焦平面中。
文檔編號G02B21/22GK102998786SQ20121034642
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者曼佛瑞德·庫斯特 申請人:徠卡顯微系統(tǒng)(瑞士)股份公司