包括樞轉(zhuǎn)支架的數(shù)碼顯微鏡，該數(shù)碼顯微鏡的校準(zhǔn)方法和自動對焦及圖像中心跟蹤的方法
【專利說明】包括樞轉(zhuǎn)支架的數(shù)碼顯微鏡，該數(shù)碼顯微鏡的校準(zhǔn)方法和自 動對焦及圖像中心跟蹤的方法
[0001] 本公開總體設(shè)及本文所述的數(shù)碼顯微鏡，數(shù)碼顯微鏡的校準(zhǔn)方法，W及該數(shù)碼顯 微鏡操作過程中自動對焦和圖像中屯、跟蹤的方法。
[0002] 理論上，在具有樞轉(zhuǎn)支架的顯微鏡中，成像系統(tǒng)的光學(xué)軸和支架的樞轉(zhuǎn)軸應(yīng)設(shè)置 為彼此垂直。然而，在樞轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)觀察的物體不在樞轉(zhuǎn)軸的平面中或當(dāng)觀察的細(xì)節(jié)不在 軸的交點(diǎn)上時成像和對焦會發(fā)生變化。
[0003] 在先技術(shù)包括多個操作顯微鏡，其可通過顯微物體上方的特定懸掛機(jī)制來自由定 位。例如，DE 42 13 312 A1公開了一種操作顯微鏡，其中，根據(jù)放大倍率調(diào)整，對焦速度可 調(diào)整使得可進(jìn)行對焦調(diào)整、偏轉(zhuǎn)調(diào)整或傾斜調(diào)整。在此情況下，縮放馬達(dá)調(diào)整用作對焦W及 X和Y調(diào)整的設(shè)置信號。在DE 697 16 018 T2和US 5 825 536中，已知具有多部件較接臂的 操作顯微鏡的控制機(jī)制。馬達(dá)被啟動W使多個臂部執(zhí)行預(yù)定的動作。力/扭矩傳感器被用于 確定在多個軸方向上的作用力，W使臂部和關(guān)節(jié)被致動W協(xié)助操作。角度傳感器被用于檢 測每個關(guān)節(jié)的當(dāng)前角度，W使可由此計算顯微鏡的定位和移動模式。
[0004] 美國專利公開2005/0117207 A1公開了一種操作顯微鏡，其具有多部件較接臂和 控制機(jī)制，該控制機(jī)制大體上維持對焦區(qū)域大體恒定地獨(dú)立于臂運(yùn)動。在此情況下，角度傳 感器也被用于檢測關(guān)節(jié)的定位W便于確定顯微鏡的定位。
[0005] JP-2001059599-A2和JP-2010102344-A2描述了一種用于數(shù)碼顯微鏡的樞轉(zhuǎn)臂支 架，其包括可繞水平轉(zhuǎn)軸樞轉(zhuǎn)的樞轉(zhuǎn)臂。樞轉(zhuǎn)臂包括上部對焦單元，其可沿一柱子垂直移動 W初步粗調(diào)并通過手輪夾緊到位。與上述簡單的導(dǎo)柱相平行的縮放元件/目標(biāo)組合的支撐 可被更精細(xì)地定位用于對焦。上述說明設(shè)及到樞轉(zhuǎn)臂的垂直調(diào)整，即當(dāng)樞轉(zhuǎn)臂繞轉(zhuǎn)軸樞轉(zhuǎn) 時，在相應(yīng)的樞轉(zhuǎn)角度下發(fā)生對焦運(yùn)動。為了避免破壞性錯位，使用者必須調(diào)整Ξ個旋鈕直 至光學(xué)軸與設(shè)及的實(shí)際轉(zhuǎn)軸相交。對于不熟悉上述調(diào)整過程的使用者而言，極其難W快速 并足夠準(zhǔn)確地進(jìn)行上述調(diào)整。為了松開一個旋鈕，至少其他兩個旋鈕中的一個必須旋緊，且 在絕大多數(shù)情況下通過旋緊過程得到的實(shí)際調(diào)整方向與所需的調(diào)整方向并不相同。此外， 該組件相當(dāng)昂貴且極大地降低了該系統(tǒng)作為一個整體的穩(wěn)定性；因此，相機(jī)成像尤其在操 作旋鈕之時或緊隨其操作之后容易振蕩，從而進(jìn)一步妨礙了調(diào)整程序。如果旋鈕被無意觸 碰或被誤W為調(diào)節(jié)螺絲時調(diào)整也可很容易丟失。
[0006] JP 2013-072996描述了一種顯微鏡系統(tǒng)，其中觀察點(diǎn)的移位和離焦可被修正。為 了達(dá)到運(yùn)一點(diǎn)，關(guān)于對焦調(diào)整和樞轉(zhuǎn)支架的轉(zhuǎn)軸相一致的階段的狀態(tài)信息被存儲在存儲單 元中。運(yùn)些階段可在W后被具體調(diào)集。運(yùn)種情況下的問題是，對于未存儲的每個階段，有必 要進(jìn)行昂貴的校準(zhǔn)程序，且因此樞轉(zhuǎn)角度的改變所導(dǎo)致的偏差不能在整個樞轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi) 得到補(bǔ)償。
[0007] 總之，校準(zhǔn)成本很高，因為軸定位和軸對齊在各個設(shè)備中可由于制造公差而不同。
[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種具有樞轉(zhuǎn)支架的數(shù)碼顯微鏡，W及校準(zhǔn)該顯微鏡的方 法。數(shù)碼顯微鏡應(yīng)被校準(zhǔn)W使其系統(tǒng)可容易被甚至是沒有經(jīng)驗的使用者理解和易于操作， 且使得在任何樞轉(zhuǎn)角度均可確保標(biāo)本細(xì)節(jié)能快速生成聚焦圖像，且其相對于水平調(diào)整不會 在圖像中橫向位移。運(yùn)一點(diǎn)甚至在自動操作時也應(yīng)能實(shí)現(xiàn)。
[0009] 運(yùn)一目標(biāo)通過具有權(quán)利要求1中特征的數(shù)碼顯微鏡、具有權(quán)利要求7中特征的方法 W及具有權(quán)利要求10中特征的方法得W實(shí)現(xiàn)。
[0010] 該數(shù)碼顯微鏡W已知的方式包括光學(xué)單元，其包括至少一個目標(biāo)和圖像處理單 元。目標(biāo)的縱軸(Z軸）。
[0011] 樞轉(zhuǎn)支架具有樞轉(zhuǎn)臂，其可繞樞轉(zhuǎn)軸(Y軸)樞轉(zhuǎn)，在其上設(shè)置有用于承載光學(xué)單元 的支撐，優(yōu)選地W便于通過電動機(jī)制縱向移動。
[0012] 樣品臺可優(yōu)選地通過電動機(jī)制在至少兩個軸上調(diào)整，運(yùn)兩個軸理論上彼此垂直， 其中被運(yùn)些軸跨越的樣品臺平面被定向為與樞轉(zhuǎn)軸(Y軸)平行或接近平行。
[0013] 樣品臺和樞轉(zhuǎn)支架優(yōu)選地設(shè)置在基底上。
[0014] 數(shù)碼顯微鏡還具有用于控制光學(xué)單元、樞轉(zhuǎn)支架和樣品臺的控制單元。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，樞轉(zhuǎn)支架包括用于確定樞轉(zhuǎn)臂當(dāng)前的樞轉(zhuǎn)角度的角度傳感器。所確 定的樞轉(zhuǎn)角度被控制單元選擇性地用于確定聚焦跟蹤和樣品臺跟蹤，從而使得可根據(jù)驅(qū)動 樞轉(zhuǎn)角度修正對焦和標(biāo)本臺位置。
[0016] -種根據(jù)本發(fā)明校準(zhǔn)具有樞轉(zhuǎn)支架的數(shù)碼顯微鏡的方法包括W下步驟:調(diào)整樞轉(zhuǎn) 臂的第一樞轉(zhuǎn)角度;通過沿光學(xué)軸(0A)移動支撐或通過沿垂直方向移動標(biāo)本臺將位于標(biāo)本 臺上的校準(zhǔn)標(biāo)記納入焦點(diǎn)；在樞轉(zhuǎn)臂(07)為垂直位置時通過沿與光學(xué)軸(0A)垂直的兩個軸 (Χ、Υ)移動標(biāo)本臺，利用光學(xué)軸來使校準(zhǔn)標(biāo)記居中；檢測并存儲標(biāo)本臺的所有第一軸向位置 和支撐W及第一樞轉(zhuǎn)角度;樞轉(zhuǎn)樞轉(zhuǎn)臂至第二樞轉(zhuǎn)角度;再次將校準(zhǔn)標(biāo)記納入焦點(diǎn);第二次 將校準(zhǔn)標(biāo)記居中；檢測和存儲標(biāo)本臺和支撐的所有第二軸向位置W及第二樞轉(zhuǎn)角度;從第 一和第二軸向位置確定相對焦距差dFW及相對樞轉(zhuǎn)軸差dx;確定樞轉(zhuǎn)角度相關(guān)函數(shù)用于啟 動數(shù)碼顯微鏡的控制元件W便于修正相對焦距差和相對樞轉(zhuǎn)軸向差。
[0017] 在校準(zhǔn)程序中確定的差被存儲且用于確定對焦和中屯、化位置的角度相關(guān)公差，其 隨后在顯微操作中被用于在啟動樞轉(zhuǎn)臂之后自動對焦跟蹤和圖像中屯、跟蹤。
[0018] 運(yùn)種校準(zhǔn)程序優(yōu)選地在工廠中進(jìn)行，W使顧客收到預(yù)校準(zhǔn)的設(shè)備。
[0019] 顧客可選擇性地進(jìn)行其他的校準(zhǔn)程序。
[0020] 本發(fā)明的某些優(yōu)點(diǎn)尤其包括如下事實(shí)，即部分經(jīng)濟(jì)高效的校準(zhǔn)方法可在工廠進(jìn) 行，從而相對于在先技術(shù)而言導(dǎo)致必須由使用者進(jìn)行的調(diào)整和對齊工作量的極大的減少。 更具體地，數(shù)碼顯微鏡的樞轉(zhuǎn)支架的樞轉(zhuǎn)臂的樞轉(zhuǎn)角度可無限地改變，而所觀察到的標(biāo)本 細(xì)節(jié)無論在圖像銳度或其在圖像中的顯示位置均不改變。目標(biāo)坐標(biāo)有利地顯示為相對坐 標(biāo)，其不隨自動對焦跟蹤和圖像中屯、跟蹤改變。
[0021] 在此程序中，樞轉(zhuǎn)軸相對于所觀察的標(biāo)本細(xì)節(jié)的位置被假定為未知?？捎糜跇修D(zhuǎn) 的標(biāo)本高度相比于在先技術(shù)而言可增加。
[0022] 樞轉(zhuǎn)支架也更穩(wěn)定，且W更經(jīng)濟(jì)高效的方式制備，因為與樞轉(zhuǎn)功能有關(guān)的所有組 件的額外的對齊點(diǎn)和/或更窄的公差范圍可W不用。
[0023] 當(dāng)使用本發(fā)明的校準(zhǔn)方法時，使用者僅需執(zhí)行設(shè)定程序，該程序被同樣簡化。運(yùn)使 得即使是不熟悉調(diào)整程序的使用者也可操作顯微鏡，且極大地減少了取得最小化偏差樞轉(zhuǎn) 功能所需的時間。
[0024] 通過將在任何情況下必須在數(shù)碼顯微鏡的常規(guī)使用過程中進(jìn)行的操作步驟在工 廠中進(jìn)行，開啟使用最小化偏差樞轉(zhuǎn)功能的系統(tǒng)所需的時間相比于在先技術(shù)而言可極大地 減少。
[0025] 原則上，納入焦點(diǎn)的標(biāo)本平面或標(biāo)本細(xì)節(jié)不必位于實(shí)際使用的轉(zhuǎn)軸的高度。因此， 相比于在先技術(shù)而言，該方法不限制標(biāo)本高度為不高于實(shí)際使用的轉(zhuǎn)軸下的下Z導(dǎo)件的可 使用的導(dǎo)向路徑。運(yùn)使得在X軸和剩下的Z軸的運(yùn)動范圍足夠大的情況下可放棄兩個Z導(dǎo)件 及其控制中的一個。
[0026] 相比于在先技術(shù)而言，使用本發(fā)明的方法可達(dá)到的成本節(jié)省W及能更快生成結(jié)果 的簡化操作意味著產(chǎn)品朝向目標(biāo)組的方向的極大地優(yōu)化。
[0027] 在數(shù)碼顯微鏡的一優(yōu)選實(shí)施例中，角度傳感器由兩個慣性傳感器(加速或定位傳 感器)來實(shí)施，其中一個設(shè)置(關(guān)于樞轉(zhuǎn)功能)在固定支架上的安裝板上，且另一個在運(yùn)動部 中（在光學(xué)引擎或縮放元件中）。樞轉(zhuǎn)臂的垂直定位的特征是可感知鎖定。在該鎖定位置，運(yùn) 動部的慣性傳感器的角度值應(yīng)在一次性校準(zhǔn)的框架內(nèi)設(shè)定為支架的慣性傳感器的角度值， W使該鎖定位置產(chǎn)生的角度差為0° (零）。樞轉(zhuǎn)角度因此根據(jù)該角度差來確定。此處的優(yōu)點(diǎn) 是，運(yùn)些經(jīng)濟(jì)高效的傳感器還可用于傾斜支架，且殘余誤差可接受。
[0028] 當(dāng)然，其他角度傳感器也是可W的，例如光電、磁性和電動操作角度傳感器也是合 適的。
[0029] 支撐和標(biāo)本臺優(yōu)選地可通過電動機(jī)制來移動。替代性地，在提供軸驅(qū)動的編碼時，