JP6510502B2 - 旋回スタンドを備えたデジタル顕微鏡、そのようなデジタル顕微鏡のための較正方法ならびに焦点および画像中心の自動追跡方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルの特徴を備えたデジタル顕微鏡、デジタル顕微鏡の較正方法、ならびにそのようなデジタル顕微鏡を操作する際に焦点および画像中心を自動追跡するための方法に関する。

旋回スタンドを備えた顕微鏡では、理想的には画像記録システムの光軸とスタンドの旋回軸とが互いに対して垂直に配置されている。それでもやはり、観察対象の試料の表面が旋回軸の平面内に配置されていなければ、または観察対象の細部がこれらの軸の交点に配置されていなければ、旋回過程で画像および焦点の変位が生じてしまう。

従来技術より、特殊な懸架装置を使用して顕微鏡検査対象物の上方に自由に位置させることが可能な多数の外科用顕微鏡が知られている。例えば、特許文献１には、調節された倍率に応じて焦点合わせ速度を調節することによって、焦点、傾斜、または傾転の調節を可能とする外科用顕微鏡が示されている。その際、ズーム・モータ設定が焦点、ＸまたはＹ設定のための制御信号として使用される。特許文献２および特許文献３より、複数部分からなる関節式アームを備えた外科用顕微鏡用の制御装置が知られている。モータを制御することによって、多数の部分アームに所定の動作を実行させる。操作が支援されるように部分アームおよび関節を制御するために、力／モーメント・センサを用いて複数の軸方向の操作力が測定される。角度センサは、各関節の現在の角度を測定し、それらの角度から顕微鏡の姿勢および動作プロファイルを算出するために使用される。

特許文献４には、複数部分からなる関節式アームと、アームの動作に左右されずに焦点範囲を概ね一定に保つ制御装置とを備えた外科用顕微鏡が示されている。ここでも、角度センサを用いて関節の姿勢が測定され、顕微鏡の位置が測定される。

特許文献５および特許文献６には、水平な回転軸周りを旋回可能な旋回アームを含むデジタル顕微鏡用の旋回アーム・スタンドが記載されている。この旋回アームは上部焦点合わせユニットを含んでおり、事前設定のためにこの焦点合わせユニットを支柱に沿って大まかに高さ方向に変位させてハンドルホイールを介して固定することができる。ズーム素子・対物レンズ結合体用の支持体を、焦点合わせのために上述の簡素な支柱ガイドに対して平行に、より細かく位置決めすることができる。前述の情報は旋回アームの垂直位置を参照している。すなわち、回転軸周りに旋回アームが旋回すると、それに対応する旋回角度で焦点合わせ動作が行われる。ユーザは、望ましくない偏りを避けるために、光軸が実質有効回転軸と交差するように３つの刻み付ねじを調節しなければならない。このような調整作業に関して不慣れなユーザにとっては、この調整を素早く十分正確に実施することは極めて困難である。その際、１つの刻み付ねじを緩めるには、他の２つの刻み付ねじの少なくとも一方を締め付ける必要があり、大抵の場合、締付作業の結果明らかになる実際の調節方向が所望の調節方向と一致しない。その上、この装置は比較的高価であり、システム全体の剛性を著しく低下させるものであるので、特に刻み付ねじの操作中および操作直後にカメラ画像が振動しやすく、それによって調整作業が一層困難になってしまう。刻み付ねじが誤って触れられたり止めねじと取り違えられたりすれば、設定が容易に失われる恐れがある。

特許文献７には、観察ポイントの位置ずれおよび焦点ずれを補正することが可能な顕微鏡システムが記載されている。このために、焦点位置が旋回スタンドの回転軸と一致した状態に関するステータス情報が記憶部に記憶される。これらの状態に後ほど的確に到達することができる。この際、記憶されていないあらゆる状態について、煩雑な較正作業を新たに行う必要があるので、旋回角度の変更によって生じるずれを旋回角度範囲全体にわたって補償することが不可能であるという問題がある。

製作公差に起因して軸間隔および軸位置が既に装置毎に異なり得るので、較正は概して煩雑になってしまう。

独国特許出願公開第４２１３３１２号明細書 独国特許発明第６９７１６０１８号明細書 米国特許第５８２５５３６号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１１７２０７Ａ１号明細書 特開２００１−０５９５９９号公報 特開２０１０−１０２３４４号公報 特開２０１３−０７２９９６号公報

本発明の課題は、旋回スタンドを備えたデジタル顕微鏡およびその較正方法を提供することにある。その際、不慣れなユーザにとってもシステムの取扱が理解しやすく容易に実施可能となるようにデジタル顕微鏡が較正され、垂直位置と比べて画像内で横方向に偏っていない、焦点の合った試料細部の撮像を速やかに提供することが、任意の旋回角度について保証される。これが自動操作においても可能となる。

上記課題は、請求項１の特徴を備えたデジタル顕微鏡を用いて、請求項７の特徴を備えた方法および請求項１０の特徴を備えた方法によって解決される。
このデジタル顕微鏡は、まずは既知のように、少なくとも１つの対物レンズと画像処理ユニットとを含む光学ユニットを含んでいる。対物レンズの縦軸が光軸（Ｚ軸）をなす。

旋回スタンドは、旋回軸（Ｙ軸）周りを旋回可能な旋回アームを備えており、この旋回アームには、光学ユニットを保持するための支持体が、好適にはモータ駆動で縦方向に変位可能に配置されている。

ステージは、理想的には互いに対して垂直な少なくとも２つの軸において、好適にはモータ駆動で位置調節可能であり、これらの軸によって形成されるステージ平面が、旋回軸（Ｙ軸）に対して平行またはほぼ平行に向けられている。

ステージおよび旋回スタンドは、好適には基台に配置されている。
デジタル顕微鏡は、光学ユニット、旋回スタンド、およびステージを制御するための制御ユニットをさらに備えている。

本発明によれば、旋回スタンドは、旋回アームの現在の旋回角度を測定するための角度センサを含んでいる。場合によっては、旋回角度の操作の際に焦点およびステージ位置をそれに応じて補正するために、測定された旋回角度を使用して制御ユニットにおいて焦点追跡およびステージ追跡が決定される。

本発明による旋回スタンドを備えたデジタル顕微鏡の較正方法は、
旋回アームを第１の旋回角度に調節する工程と、
支持体を光軸（ＯＡ）に沿って変位させることにより、またはステージを鉛直方向に変位させることにより、ステージ上に置かれた較正マークに焦点を合わせる工程と、
旋回アーム（０７）の直立姿勢において光軸（ＯＡ）に対して垂直な２つの軸（Ｘ、Ｙ）に沿ってステージを変位させることにより、較正マークを光軸と心合わせする工程と、
ステージおよび支持体の全ての第１の軸位置、ならびに第１の旋回角度を捕捉および保存する工程と、
旋回アームを第２の旋回角度に旋回させる工程と、
較正マークの２回目の焦点合わせを行う工程と、
較正マークの２回目の心合わせを行う工程と、
ステージおよび支持体の全ての第２の軸位置、ならびに第２の旋回角度を捕捉および保存する工程と、
第１および第２の軸位置から、相対的焦点差異ｄＦおよび相対的旋回軸差異ｄｘを決定する工程と、
相対的焦点差異および相対的旋回軸差異を補正するために、デジタル顕微鏡の制御ユニットを制御するための旋回角度に依存した関数を決定する工程と、を含んでいる。

この較正方法において決定される差異は保存され、焦点および心合わせ位置の角度に応じたずれを決定するために使用され、顕微鏡操作において旋回アームを操作する際に焦点および画像中心を自動追跡するためにこのずれが使用される。

この較正方法は好適には工場で実施されるので、最終顧客は既に較正された装置を手にすることになる。
選択的に、顧客側でさらなる較正過程が可能である。

本発明の利点は特に、低コストの較正方法の一部を工場側で既に実施することができるので、ユーザにとっては設定および調整の手間が従来技術と比べて大幅に軽減されることが認められる。特に、観察される試料細部が画像鮮鋭度または画像内に表示される位置の点で変化することなく、デジタル顕微鏡用の旋回スタンドの旋回アームの旋回角度を無段階で変化させることが可能である。有利には、試料座標が相対座標として表示され、この相対座標が焦点および画像中心の自動追跡の際に変化しない。

その際、観察される試料細部に対する旋回軸の位置が不明であることが前提である。旋回にとって有効な試料高さを従来技術と比べて拡大することができる。
また、旋回機能にとって重要な全ての構成部品の追加的な調整箇所、厳しい公差、またはその両方を不要とすることができるので、旋回スタンドをより安定的に、より低コストで製造することができる。

本発明による較正方法での代用に基づいて、ユーザは同様に簡素化された設定過程を実施するだけでよい。これにより、調整作業に関して不慣れなユーザにとっても操作が可能となり、ずれが最小化された旋回機能が利用可能になるまでに要する時間が劇的に短縮される。

デジタル顕微鏡を通常利用する際にいずれにせよ実施しなければならない作業工程を追加的に考慮することによって、システムの電源オンから、ずれが最小化された旋回機能の利用までの所要時間が従来技術と比べて著しく最小化され得る。

原理上は、試料平面または焦点が合わされた試料細部は実質有効回転軸の高さに位置していなくてもよい。したがって、この方法は従来技術とは対照的に、実質有効回転軸より下方の下部Ｚガイドの有効ガイド距離以下でなければならない試料高さに限定されない。これにより、Ｘ軸および残りのＺ軸の走行範囲の寸法が十分に大きい限り、場合によっては両方のＺガイドの一方をその制御を含めて省略することさえ可能になる。

従来技術と比べて、本発明による方法を用いて達成され得る、より速やかに結果を利用可能としながらのコスト節約および操作の簡素化は、製品のターゲット・グループへの適応の有意な最適化を意味する。

デジタル顕微鏡の好ましい一実施形態では、（旋回機能に関して）それぞれが不動のスタンドおよび可動部品（光学エンジンまたはズーム体）にある回路基板上に配置された２つの慣性センサ（加速度センサまたは位置センサ）を用いて角度センサが実現される。旋回アームの垂直位置は知覚可能な係止を特徴としている。この係止位置では、可動部品の慣性センサの角度値が、１回限りの較正の枠内でスタンドの慣性センサの角度値に設定されるので、係止位置について差角が０°（ゼロ）となる。つまり、旋回角度はこの差角から決定される。これには、スタンドが傾いている場合にも、許容できる残余誤差でこれらの安価なセンサを利用することができるという利点がある。

もちろん、角度センサは他の種類のセンサであってもよく、例えば、光電的、磁気的、および電気的に働く角度センサが適している。
好適には支持体およびステージはモータ駆動で走行可能である。代替的に、軸駆動装置の符号化が与えられている限り、電気駆動装置を省略することもできる。その場合、この符号化も、焦点合わせのために設けられた少なくとも１つの軸およびステージのＸ軸においてのみ必要であり、これらの軸はいずれも補正過程のために設けられている（上方、下方、または両方のＺ軸）。その際、モータ駆動がその場合欠落しているので、ずれ補償のための調節はもはや自動的に行えなくなり、その場合、目標値として表示されるＸおよびＺ座標に基づいてユーザがこの調節を行うことになる。

現在のシステム環境によってのみ引き起こされるずれがシステムによって自動的に補正される限り、そのようなずれはユーザにとっては重要ではないので、表示される試料座標への移行が有利である。したがって、旋回角度の変更後には、焦点が合わされた試料細部の画像内での可視の位置および鮮鋭度だけでなく、全ての表示されたＸＹＺ座標が保持される。

符号化された、またはモータ駆動の上部および下部Ｚ軸が利用可能である限り、その際に試料高さをも直接読み取ることができる。好適には、このために試料平面が上部Ｚガイドを介して高さ方向に、または実質有効回転軸のＺ位置に位置決めされ、その際、上部Ｚガイドの座標表示がゼロ値を示す。そうすれば試料高さを下部Ｚガイドの座標表示を介して直接読み取ることができ、これに応じて座標で表示されたコメントを通してこれをユーザに伝えることができる。

自動補正過程のための焦点追跡に関するデータの捕捉は、好適には試料平面が旋回軸の近くに位置している状態で行われることが望ましい。これは、その場合ずれが小さくなり、ずれを補償するための走行距離がそれに応じて小さくならざるを得なくなるからであり、それによって補償がより高速になる。それでもやはり、これまで下部Ｚガイドのガイド距離によって制限されていた旋回動作にとって有効な試料高さを本発明によれば拡大することができるので、下部Ｚガイドのガイド距離より大きい試料高さについても旋回動作が支援されることが非常に有利である。

理想旋回軸と旋回軸との間のずれが比較的大きい場合であっても本発明による方法の機能を実現することができるので、目標とするコスト削減を考慮して、旋回スタンドに唯一のＺガイドを備える、または第２のＺガイドを省略することが可能である。その場合、モータ駆動のＸＹテーブルのモータ駆動のＸ軸および残りのＺガイドは補正のためにより長い走行距離を進まなければならないものの、全体として著しいコスト削減となるが、特にそれによって対応するＺ軸の電子機器または制御のための費用も削減することができるからである。その際、上部または下部Ｚガイドを省略することが原理上可能である。下部Ｚガイドを省略して上部Ｚガイドを利用する場合、全体として装置がより安定するとともに試料を高さ方向に移動させる必要がなくなる。

試料細部は好適には十字として形成されている。その際、好適にはＸ方向の十字の脚は全ての実際に生じるずれに対して十分に長い。
本発明の好ましい一実施形態が図面に示されている。

旋回アームの直立位置における、本発明による旋回スタンドを備えたデジタル顕微鏡の正面図。 図１に示されたデジタル顕微鏡の側面図。 旋回アームが傾いており較正されていない状態の、図１に示されたデジタル顕微鏡の正面図。 旋回過程後の本発明によるデジタル顕微鏡における幾何学的関係を示すベクトル図。 旋回アームが傾いており焦点が補正された状態の、図１に示されたデジタル顕微鏡の正面図。 旋回アームが傾いていており焦点および画像中心が補正された状態の、図１に示されたデジタル顕微鏡の正面図。 必要な較正データを捕捉する前の、旋回アームが直立した状態の図１に示されたデジタル顕微鏡の正面図。 ステージが旋回軸の高さに合わせられたデジタル顕微鏡の状態を示す図。 有効な試料高さが拡大され、旋回アームが直立した状態のデジタル顕微鏡の図。 有効な試料高さが拡大され、旋回アームが傾いた状態のデジタル顕微鏡の図。 初回の較正過程の工程図。 顧客側で行う旋回機能を利用するための方法の工程図。 顧客側で行うデジタル顕微鏡の設定過程の工程図。 旋回アームを操作する際の自動補正過程の工程図。

図１から図３には、旋回スタンドを備えたデジタル顕微鏡が、異なる視点から、旋回スタンドが異なる傾きに調節された状態で示されている。
図１は、旋回スタンド０１を備えたデジタル顕微鏡の、ユーザから見た正面図を含んでいる。図２には、旋回スタンド０１を左側から見た側面図が示されている。

図１の図示平面から見て右側が正であるＸ軸、画像平面の内部が正であるＹ軸、および上方が正であるＺ軸を含む空間座標系を方向付けのために導入する。
旋回スタンド０１は、軸受台０３が取り付けられたスタンド脚０２を含んでおり、この軸受台０３には、旋回アーム０７が固定配置された、旋回軸０４周りを旋回可能な関節部０６用の軸受が一体化されている。旋回アーム０７には、好適にはモータ駆動の上部Ｚガイド０８が配置されており、このガイドを介して、光学ユニット１１を収容する支持体０９のＺ位置を参照位置Ｚ_Ｒｏに対して調節することができる。（モータ駆動の）上部Ｚガイド０８の参照位置Ｚ_Ｒｏは、旋回軸０４に対して示され、（モータ駆動の）上部Ｚガイド０８の初期化作業中に、適切なセンサ装置を介してこの参照位置への定義された動きによって生じる。このセンサ装置は、例えば、Ｚ方向の動作の際に伴って動くターゲットと、不動に取り付けられるハイブリッド結合器（光電子遮断柵）と、によって形成される。このハイブリッド結合器は、ハイブリッド結合器の内部に進入したターゲットを通してハイブリッド結合器の切替状態が変化するとすぐに、初期化作業中にＺ方向の動作を停止させる。代替的に、当業者に知られており、十分に良好な再現性を有するその他の技術的解決手段もセンサ装置として使用することができる。例えば、ホール・センサおよび磁石を使用することができ、その場合、ホール・センサがハイブリッド結合器の代わりとなり、磁石がターゲットの代わりとなる。センサ装置を用いて達成可能な、実際の参照位置からの最大のずれとしての再現性は、調整作業によって、またはコストが最適化された製造における典型的な製造精度によって確保されるであろう再現性よりはるかに低い。

したがって、デジタル顕微鏡において仮定し得るような十分に精確な（モータ駆動の）上部Ｚガイド０８の場合、それに応じてＺ位置も参照位置Ｚ_Ｒｏに対して僅かなずれしか示さない。

図１および図２には、（モータ駆動の）上部Ｚガイド０８を介して可動な部品についての参照位置Ｚ_Ｒｏに対して支持体０９の第１のＺ位置Ｚ_ｏ１が例示的に示されており、その際、支持体０９が、ズーム・システムと、一体化された照明装置およびカメラ（不図示）と、対物レンズ１２とを含む光学ユニット１１を保持している。

第１のＺ位置Ｚ_ｏ１の特徴は、試料１４の表側に位置している試料細部１３が、旋回アーム０７の垂直姿勢において不図示の画像センサに鮮明に撮像され、その際、試料細部１３のＺ座標と旋回軸０４のＺ座標とが一致しないことである。

スタンド脚０２には、好適にはモータ駆動の下部Ｚガイド１６が取り付けられているが、このモータ駆動の下部Ｚガイド１６を代替的に軸受台０３に取り付けることもできる。旋回スタンド０１の後側は好適にはカバー１７によって覆われている。

参照位置Ｚ_Ｒｕ（図３参照）に対するＺ位置に関して可変の（モータ駆動の）下部Ｚガイド１６には、好適にはモータ駆動のステージ１８が配置されており、このステージ１８は、テーブル面１９を含み、テーブル面１９には反射光挿入板２０が一体化され、反射光挿入板２０の表面２１が試料面として使用される。（モータ駆動の）ステージ１８により、試料細部１３のＸ位置を参照位置Ｘ_Ｒに対して変化させることができるとともに、試料細部１３のＹ位置を参照位置Ｙ_Ｒに対して変化させることができる。参照位置Ｚ_Ｒｕ、Ｘ_Ｒ、およびＹ_Ｒについては、参照位置Ｚ_Ｒｏについての上述の説明が同様に当てはまる。すなわち、ここでも最大の再現性のずれが十分に小さい。

図１および図２によれば、（モータ駆動の）下部Ｚガイド１６には、第３のＺ位置Ｚ_ｕ３＜０が参照位置Ｚ_Ｒｕに対して設定されている。この参照位置では、試料細部１３のＺ位置が旋回軸０４のＺ位置と一致しない（Ｚ_ＲｕおよびＺ_ｕ３は図３に示されている）。

図１および図２によれば、（モータ駆動の）ステージ１８のＸ軸には、第１のＸ位置Ｘ_１＞０が参照位置Ｘ_Ｒに対して設定されている。この第１のＸ位置Ｘ_１では、旋回アーム０７の垂直姿勢においてステージ１８の走行範囲全体に対してＸ方向の中央に位置付けられた、反射光挿入板２０の表面２１上に置かれた試料１４の試料細部１３が、画像中心に位置しているはずである。

実際には、図１によれば、画像中心に位置しているはずの試料細部１３と旋回軸０４との間には、Ｘ座標が異なることによってずれが生じる。
（モータ駆動の）ステージ１８のＹ軸には、第１のＹ位置Ｙ_１＞０が参照位置Ｙ_Ｒに対して設定されている。この第１のＹ位置Ｙ_１では、旋回アーム０７の垂直姿勢においてステージ１８の走行範囲全体に対してＹ方向の中央に位置付けられた、反射光挿入板２０の表面２１上に置かれた試料１４の試料細部１３が、画像中心に位置しているはずである。ここでも、実際に生じるずれが本発明による考察にとって重要ではないので、図２にはずれが示されておらず、図２によればＹ_１＝−Ｙ_Ｒが成立する。

図１および図２には、焦点が合わされた状態における旋回スタンド０１が示されている。すなわち、反射光挿入板２０の表面２１上に置かれた試料１４の表側が撮像システムの試料平面内に位置しており、その際、この表側には試料細部１３も含まれており、作動距離ａ_Ｌが、焦点が合わされた状態における試料平面から対物レンズ１２の端面２２の距離を表している。試料１４は、焦点が合わされる表側、または試料細部１３までの高さｈを有している。

旋回アームの動作は、旋回軸０４の周りに配置された、ここではさらには図示されていない高トルク磁気ブレーキによって阻止される。図１による押しボタン２３が押されている間だけ、高トルク磁気ブレーキが解除されることによってこの阻止をキャンセルすることができる。したがって、旋回アーム０７の上端部にあるグリップ面２５を備えた人間工学的に形成された領域２４によって、旋回角度を素早く無段階で調節することができ、その際、旋回アーム０７の最も頻繁に使用される垂直姿勢を、旋回過程において明確に知覚可能な係止装置を介して容易に確保するか、または十分に良好な精度で再現することができる。図１および図２では、現在の有効旋回角度がｗ＝０°である。

原理上は、焦点合わせ過程を（モータ駆動の）上部Ｚガイド０８を介しても、（モータ駆動の）下部Ｚガイド１６を介しても実施することができるので、試料細部１３が試料平面内に位置しているにもかかわらず、旋回軸０４のＺ座標が試料細部１３のＺ座標に対してずれ得る。

図３には、旋回アーム０７が角度ｗ２だけ旋回した状態の図１によるデジタル顕微鏡が示されている。加えて図４には、本発明による較正操作における理想旋回軸２６と旋回軸０４との間の幾何学的関係を示すベクトル図が示されている。以下ではベクトルに上線が付されており、ベクトルの値にはベクトルと同一の記号が付されるが上線は付されていない。

通常の数学的な考察方法とは異なり、ここでは図示に対する方向情報を含む符号が値に含まれている。算出方法におけるそのような１次元の値の負の符号は、図４における対応するベクトルの始点および終点の交換を示す。図４では、ベクトルが単に矢印で表されている。記号は図１および図３からの記号に対応している。これに新たに加えられている記号については以下で説明する。

理想旋回軸２６または試料細部１３に対する旋回軸０４の位置は、ベクトルＭＩで表される。このベクトルは、座標軸に対して平行に配置されたベクトルＭＩＸおよびＭＩＺに分解することもでき、その際、ベクトルＭＩＺが点ＭＡＺで終わり、ベクトルＭＩＸが点ＭＡＺから始まっている。旋回アーム０７の垂直位置における試料平面と対物レンズ１２の端面２２との間の図４では不図示の作動距離ａ_Ｌは、対応するベクトルＡＬで表すことができるが、見やすくするためにこのベクトルＡＬは同様に図４に図示されていない。ベクトルＡＬは、ベクトルＭＩＺおよびベクトルＡに分解することができる。

旋回アーム０７が角度ｗ２だけ旋回することによって、ベクトルがそれに応じて旋回軸０４周りを回転する。その際、ベクトルＭＩＸからベクトルＭＩＸ’が、ベクトルＭＩＺからベクトルＭＩＺ’が、ベクトルＡからベクトルＡ’が、ベクトルＡＬからベクトルＡＬ’が、点ＭＡＺから点ＭＡＺ’が生じる。さらに、試料平面ＯＥも旋回軸０４周りに旋回し、その結果、この試料平面ＯＥから旋回した試料平面ＯＥ’が生じる。ベクトルＭＩＺ’およびＡ’は旋回した光軸ＯＡ’上に位置している。旋回した光軸ＯＡ’が旋回した試料平面ＯＥ’を通過する通過点２７ではベクトルｄＦが終わっており、ベクトルｄＦは、焦点ずれの尺度であり、かつ横方向へ偏った試料細部ＯＤ’で始まる。

したがって、図４および図４に関する上述の説明より、以下が成立する。

または

これらを変換すると、

この符号付きの１次元の値ＭＩＸおよびＭＩＺを用いて、旋回角度ｗ２に応じた理想旋回軸２６に対する旋回軸０４の位置が一義的に表される。そして、それによって、例えば操作・表示ユニットに一体化されていてもよい制御ユニットにおけるこれらの値ＭＩＸおよびＭＩＺの算出および保存後に、この旋回軸０４の位置を既知として仮定することができる。全ての算出されたデータを制御ユニットに保存し、必要な場合にさらに利用することができる。

図５および図６には、本発明による較正方法を用いて旋回角度ｗ２だけ旋回した旋回アーム０７の正面図が示されている。記号は図１からの記号に対応している。
図３による図示とは異なり、焦点ずれ距離ｄＦがモータ駆動の上部Ｚガイド０８の走行によって、参照位置ＺＲｏに対してＺ位置Ｚｏ２へ補償されている。まだ再焦点合わせ前の旋回後のＺ位置Ｚｏ１と再焦点合わせ後の位置Ｚｏ２との間の差から、焦点ずれ距離ｄＦを符号付きの１次元の値として容易に決定することができ、ｄＦ＝Ｚｏ１−Ｚｏ２が成立する。

図６には、横方向の試料の偏りｄｘが、モータ駆動のステージ１８のＸ方向の走行によって参照位置ＸＲに対してＸ位置Ｘ２へ補正された様子が示されている。まだ補正前のＸ位置Ｘ１と補正後の位置Ｘ２との間の差から、画像中心距離ｄｘを符号付きの１次元の値として容易に決定することができ、ｄｘ＝Ｘ１−Ｘ２が成立する。

符号付きの１次元の値ｄＦおよびｄｘから、旋回角度ｗ２を考慮して、上述の算出法によれば、同様に符号付きの１次元の値ＭＩＸおよびＭＩＺを決定することができる。手元にある符号付きの１次元の値ＭＩＸおよびＭＩＺを用いて、理想旋回軸２６に対する旋回軸０４の位置を完全に表すことができる。

本発明による補正操作では、これまでに算出された値のさらなる換算に基づいて、横方向の試料の偏りｄｘおよび焦点ずれ距離ｄＦを任意の旋回角度について補償することが可能である。このために、補正操作では現在の有効旋回角度ｗ_Ｋに応じて試料の偏りおよび焦点ずれ距離を相殺する値ｄｘ_ＫおよびｄＦ_Ｋが制御装置において算出される。ある任意の旋回角度についてそれぞれ有効な補正値ｗ_Ｋ、ｄｘ_Ｋ、およびｄＦ_Ｋは、図面には示されていない。

図４による符号付きの値ＭＩＸおよびＭＩＺの決定との関係から、本発明による補正操作のための同様に符号付きの値ｄｘ_ＫおよびｄＦ_Ｋが変換後に同様にして決定され、以下の関係が成立する。

関係Ｘ_Ｋ＝Ｘ１−ｄｘ_Ｋより、参照位置Ｘ_Ｒに対する（モータ駆動の）ステージ１８のＸ軸のＸ位置Ｘ_Ｋが得られる。この参照位置では、旋回アーム０７の垂直姿勢においてステージ１８の移動範囲全体に対してＸ方向の中央に、反射光挿入板２０の表面２１上に置かれた試料細部１３を含む試料１４が、旋回アーム０７が旋回角度ｗ_Ｋだけ旋回した後に、本発明による補正操作において再び画像中心に位置する。

関係式Ｚｏ_Ｋ＝Ｚｏ１−ｄＦ_Ｋより、参照位置Ｚ_Ｒｏに対する（モータ駆動の）上部Ｚガイド０８のＺ位置Ｚｏ_Ｋが得られる。この参照位置では、旋回アーム０７が旋回角度ｗ_Ｋだけ旋回した際に試料細部１３が本発明による補正操作において鮮明に撮像される。

現在の有効旋回角度ｗ_Ｋに応じて、本発明による補正操作では、（モータ駆動の）ステージ１８が、参照位置Ｘ_Ｒに対して対応するＸ位置Ｘ_Ｋに、（モータ駆動の）上部Ｚガイド０８が参照位置Ｚ_Ｒｏに対して対応するＺ位置ＺＯ_Ｋに、制御装置を介して自動的に位置決めされるので、あらゆる現在の有効旋回角度ｗ_Ｋにおいて、本発明による補正後に試料細部１３が画像中心に配置され、焦点が合った状態で撮像される。

本発明による較正過程では、好適にはステージ１８上に試料が位置していない。その際、好適には反射光挿入板２０の表面２１または上部テーブル面１９の表側の一部である参照マークに焦点が合わされる。この代わりに、参照マークを含んでおり、反射光挿入板２０の表面２１上に再現可能に載置することが可能な特殊な較正試料を利用してもよい。

図７には、較正に必要なデータを捕捉する前の初期状態が示されている。参照位置Ｚ_Ｒｕに対する（モータ駆動の）下部Ｚガイド１６の、原理上は任意のＺ位置Ｚｕ１から開始して、好適にはユーザによってモータ駆動の上部Ｚガイド０８を介して試料細部１３に焦点が合わされ、その結果、参照位置Ｚ_Ｒｏに対する第４のＺ位置Ｚ_ｏ４が得られる。この代わりに、ここではより詳細には説明しない自動焦点調節システムを介して焦点合わせを自動的に実施してもよい。

ここで、図４による値ＭＩＺの本発明による決定が開始される。このために、前述の較正の手順が実施され、以下の関係から値ＭＩＺおよびＭＩＸが算出される。

そうすれば、自動焦点追跡用のデータを決定するために利用することができる、Ｚ方向の旋回軸０４に対する試料細部１３のずれＤＺが、ＭＩＺの負の値と一致する。すなわち、以下の関係が成立する。
ＤＺ＝−ＭＩＺ
Ｚ_ｕ１＝ＤＺ−Ｚ_Ｒｕ＜０
これらより、
Ｚ_Ｒｕ＝−ＭＩＺ−Ｚ_ｕ１
旋回軸０４に対する参照位置Ｚ_Ｒｕが示されるので、この参照位置Ｚ_Ｒｕに対して示される（モータ駆動の）下部Ｚガイド１６の他の全てのＺ位置を、旋回軸０４に対するＺ位置に換算することができる。図７によれば、試料細部１３は今では知られている値ＤＺ＜０だけ下方へ偏っている。すなわち、観察される試料細部１３が旋回軸０４の高さに配置されるように、この値分だけ（モータ駆動の）ステージ１８を（モータ駆動の）下部Ｚガイド１６を介して上方へ走行させなければならない。

図８には、焦点およびテーブルの自動追跡前の、図７に関する説明による必要なデータの捕捉後の初期状態が示されている。ステージ１８が下部Ｚガイド１６を介して値ＤＺ分だけ上方へ走行し、その結果、観察される試料細部１３が旋回軸０４の高さに配置されている。その際、下部Ｚガイド１６の参照位置Ｚ_Ｒｕに対する第２のＺ位置Ｚ_ｕ２が得られる。

観察される試料細部１３は値ＤＺ分だけ上方へ移動しているので、試料細部１３が引き続き試料平面内に配置されるように、（モータ駆動の）上部Ｚガイド０８のＺ位置もこれに応じて上方へ移動させなければならない。その際、図８によれば、参照位置Ｚ_Ｒｏに対する上部Ｚガイド０８の第５のＺ位置Ｚ_ｏ５が得られる。それによって、較正の際に利用される対物レンズ１２の、旋回軸０４の高さに位置付けられた試料細部１３上への焦点合わせ用の焦点位置も一義的に表される。

その座標が完全に知られている理想旋回軸２６に対して旋回軸０４の位置が既に１度決定および保存されている限り、所与の十分に良好な絶対的な位置精度に基づいて、システムの電源オフおよび再度の電源オンの後にも旋回軸０４の位置を十分な精度で再現することができる。図８によれば、旋回軸０４の位置がＺ位置Ｚ_Ｒｕで一義的に表されているが、これは、モータ駆動の下部ガイド１６のこのＺ参照位置が、試料載置部として使用される反射光挿入板２０の表面２１の位置を旋回軸０４に対して表しており、このＺ参照位置が各旋回スタンド０１についてそれぞれ一定のままであるからである。その上、較正の際に利用される対物レンズ１２の、旋回軸０４の高さに位置付けられた試料細部１３上への焦点合わせ用の焦点位置が知られている。

複数の異なる種類の対物レンズが設けられている場合、これらを符号化することによって、システムがシステムの電源オン時および対物レンズの以降の交換毎に現在の有効な対物レンズを認識し、この情報をさらなる操作のために利用することができる。そのような操作には、従来技術と比べて大幅な時間的利点をもたらす本発明による自動補正過程も含まれる。このために、好適には既に工場側で、デジタル顕微鏡本体とともに納入される各対物レンズに対して、旋回軸０４の高さに位置付けられた試料細部１３への焦点合わせ用に焦点位置が移動および保存される。対物レンズの符号化によって、保存された値はそれぞれ対物レンズに対して一義的に割り当てられている。

好適には既に工場側で実施される較正作業を起点として、較正過程の間に獲得されたデータを本発明による自動補正過程のために利用することができる。この自動補正過程は、今では知られている旋回軸０４の位置と現在使用されている対物レンズとから、旋回動作によって生じたずれを補償するためのそれに応じた必要な補正を完全に引き継ぐものであり、それにより、利用者に大幅な時間の節約がもたらされる。本発明によれば、観察対象の試料細部１３が既に旋回アーム０７の垂直姿勢において自動的に旋回軸０４の高さに配置されれば、この時間の節約をさらに一層拡大することができる。

図９および図１０には、有効な試料高さＨの本発明による拡大図が示されている。これまで旋回軸０４より下方の下部Ｚガイド１６の有効走行距離によって制限されていた、旋回動作にとって有効な試料高さを拡大することができれば非常に有利であり、それにより、下部Ｚガイド１６のガイド距離よりも大きい試料高さＨについても旋回動作が支援されるようになる。つまり、実際には、理想旋回軸２６は旋回軸０４より上方に位置していてもよく、（モータ駆動の）下部Ｚガイド１６が最下方まで走行した際には、それに応じた大きさの試料高さを支援することができる。衝突の恐れがある場合は、旋回角度の制限を行ってもよい。

図１１には、顧客側の操作を簡素化できるように、および旋回機能を利用する前に必要な調整の手間に関してユーザの負担を軽減するために、好適には工場側でデジタル顕微鏡システムの顧客またはユーザへの出荷前に初回の較正過程において実施される、本発明による較正工程Ｓ１からＳ１８の図が示されている。もちろん、較正作業のためのユーザ・インターフェースが設けられている限り、較正作業を顧客側で実施することもできる。ただしその場合でも、この機能を誤って呼び出すことを極力防止するために、顧客側で実施可能な較正が間接的にしか呼び出せなくなるように、この操作は工場側の較正を対象とするのが望ましい。

図１２から図１４には、顧客側で旋回機能を利用する際に予定されている、図１１および既述の説明による既に実施された初回の較正過程に基づいた、本発明による工程図が示されている。

有利には、較正作業はメニュー方式の照会を介して行われる。自動補正はボタン信号の利用を介して提供されてもよく、またはユーザによる確認後になって初めて行われてもよい。もちろん、制御には工場設定値へのリセットが考慮されている。

さらに、利用される対物レンズの同焦点距離の１回限りの事前決定（対物レンズの符号化を介した有利な割り当て）、および試料細部を旋回軸へ自動的に移動させるための、モータ駆動の上部Ｚ軸の保存された、工場側で設定された初期Ｚ位置の利用が可能である。これが場合によっては選択として、コマンド・ボタンを介して、押しボタンの作動を介して、または両方のボタンを介して提供されてもよい。もちろん、焦点合わせのためにデジタル顕微鏡システムの自動焦点調節機能を使用することもできる。

上述の説明は全て撮像システムの光軸（ＯＡ）を参照しており、この光軸を介して、光軸上および試料平面内に配置された試料細部（１３）が他の影響に左右されずに常に画像中心に撮像される。しかし、撮像システムの残された不確実性によって、実際には結果的に、ズーム中心が画像中心からずれ、このズーム中心が拡大倍率の変更の際に画像内に不動に保持される可能性がある。その場合、このズーム中心はなおも光軸（ＯＡ）の位置と一致する。すなわち、その場合、本発明による較正および補正過程は、画像内のこのズーム中心を参照し、画像中心は参照しない。したがって、その場合、試料細部（１３）は、その都度、画像中心ではなくズーム中心に配置されている画像内の目標マーカ上に配置される。「較正マークの光軸（ＯＡ）との心合わせ」という表現には、この場合も含まれている。

もちろん、画像中心からずれた画像内の目標マーカの相応の利用も本願の保護範囲に含まれている。

０１ 旋回スタンド
０２ スタンド脚
０３ 軸受台
０４ 旋回軸
０５ −
０６ 関節部
０７ 旋回アーム
０８ 上部Ｚガイド
０９ 支持体
１０ −
１１ 光学ユニット
１２ 対物レンズ
１３ 試料細部
１４ 試料
１５ −
１６ 下部Ｚガイド
１７ カバー
１８ ステージ
１９ 上部テーブル面
２０ 反射光挿入板
２１ 表面
２２ 端面
２３ 押しボタン
２４ 領域
２５ グリップ面
２６ 理想旋回軸
２７ 通過点

Claims (9)

1. デジタル顕微鏡であって、
   少なくとも１つの対物レンズ（１２）と画像処理ユニットとを含み、該対物レンズの縦軸が光軸（ＯＡ）を画定する、光学ユニット（１１）と、
   旋回軸（０４）周りを旋回可能な旋回アーム（０７）を有し、該旋回アーム（０７）に該光学ユニット（１１）を保持するための支持体（０９）が配置されている、旋回スタンドと、
   互いに対して垂直な少なくとも２つの変位軸（Ｘ、Ｙ）において位置調節可能であり、該変位軸の一方が旋回軸（Ｙ）に対して平行に向けられている、試料ステージ（１８）と、
   該光学ユニット（１１）、該旋回アーム（０７）、および該試料ステージ（１８）の制御および位置決めのための制御ユニットとを備え、
   該支持体（０９）および該試料ステージ（１８）のうちの少なくとも一方が変位可能であり、
   該旋回スタンドが、該旋回アーム（０７）の現在の旋回角度を測定するための角度センサを含んでおり、前記角度センサが２つの慣性センサを含んでおり、該慣性センサがそれぞれプレート上に互いに対して可動に配置されており、
   該旋回アーム（０７）の操作の際に自動的な焦点追跡および画像中心追跡のうちの少なくとも一方を実行するために、該現在の旋回角度が該制御ユニットにおいて処理されることを特徴とする、デジタル顕微鏡。
2. 前記支持体（０９）がモータ駆動機構で前記光軸（ＯＡ）の方向に移動可能である、請求項１に記載のデジタル顕微鏡。
3. 前記試料ステージ（１８）がモータ駆動機構で鉛直方向に移動可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載のデジタル顕微鏡。
4. 前記旋回アーム（０７）が第１の姿勢においてゼロの旋回角度で係止して配置されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデジタル顕微鏡。
5. 前記旋回スタンド（０１）が高トルク磁気ブレーキを含んでおり、該高トルク磁気ブレーキを用いて前記旋回アーム（０７）を任意の旋回姿勢において固定可能であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のデジタル顕微鏡。
6. 請求項１に記載のデジタル顕微鏡において旋回軸（４）および画像中心を較正するための方法であって、
   前記旋回アーム（０７）の第１の旋回角度を調節する工程と、
   前記支持体（０９）を前記光軸（ＯＡ）に沿って変位させることにより、または前記試料ステージ（１８）を鉛直方向に変位させることにより、前記試料ステージ（１８）上に置かれた較正マークに焦点を合わせる工程と、
   前記旋回アーム（０７）の直立姿勢において前記光軸（ＯＡ）に対して垂直な２つの軸（Ｘ、Ｙ）に沿って前記試料ステージを移動させることにより、該較正マークを前記光軸（ＯＡ）と心合わせする工程と、
   前記試料ステージ（１８）および前記支持体（０９）の全ての第１の軸位置、ならびに該第１の旋回角度を捕捉および保存する工程と、
   前記旋回アーム（０７）を第２の旋回角度（ｗ２）に旋回させる工程と、
   該較正マークの２回目の焦点合わせを行う工程と、
   該較正マークの２回目の心合わせを行う工程と、
   前記試料ステージ（１８）および前記支持体（０９）の全ての第２の軸位置、ならびに該第２の旋回角度（ｗ２）を捕捉および保存する工程と、
   該第１の軸位置と第２の軸位置との間の差から、相対的焦点差異（ｄＦ）および相対的旋回軸差異（ｄｘ）を決定する工程と、
   該相対的焦点差異（ｄＦ_Ｋ）および該相対的旋回軸差異（ｄｘ_Ｋ）を補正するために、前記デジタル顕微鏡の制御ユニットを制御するための前記第１の旋回角度に対する前記第２の旋回角度に依存した関数を決定する工程と、を含む方法。
7. 前記第１の旋回角度に対する前記第２の旋回角度（ｗ２）を決定し、前記第１の旋回角度を参照位置として定義することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記制御ユニットが前記試料ステージ（１８）および前記支持体（０９）のうちの少なくとも一方を作動することによって、前記旋回アーム（０７）の直立姿勢における前記光軸（ＯＡ）と前記変位軸（Ｘ、Ｙ）とから形成される直角座標系の座標原点を、前記較正マークの位置と一致するように変位させることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
9. 請求項１の特徴を備えたデジタル顕微鏡において前記旋回アーム（０７）の操作の際に焦点および画像中心を自動追跡するための方法であって、前記旋回アーム（０７）の旋回角度を捕捉し、捕捉した該旋回角度に応じて焦点距離および画像中心位置を自動的に調節する、方法。