DE102005047218B4

DE102005047218B4 - Verfahren zur Steuerung eines optischen Scanners, optischer Scanner und Laser-Scanning-Mikroskop

Info

Publication number: DE102005047218B4
Application number: DE102005047218.4A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Steinert Jörg; Dipl.-Ing. Engel Jörg
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2005-10-01
Filing date: 2005-10-01
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2025-10-02
Also published as: US20100321752A1; US20070086048A1; US8013288B2; DE102005047218A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines optischen Scanners (14), der ein strahlablenkendes Element (31) zur Ablenkung eines Strahls optischer Strahlung und eine Antriebseinheit (30, 30', 35) zur Bewegung des strahlablenkenden Elements (31) aufweist, wobei
- die Antriebseinheit (30, 30', 35) gemäß Ansteuersignalen, angesteuert wird und - in einem Ermittlungsschritt für wenigstens eine vorgegebene Frequenz ein aktueller Wert einer Antriebseinheitsübertragungsfunktion, die die Antwort der Antriebseinheit (30, 30', 35) auf Ansteuersignale für eine vorgegebene Soll-Bewegung oder Änderung einer Soll-Bewegung wiedergibt, ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuerung auf Basis einer optischen Übertragungsfunktion erfolgt und
- in einem Korrekturschritt in Abhängigkeit vom aktuellen Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion die optische Übertragungsfunktion korrigiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines optischen Scanners, einen optischen Scanner und ein Laser-Scanning-Mikroskop.
Optische Scanner, worunter im Folgenden insbesondere durch Vorgabe einer Soll-Bewegung oder von Ansteuersignalen steuerbare Ablenkeinrichtungen zur gesteuerten Ablenkung eines Strahls optischer Strahlung verstanden werden, werden in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt. Ein wichtiges Einsatzgebiet für optische Scanner sind Laser-Scanning-Mikroskope. Bei diesen wird eine Probe mit einem auf eine Schicht der Probe in der Regel punktförmig fokussierten Laserstrahl abgetastet bzw. abgescannt, wobei der Fokus konfokal auf eine Erfassungseinrichtung abgebildet wird. Zur Ablenkung des Laserstrahls auf eine vorgegebene Position der Probe und zur Ablenkung der von dem Fokus ausgehenden Detektionsstrahlung auf die Erfassungseinrichtung wird eine Ablenkeinrichtung bzw. ein optischer Scanner verwendet, die bzw. der eine gesteuerte Ablenkung des Laserstrahls bzw. der Detektionsstrahlung ermöglicht. Zur Erfassung eines Bildes einer Schicht der Probe wird der Laserstrahl bzw. dessen Fokus zeilenweise über die Probe von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage und zurück geführt, wobei in jeder der Endlagen eine Ablenkung in einer zu der Bewegungsrichtung in der Zeile orthogonalen Richtung erfolgt, so daß der Fokus in die nächste Zeile springt. Der Fokus wird dabei in der Zeile möglichst geradlinig-gleichförmig bewegt, so daß durch Erfassung der Detektionsstrahlung in konstanten Zeitabständen von äquidistanten, matrixartig angeordneten Orten in der Schicht der Probe eine Pixeldarstellung des Bildes erhalten wird, in der die dann ebenfalls matrixartig angeordneten Pixel den Orten zugeordnet sind. Ein unverzerrtes Bild ergibt sich daher nur dann, wenn die Bewegung des Fokus genau einer geradlinig-gleichförmigen Bewegung entspricht. Die Anforderung an eine genaue Steuerung eines in einem Laser-Scanning-Mikroskop verwendeten optischen Scanners sind daher sehr hoch.
Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, kann, wie beispielsweise in der DE 197 02 752 A1 schrieben, mittels eines Stellungssensors die Stellung des Antriebs bzw. Spiegels des Scanners in Form eines Rückmelde- bzw. Stellungssignals erfaßt werden, auf Basis derer Abweichungen von einer Soll-Stellung korrigiert werden. Dieses Vorgehen ist jedoch für hohe Scangeschwindigkeiten nicht genau genug. Die elektronische Verarbeitung von Rückmeldesignal und Detektionssignal führt zu Verzerrungen der Signale und zu Phasendifferenzen zwischen den Signalen. Darüber hinaus stimmt aufgrund von Verformungen der Scannerwelle, über die die Antriebsbewegung auf den Spiegel übertragen wird, und des Scannerspiegels selbst die rückgemeldete Stellung nicht mit der tatsächlichen Stellung des Spiegels überein. Damit stimmt auch die Ist-Lage des abgelenkten Strahls nicht mit der gewünschten Soll-Lage überein.
Es ist daher denkbar, eine optische Kalibrierung des Scanners durchzuführen, bei der die Steuerung des Scanners so eingestellt wird, daß die Ist-Bewegung des Fokus der Soll-Bewegung möglichst genau entspricht.
Aber selbst bei einer sehr guten optischen Kalibrierung kann es nach längerer Zeit durch Verschleiß des Scanners, insbesondere einer Antriebseinheit des Scanners, zu Fehlern im Bild, beispielsweise bei bidirektionalem Scan ein „Ausfransen“ vertikaler Linien oder Verzerrungen der Bildgeometrie, kommen, da der Scanner auf die Ansteuerung nicht so reagiert wie bei der optischen Kalibrierung. Eine optische Kalibrierung ist jedoch zu aufwendig, um sie häufig durchzuführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines optischen Scanners, das einfach und schnell durchführbar ist, sowie einen optischen Scanner, dessen Steuerung einfach und schnell korrigierbar ist, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines optischen Scanners, der ein strahlablenkendes Element zur Ablenkung eines Strahls optischer Strahlung und eine Antriebseinheit zur Bewegung des strahlablenkenden Elements aufweist, die gemäß Ansteuersignalen, die unter Verwendung wenigstens eines zur Steuerung oder Regelung verwendeten Parameters und/oder einer, vorzugsweise optischen, Übertragungsfunktion aus einer vorgegebenen Soll-Bewegung erzeugt sind, das strahlablenkende Element bewegt, bei dem in einem Ermittlungsschritt wenigstens ein aktueller Wert einer Antriebseinheitsübertragungsfunktion, die die Antwort der Antriebseinheit auf Ansteuersignale, die aus einer vorgegebenen Soll-Bewegung oder einer Änderung einer Soll-Bewegung ermittelt sind, wiedergibt, für wenigstens eine Frequenz ermittelt wird, und in einem Korrekturschritt in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion der wenigstens eine Parameter und/oder die Übertragungsfunktion korrigiert wird.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen optischen Scanner mit einem strahlablenkenden Element zur Ablenkung eines Strahls optischer Strahlung, einer Antriebseinheit zur Bewegung des strahlablenkenden Elements, die gemäß Ansteuersignalen das strahlablenkende Element bewegt, und einer mit der Antriebseinheit zur Übermittlung von Ansteuersignalen verbundenen Scansteuereinheit zur Steuerung der Antriebseinheit durch Erzeugung von Ansteuersignalen, die so ausgebildet ist, daß unter Verwendung wenigstens eines zur Steuerung oder Regelung verwendeten Parameters und/oder einer, vorzugsweise optischen, Übertragungsfunktion einer vorgegebenen Soll-Bewegung entsprechende Ansteuersignale erzeugbar sind und zur Korrektur der Steuerung des Scanners in einem Ermittlungsschritt wenigstens ein aktueller Wert einer Antriebseinheitsübertragungsfunktion, die die Antwort der Antriebseinheit auf Ansteuersignale, die aus einer vorgegebenen Soll-Bewegung oder einer Änderung einer Soll-Bewegung erzeugt sind, wiedergibt, für wenigstens eine Frequenz ermittelbar ist, und in einem Korrekturschritt in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion der wenigstens eine Parameter und/oder die Übertragungsfunktion korrigierbar ist.
Der optische Scanner verfügt über eine Antriebseinheit, ein von der Antriebseinheit bewegbares strahlumlenkendes Element, beispielsweise einen Spiegel oder ein Prisma, sowie eine Scansteuereinheit zur Erzeugung von Ansteuersignalen für den Antrieb entsprechend einer Soll-Bewegung, die vorzugsweise zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Antriebseinheit selbst besitzt einen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor, einen Piezoantrieb oder einen galvanischen Antrieb, Die Scansteuereinheit kann eine elektrische bzw. elektronische Schaltung zur Abgabe von Steuersignalen gemäß einer vorgegebenen Soll-Bewegung an den Antrieb sein. Die Scansteuereinheit oder Steuerung bzw. die elektronischen Schaltung kann insbesondere einen Prozessor, beispielsweise einen digitalen Signalprozessor, aufweisen, der aus einer vorgegebenen Soll-Bewegung, die beispielsweise als Weg-ZeitFunktion für einen Fokus des durch den Scanner abzulenkenden bzw. abgelenkten Strahls in einer Ebene durch Parameter gegeben sein kann, Ansteuersignale für den Antrieb oder eine diesem vorgeordnete weitere Steuer- oder Regeleinrichtung erzeugt. Grundsätzlich kann sich, je nach Art und Einsatzzweck des Scanners die Soll-Bewegung auf die Bewegung des durch den Scanner abgelenkten Strahls entweder in Form von Winkeln oder als Punkt in einer Bezugsebene oder auf die Bewegung des strahlablenkenden Elements beziehen.
Zur Erzeugung der Ansteuersignale verwendet die Scansteuereinheit, d.h. die Schaltung bzw. der Prozessor, wenigstens einen zur Steuerung oder Regelung verwendeten Parameter. Solche Parameter können insbesondere Parameter sein, die die Soll-Bewegung wiedergeben. Darüber hinaus kann sie eine Übertragungsfunktion bzw. einen Frequenzgang verwenden, die bzw. der einen Zusammenhang zwischen der Soll-Bewegung und der Ist-Bewegung wiedergibt.
Im einfachsten Fall kann als Übertragungsfunktion die Antriebseinheitsübertragungsfunktion verwendet werden, die den Zusammenhang zwischen der Soll-Bewegung bzw. den der Soll-Bewegung entsprechenden Ansteuersignalen und der Stellung des Antriebs oder eines von dem Antrieb angetriebenen mechanischen Koppelelements, beispielsweise einer Welle, die das strahlablenkende Element bewegt, wiedergibt. Vorzugsweise umfaßt die Antriebseinheitsübertragungsfunktion auch diejenigen Anteile, die durch die Messung der Stellung des Antriebs oder des Koppelelements, insbesondere in dem Fall, daß diese Stellungsregelung verwendet werden, umfassen. So kann sie die Wirkung eines Stellungs- bzw. Rückmeldesensor zur Erfassung der Stellung des Antriebs bzw. des Koppelelements und Abgabe entsprechender Ansteuersignale und die folgende Rückmeldesignalverarbeitung, einschließlich einer Analog-DigitalWandlung, falls vorgesehen, beinhalten.
Vorzugsweise wird jedoch die optische Übertragungsfunktion verwendet, die den Zusammenhang zwischen der Soll-Bewegung des abzulenkenden Strahls bzw. den entsprechenden Ansteuersignalen und der von dem Scanner bewirkten Bewegung und damit auch die Eigenschaften des Koppelelements und des strahlablenkenden Elements wiedergibt.
Die Übertragungsfunktion kann insbesondere von der Scansteuereinheit dazu verwendet werden, der Soll-Bewegung entsprechende, vorverzerrte Ansteuersignale zu erzeugen, die so vorverzerrt sind, daß die Übertragung bzw. Umsetzung durch den Antrieb bei genauer Ermittlung der Übertragungsfunktion zu der gewünschten Soll-Bewegung führt.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, daß zum einen zur exakten Steuerung eines Scanners die möglichst genaue Kenntnis der Übertragungsfunktion des Scanners notwendig ist und zum anderen sich die Übertragungsfunktion im Laufe der Zeit ändern kann. Darüber hinaus wurde erkannt, daß sich die optische Übertragungsfunktion in zwei miteinander verknüpfte Anteile aufteilen läßt, nämlich die Antriebseinheitsübertragungsfunktion und eines weiteren Anteils. Der weitere Anteil kann unter anderem die Übertragung der Bewegung des Antriebs über die Bewegung des strahlablenkenden Elements, das sich gegebenenfalls noch durch die Bewegung verformt, auf die Bewegung des abzulenkenden Strahls beschreiben. Die Antriebseinheitsübertragungsfunktion ist vorzugsweise für die Durchführung des Verfahrens so definiert, daß sie einfach gemessen werden kann. Wird zur Erfassung der Stellung des Antriebs ein Stellungssensor verwendet, beschreibt die Antriebseinheitsübertragungsfunktion vorteilhafterweise auch die Eigenschaften aller Einheiten, die Rohsignale eines Sensorelements des Stellungssensors in zur Korrektur verwendbare Werte wandeln. Beispielsweise können hierzu elektronische Schaltungen zur Verarbeitung, insbesondere Konditionierung der Rohsignale, und gegebenenfalls ein Analog-Digital-Wandler gehören. Diese Komponenten können dabei physisch von dem eigentlichen Sensor abgesetzt angeordnet sein.
Die Messung des weiteren Anteils ist in der Regel aufwendig und kann insbesondere die Verwendung optischer Hilfsmittel, wie beispielsweise Referenzproben erfordern. Es wurde jedoch erkannt, daß sich dieser Anteil im Laufe der Zeit verglichen mit der Antriebseinheitsübertragungsfunktion nur wenig ändert.
Da die Antriebseinheitsübertragungsfunktion aber relativ einfach, genau und schnell elektrisch bzw. elektronisch ermitteln läßt, genügt es für eine Verbesserung der Kalibrierung bzw. Steuerung des Scanners, nur diese Funktion bzw. wenigstens einen Anteil derselben zu ermitteln und die Steuerung unter Verwendung des wenigstens einen ermittelten Anteils zu korrigieren. Durch Verknüpfung der ermittelten Funktion bzw. wenigstens eines Anteils derselben mit der bekannten, aktuellen Übertragungsfunktion kann diese einfach und schnell korrigiert werden. Dazu kann es genügen , die Korrektur für nur eine vorgegebene Frequenz vorzunehmen, die in Abhängigkeit von der Soll-Bewegung und den Eigenschaften der Übertragungsfunktion gewählt werden kann. Insbesondere kann bei einer periodischen Soll-Bewegung die vorgegebene Frequenz die Grundfrequenz der Soll-Bewegung oder eine der Oberfrequenzen, d.h. eines der Vielfachen der Grundfrequenz, sein.
Die Erfindung bietet daher den großen Vorteil, daß auf einfache und schnelle Weise die Steuerung des Scanners korrigiert werden kann, so daß bei wiederholter Korrektur auch über lange Zeiträume eine Ansteuerung gemäß einer vorgegebenen Soll-Bewegung zu einer Ist-Bewegung führt, die sehr genau der Soll-Bewegung entspricht. Da die Korrektur sehr schnell durchführbar ist, kann sie insbesondere automatisch und für den Benutzer kaum wahrnehmbar erfolgen.
Die Antriebseinheitsübertragungsfunktion kann in dem Ermittlungsschritt grundsätzlich beliebig ermittelt werden. Bei dem Verfahren wird jedoch vorzugsweise in dem Ermittlungsschritt der aktuelle Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion für die vorgegebenen Frequenz ermittelt, indem eine Ist-Stellung eines Antriebs oder eines mechanischen Koppelelements der Antriebseinheit in Abhängigkeit von der Soll-Bewegung bzw. der Änderung der Soll-Bewegung oder den aus dieser ermittelten Ansteuersignalen ermittelt wird. Bei dem optischen Scanner weist die Antriebseinheit daher vorzugsweise einen Schrittmotor zur Bewegung des strahlablenkenden Elements und/oder einen Stellungssensor zur Erfassung der Stellung des Antriebs oder eines mechanischen Koppelelements der Antriebseinheit auf und die Scansteuereinheit ist weiter so ausgebildet, daß im Ermittlungsschritt die Stellung des Schrittmotors oder ein Stellungssignal des Stellungssensors dazu verwendet wird, um den aktueller Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion zu ermitteln. Diese Ausführungsform hat, insbesondere bei Verwendung eines Stellungssensors, den Vorteil, daß das Stellungssignal bei gewöhnlichem Betrieb zur Stellungsregelung des Motors verwendet werden kann, wozu die Antriebseinheit dann vorzugsweise eine Stellungsregelung aufweist, die den Motor ansteuert. Die Verwendung eines Schrittmotors erlaubt eine einfache Erfassung der Stellung des Antriebs bzw. des Koppelelements. Als Koppelelement kann insbesondere eine Welle eingesetzt werden. In jedem Fall ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion des Scanners.
Grundsätzlich kann es genügen, daß das Verfahren nur je nach Bedarf angewendet wird. Das Korrekturverfahren kann dann von dem Benutzer manuell gestartet werden. Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch automatisch durchgeführt, wozu der optische Scanner bzw. dessen Scansteuereinheit entsprechend ausgebildet ist.
Bei einer ersten bevorzugten Variante des Verfahrens werden der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt in vorgegebenen zeitlichen Abständen wiederholt. Der optische Scanner weist dazu vorzugsweise eine Zeitschalteinrichtung auf, die die Scansteuereinheit wiederholt in vorgegebenen zeitlichen Abständen so ansteuert, daß diese den Ermittlungs- und den Korrekturschritt ausführt. Die Zeitabstände können dabei insbesondere in Abhängigkeit von der erwarteten Änderung der Eigenschaften des Scanners und der erforderlichen Stellgenauigkeit bzw. Genauigkeit der Bewegung gewählt werden. Beispielsweise kann das Verfahren wöchentlich oder monatlich durchgeführt werden.
Es ist jedoch auch möglich den Ermittlungs- und den Korrekturschritt zu wiederholen, wenn eine vorgegebene Gesamtbetriebsdauer des Scanners seit der letzten Korrektur erreicht wurde. Dies hat den Vorteil, daß die Korrektur abhängig von der benutzungsbedingten Abnutzung erfolgt, so daß auch bei unregelmäßiger Benutzung eine Korrektur früh genug durchgeführt wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Variante können bei dem Verfahren der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt bei jedem Einschalten des Scanners oder in einem vorgegebenen Zeitabstand nach jedem Einschalten durchgeführt werden. Bei dem optischen Scanner ist dazu vorzugsweise die Scansteuereinheit weiter so ausgebildet, daß der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt bei jedem Einschalten des Scanners oder in einem vorgegebenen Zeitabstand nach jedem Einschalten durchgeführt werden. Der Zeitabstand kann insbesondere so gewählt sein, daß der Scanner oder eine den Scanner enthaltende Vorrichtung nach Ablauf der Zeit aufgewärmt sind und stabile Betriebsbedingungen aufweisen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß bei geeigneter Wahl des vorgegebenen Zeitabstands die Korrektur nach einer Aufwärmphase des Scanners bzw. einer den Scanner enthaltenden Vorrichtung und damit bei stabilen Bedingungen durchgeführt wird. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Korrektur.
Grundsätzlich kann es genügen, die Korrektur nur für eine vorgegebene Frequenz durchzuführen. Bei dem Verfahren ist es jedoch bevorzugt, daß der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt wiederholt werden, und die in diesen Schritten verwendete Frequenz bei jeder Wiederholung geändert wird. Dazu ist vorzugsweise bei dem optischen Scanner die Scansteuereinheit weiter so ausgebildet, daß diese den Ermittlungsschritt und den Korrekturschritt wiederholt ausführt, und die in diesen Schritten verwendete Frequenz bei jeder Wiederholung ändert. Insbesondere können bei einer typischerweise periodischen Soll-Bewegung mit einer festen Grundfrequenz nacheinander die Grundfrequenz und die verwendeten Oberfrequenzen, d.h. Vielfache der Grundfrequenz, als Frequenz verwendet werden. Dies hat den Vorteil, daß sich nach einer hinreichenden Anzahl von Wiederholungen eine Aktualisierung der gesamten Übertragungsfunktion bzw. der zur Steuerung und/oder Regelung verwendeten Parameter ergibt.
Weiterhin können bei dem Verfahren vorzugsweise der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt für mehrere vorgegebene Frequenzen durchgeführt werden. Bei dem optischen Scanner ist die Scansteuereinheit dazu vorzugsweise weiter so ausgebildet, daß der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt für mehrere vorgegebene Frequenzen durchgeführt werden. Dies bedeutet, daß bei einer Korrektur im wesentlichen gleichzeitig bzw. unmittelbar aufeinanderfolgend Korrekturen für mehrere Frequenzen durchgeführt werden können, so daß in vorteilhafter Weise eine umfassendere bzw. genauere Korrektur erreicht werden kann.
Die Korrektur im Korrekturschritt kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Bei dem Verfahren ist es bevorzugt, daß in dem Korrekturschritt eine Abweichung des aktuellen Wertes der Antriebseinheitsübertragungsfunktion von einem entsprechenden früher gespeicherten Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion, der innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls vor oder nach der Ermittlung des Wertes der aktuell verwendeten optischen Übertragungsfunktion bei der Frequenz ermittelt wurde, bestimmt wird und die Abweichung zur Korrektur verwendet wird. Bei dem optischen Scanner ist es dazu bevorzugt, daß die Scansteuereinheit weiter so ausgebildet ist, daß in dem Korrekturschritt eine Abweichung des aktuellen Wertes der Antriebseinheitsübertragungsfunktion von einem entsprechenden früher gespeicherten Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion, der innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls vor oder nach der Ermittlung des Wertes der aktuell verwendeten optischen Übertragungsfunktion bei der Frequenz ermittelt wurde, bestimmt wird und die Abweichung zur Korrektur verwendet wird. Das vorgegebene Zeitintervall ist dabei vorzugsweise so gewählt, daß eine wesentlichen Änderung der Antriebseinheitsübertragungsfunktion in diesem Zeitintervall nicht zu erwarten ist bzw. erfolgt. Vorzugsweise wird die Antriebseinheitsübertragungsfunktion unmittelbar vor oder nach der Ermittlung der Übertragungsfunktion, insbesondere die optische Übertragungsfunktion, durch geführt. Dabei kann, je nach Art der Darstellung der Übertragungsfunktion, die Abweichung als Quotient aus den beiden Werten oder als Differenz gegeben sein. Wird die Übertragungsfunktion in einer Fourier-Darstellung beispielsweise als komplexe Funktion oder durch zwei Amplitudenanteile für einen Sinus- und einen Cosinus-Anteil dargestellt, kann die Abweichung durch Quotienten der entsprechenden Werte gegeben sein. Bei einer Fourier-Darstellung in Form von Amplituden und Phasen für Sinus- oder Cosinus-Funktionen einer Fourier-Summe kann die Abweichung für die Amplituden in Form eines Quotienten und die Abweichung der Phasen in Form einer Differenz gegeben sein. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß nach Ermittlung der Abweichungen die Korrektur selbst einfach durchzuführen ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Verfahren wenigstens im Korrekturschritt die Korrektur für die wenigstens eine Frequenz durchgeführt und zur Korrektur für andere Frequenzen ein Modell für die Frequenzabhängigkeit des wenigstens einen zu korrigierenden Parameters bzw. der zu korrigierenden Übertragungsfunktion bestimmt. Bei dem optischen Scanner ist dazu vorzugsweise die Scansteuereinheit weiter so ausgebildet, daß im Korrekturschritt die Korrektur für die wenigstens eine Frequenz durchgeführt wird und zur Korrektur für andere Frequenzen ein Modell für die Frequenzabhängigkeit des zu korrigierenden Parameter bzw. der zu korrigierenden Übertragungsfunktion bestimmt wird. Diese Ausführungsform hat den großen Vorteil, daß trotz einer Ermittlung eines Wertes der Antriebseinheitsübertragungsfunktion für nur eine oder nur wenige Frequenzen, die daher schnell erfolgen kann, eine Korrektur über den gesamten benötigten Frequenzbereich durchgeführt werden kann. Das Modell kann bei Verwendung von Werten für mehrere Frequenzen beispielsweise ein Polynommodell sein. Es ist jedoch auch möglich als Modell den bei Ermittlung der Übertragungsfunktion ermittelten Verlauf der Antriebseinheitsübertragungsfunktion als Funktion der Frequenz oder ein theoretisch ermitteltes Modell zu nutzen.
Die Erfindung wird besonders vorteilhaft in Laser-Scanning-Mikroskopen eingesetzt, da diese Scanner mit sehr hoher Genauigkeit erfordern, um möglichst unverzerrte Bilder bei hoher Scangeschwindigkeit zu erhalten. Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einem erfindungsgemäßen optischen Scanner.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen noch weiter erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Laser-Scanning-Mikroskops,
2 eine schematische Blockdarstellung von Komponenten des Laser-Scanning-Mikroskops in 1, die für einen optischen Scanner des Laser-Scanning-Mikroskops relevant sind,
3 ein vereinfachtes Weg-Zeit-Diagramm für eine Soll-Bewegung und eine angenäherte Soll-Bewegung,
4 eine Blockdarstellung für die Erzeugung von Ansteuersignalen für einen Antrieb des Scanners in 2,
5 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Ermittlung einer optischen Übertragungsfunktion,
6 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm für Teilschritte des in 5 dargestellten Verfahrens,
7 eine schematische Darstellung eines Pixelaufbaus eines mit dem Laser-Scanning-Mikroskop in 1 erfaßten Bildes,
8 eine schematische Darstellung einer Prüfprobe mit Soll-Lagen von strichförmigen Strukturen und bei einer Hin- und Rückbewegung erfaßten Ist-Lagen der strichförmigen Strukturen,
9a, b Diagramme, in denen Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Lagen von strichförmigen Strukturen für die Hin- und die Rückbewegung als Funktion der Pixelnummer aufgetragen sind, und
10 ein Diagramm, in dem die Abweichungen in den 9a und 9b als Funktion der Zeit aufgetragen sind.

In 1 verfügt ein nur vereinfacht dargestelltes Laser-Scanning-Mikroskop nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, das zur Untersuchung eines Objekts bzw. einer Probe 2 dient, über einen Beleuchtungsabschnitt 3 zur Abgabe eines kollimierten Beleuchtungsstrahls 4, einen Ablenkabschnitt 5 zur gesteuerten Ablenkung des Beleuchtungsstrahls 4, eine Abbildungsoptik 6 und eine Erfassungseinrichtung 7 zur Erfassung von Aufnahmebilddaten für wenigstens Teilbilder des Objekts 2, die von der Abbildungsoptik 6 auf die Erfassungseinrichtung 7 abgebildet werden. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 ist mit der Erfassungseinrichtung 7 und einer Anzeigeeinrichtung 9 in Form eines Farbmonitors verbunden.
Bei diesem Laser-Scanning-Mikroskop 1 erfolgt die Abbildung der Probe 2 dadurch, daß diese mit dem Beleuchtungsstrahl 4 mit in einer abzubildenden Schicht der Probe 2 abgetastet wird, der in der Schicht fokussiert ist und dort näherungsweise punktförmigem Querschnitt aufweist.
Der Beleuchtungsabschnitt 3 dient zur Abgabe des kollimierten Beleuchtungsstrahls 4 mit einem vorgegebenen Strahlprofil und -querschnitt und verfügt dazu entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs über eine Quelle 10 für optische Strahlung, im Beispiel einen Laser, und eine feine Blende 12 (pinhole-Blende) in einer zu der Lage des Fokus des Beleuchtungsstrahls 4 auf der Probe 2 konjugierten Ebene.
Die aus dem Beleuchtungsabschnitt 3 austretende Beleuchtungsstrahlung 4 tritt durch einen Strahlteiler 13 in den Ablenkabschnitt 5 zur gesteuerten Ablenkung des durch den Strahlteiler 13 getretenen Beleuchtungsstrahls 4. Der Ablenkabschnitt 5 besitzt dazu eine mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 zur Ansteuerung verbundene Ablenkeinrichtung bzw. einen optischen Scanner 14 nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und eine Scanoptik 15.
Der optische Scanner 14 ist dazu ausgelegt, den Beleuchtungsstrahl 4 in einer Ebene orthogonal zu der Richtung des Beleuchtungsstrahls 4 vor der Ablenkeinrichtung, in 1 also orthogonal zu der Zeichnungsebene, zu schwenken. Er besitzt dazu zwei von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 ansteuerbare Antriebseinheiten, die zwei unabhängig voneinander von der Scansteuereinheit 35 ansteuerbare Antriebe, von denen in 2 nur der Antrieb 30 für Bewegungen in x-Richtung gezeigt ist, und zwei mittels der Antriebe um jeweils eine Achse schwenkbare strahlablenkende Elemente, im Beispiel Spiegel, von denen in 2 nur der von dem Antrieb 30 über ein Koppelelement 30', einer Welle, angetriebene Spiegel 31 gezeigt ist, umfassen. Die Antriebseinheiten sind mit einer gemeinsame Scansteuereinheit 35 zur Abgabe von Ansteuersignalen entsprechend einer Soll-Bewegung in x-Richtung und einer Soll-Bewegung in y-Richtung an diese verbunden.
Im Beispiel werden galvanische Antriebe verwendet. Die Drehachsen, um die die Spiegel drehbar sind, verlaufen orthogonal zueinander, wobei der Spiegel 31 entsprechend der Ansteuerung des Antriebs 30 den Beleuchtungsstrahl 4 gesteuert in x-Richtung auslenkt. Der andere Spiegel bewirkt eine Ablenkung in y-Richtung. Weiterhin ist für jeden der Antriebe jeweils ein kapazitiver Stellungssensor zur Erfassung der Stellung des jeweiligen Antriebs 30 oder des Koppelelements 30' bzw. Spiegels und Abgabe von entsprechenden Rückmeldesignalen und eine mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 zur Übermittlung von Ansteuersignalen und dem Stellungssensor verbundene Stellungsregelung vorgesehen, von denen in 2 wiederum nur der Stellungssensor 32 und die Stellungsregelung 33 gezeigt sind. Auf ein Ansteuersignal hin regelt die Stellungsregelung 33 unter Verwendung von Stellungs- bzw. Rückmeldesignalen des Stellungssensors 32 die Stellung des Antriebs 30 auf eine durch das Ansteuersignal definierte Stellung ein, so daß diese, jedenfalls bei langsamer Bewegung, mit großer Genauigkeit, aber abhängig von den Eigenschaften des Stellungssensors 32, eingestellt werden kann.
Die Scansteuereinheit 35 kann zur Erzeugung von Ansteuersignalen für den optischen Scanner 14 und insbesondere für die Antriebe über wenigstens einen digitalen Signalprozessor verfügen, der Zugriff auf einen nicht gezeigten Speicher oder einen Bereich eines Speichers 28 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 hat.
Der aus dem Ablenkabschnitt 5 austretende, abgelenkte Beleuchtungsstrahl 4 wird durch die Mikroskopoptik 16 in einen Fokus 17 auf oder in der Probe 2 fokussiert. Zur Auswahl der Lage des Fokus 17 in z-Richtung, also in der Tiefe der Probe, kann ein Probentisch 34 mittels eines integrierten mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 verbundenen Antriebs durch entsprechende Signale der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 entlang der z-Richtung in an sich bekannter Weise in seiner Lage in z-Richtung eingestellt werden.
Der Fokus 17, d.h. genauer von dem Fokus 17 ausgehende Detektionsstrahlung 18, beispielsweise durch die Beleuchtungsstrahlung in der Probe 2 angeregte Fluoreszenzstrahlung, wird durch die Abbildungsoptik 6 abgebildet. Diese umfaßt entlang eines Detektionsstrahlengangs die vergrößernde Mikroskopoptik 16, den Strahlteiler 13 und eine Detektionsoptik 19, die den Fokus 17 konfokal auf die Erfassungseinrichtung 7 abbildet.
Die Mikroskopoptik 16 umfaßt eine Tubuslinse 20 sowie ein Mikroskop-Objektiv 21.
Der Strahlteiler 13 ist dazu ausgebildet, den Beleuchtungsstrahl 4 wenigstens teilweise durchzulassen und die Detektionsstrahlung 18 auf die Detektionsoptik 19 abzulenken.
Zwischen der Mikroskopoptik 16 und dem Strahlteiler 13 ist der Ablenkabschnitt 5 angeordnet, der die Detektionsstrahlung 18 descannt. Unter Descannen wird verstanden, daß der Ablenkabschnitt von dem auf bzw. in der Probe entsprechend der Ablenkung des Beleuchtungsstrahls 4 wandernden Fokus 17 ausgehende Strahlung in eine festen Abschnitt des Detektionsstrahlengangs, insbesondere auf den Strahlteilers 13, ablenkt, so daß der Abschnitt des Detektionsstrahlengangs zwischen Probe 2 und Ablenkabschnitt 5 entsprechend der Bewegung des Abschnitts des Beleuchtungsstrahlengangs zwischen Ablenkabschnitt 5 und Probe 2 geschwenkt wird, der restliche Teil des Detektionsstrahlengangs jedoch unverändert bleibt.
Die Detektionsstrahlung 18 aus dem Fokus 17, von der Beleuchtungsstrahlung angeregte Fluoreszenzstrahlung oder von der Probe 2 aus dem Fokus 17 zurückgeworfene Beleuchtungsstrahlung, tritt durch die Mikroskopoptik 16 und den Ablenkabschnitt 5, wird von dem Strahlteiler 13 umgelenkt und gelangt dann in die konfokale Detektionsoptik 19, die eine Detektionslinse oder -linsengruppe 22 und eine feine Lochblende bzw. pinhole-Blende 23 umfaßt. Die Detektionslinse bzw. -linsengruppe 22 ist so ausgebildet und angeordnet, daß aus dem Fokus 17 kommende Detektionsstrahlung in die Öffnung der Lochblende 23 fokussiert wird und durch diese hindurchtritt, Strahlung aus anderen Bereichen der Probe 2 die Lochblende 23 aber im wesentlichen nicht passieren kann. Auf diese Weise findet eine konfokale Abbildung nur einer im wesentlichen parallel zu der x-y-Ebene verlaufenden Schicht der Probe 2 mit dem Fokus 17 statt. Die Größe der Öffnung der Lochblende 23 bestimmt dabei unter anderem in bekannter Weise die Tiefenauflösung des Laser-Scanning-Mikroskops 1.
Hinter der Lochblende 23 ist optional ein in 1 nicht gezeigter Filter der Detektionsoptik 19 angeordnet, der unerwünschte Strahlungsanteile, bei Fluoreszenzuntersuchungen beispielsweise aus dem Fokus 17 zurückgeworfene Beleuchtungsstrahlung, nicht bzw. nur stark geschwächt passieren läßt.
Die Detektionsstrahlung 18 gelangt dann auf die Erfassungseinrichtung 7. Die Erfassungseinrichtung 7 besitzt ein Detektionselement 24, im Beispiel einen Photomultiplier, auf den der Fokus 17 abgebildet wird und das die Detektionsstrahlung, die die Lochblende 23 passiert hat, unter Erzeugung und Abgabe von Detektionssignalen detektiert.
Die Erfassungseinrichtung 7 und darin insbesondere das Detektionselement 24 ist über eine Signalverbindung mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 verbunden, die zum einen der Ansteuerung des Ablenkabschnitts 5 und des Antriebs des Probentischs 34 und zum anderen zur Auswertung der Signale des Erfassungseinrichtung 7, genauer der Bilddatenerfassungs- bzw. Detektionssignale des Photomultipliers 24, und Bildung von entsprechenden Bildern dient. Diese Bilder können mit der mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 über eine Signalverbindung verbundenen Anzeigeeinrichtung 9, im Beispiel ein Farbmonitor, angezeigt werden.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 ist als Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und verfügt über eine Erfassungsschnittstelle 26 zu der Erfassungseinrichtung 7 bzw. deren Photomultiplier 24, eine mit der Anzeigeeinrichtung 9 verbundenen Graphikschnittstelle 27, einen Speicher 28, in dem Daten und Instruktionen eines Computerprogramms gespeichert sind, und einen mit den Schnittstellen 26 und 27 und dem Speicher 28 verbundenen Mikroprozessor 29, der bei Ausführung der Instruktionen das im Folgenden beschriebene Verfahren wenigstens teilweise ausführt. In dem Speicher 28, genauer einem nichtflüchtigen Teil des Speichers 28, sind weiter Instruktionen eines Computerprogramms gespeichert, das die Bedienung und Steuerung des Laser-Scanning-Mikroskops, beispielsweise durch Eingabe einer Scangeschwindigkeit und einer Scanamplitude über eine graphische Benutzerschnittstelle erlaubt.
Alternativ könnte das Programm auch auf einem Datenträger wie einer CD gespeichert sein, die über ein nicht gezeigtes mit dem Mikroprozessor 19 verbundenes CD-Laufwerk gelesen werden kann.
Der Mikroprozessor 29 steuert unter anderem die Scansteuereinheit 35, im Beispiel den Signalprozessor der Scansteuereinheit 35 an. In anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, daß der Mikroprozessor 29 einen Teil der Scansteuereinheit 35 bildet, wozu er dann entsprechend programmiert ist. Scansteuereinheit und Steuer- und Auswerteeinrichtung sind dann teilweise integriert.
Weiterhin sind in der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 Einrichtungen zur Synchronisierung der Erfassung von Intensitäten durch den Photomultiplier 24 mit der Stellung des Scanners 14 vorgesehen, die teilweise durch den Mikroprozessor 29 realisiert sein können und daneben noch weitere, dem Fachmann bekannte, in 1 nicht gezeigte Komponenten umfassen können.
Aufnahmebilder einer Schicht in der Probe 2, deren Schichtdicke durch die Größe der Öffnung der Blende 23 und die Eigenschaften der Abbildungsoptik 6 gegeben ist, werden durch eine rechteckige Anordnung von Bildelementen bzw. Pixeln 25 wiedergegeben, wie schematisch in 7 gezeigt, in der jedoch die Anzahl der Pixel der besseren Darstellung halber gegenüber der tatsächlichen Anordnung reduziert dargestellt ist.
Die Erfassung eines Aufnahmebildes einer Schicht erfolgt folgendermaßen: Die Strahlungsquelle 10 gibt den Beleuchtungsstrahl 4 ab, der mittels des Scanners 14 zeilenweise in x-Richtung über die Probe 2 geführt wird. Von dort ausgehende Detektionsstrahlung wird über die Mikroskopoptik 16 dem Ablenkabschnitt 5 zugeführt, wo diese descannt wird. Nach Umlenkung durch den Strahlteiler werden die konfokalen Anteile durch die Erfassungseinrichtung 7 erfaßt und entsprechende Signale an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 übermittelt. Dabei erfolgt nach Beendigung der Erfassung einer Zeile von Pixeln eine der x-Bewegung überlagerte Bewegung des Fokus in y-Richtung, wonach die nächste Zeile in x- Richtung, zum Beispiel mit umgekehrter Bewegungsrichtung, erfaßt werden kann.
Die Bewegung in x-Richtung erfolgt dabei periodisch. Die Soll-Bewegung ist beispielhaft in 3 dargestellt, in der s die Lage des Fokus in x-Richtung und t die Zeit bezeichnen. Idealerweise bewegt sich der Fokus in x-Richtung auf seinem Weg von einer ersten Endlage zu einer zweiten Endlage und zurück in die erste Endlage, d.h. periodisch, wobei die Bewegung von einer Endlage in die andere jeweils zumindest in dem Nutzbereich, der zur Erfassung eines Bildes verwendet wird und in 3 die Breite 2A hat, geradlinig gleichförmig. Diese Bewegung ist in 3 durch die beiden Geraden 39 gekennzeichnet.
Tatsächlich kann der Fokus jedoch nicht mit unendlicher Beschleunigung aus einer der Endlagen beschleunigt bzw. bei Annäherung an die Endlage mit unendlicher Verzögerung gebremst werden. Daher erfolgt zunächst zu Beginn einer Periode, d.h. ausgehend von einem ersten Endpunkt, in 3 der Zeitpunkt 0, eine Beschleunigung auf eine im folgenden gewünschte Geschwindigkeit, die zur Zeit t₁ erreicht wird. In dem folgenden Zeitraum bis zur Zeit t₂ erfolgt die geradlinig-gleichförmige Hinbewegung, während derer Bilddaten erfaßt werden. Danach wird in der Zeit zwischen t₂ und t₃ der Antrieb 30 und der Spiegel 31 und damit Fokus 17 auf die Geschwindigkeit Null abgebremst, die im zweiten Endpunkt erreicht wird. Von dort werden der Antrieb 30 und der Spiegel 31 in umgekehrter Richtung bis zur Zeit t₄ beschleunigt, zu der wieder die gleiche Geschwindigkeit erreicht wird wie bei der Hinbewegung. Gleichzeitig wird in dem Zeitraum zwischen t₂ und t₄ durch Ansteuerung des Antriebs für die Bewegung in y-Richtung der Fokus für eine vorgegebene Zeit bzw. um eine vorgegebene Strecke in y-Richtung bewegt, so daß bei der Rückbewegung die nächste Zeile eines Bildes erfaßt werden kann. In dem folgenden Zeitraum bis zur Zeit t₅ erfolgt die geradlinig-gleichförmige Rückbewegung, während derer wieder Bilddaten erfaßt werden können. Zwischen den Zeiten t₅ und t₆ werden der Antrieb 30 und der Spiegel 31 wieder abgebremst, wobei wieder eine Bewegung des Fokus 17 in y-Richtung in die nächste Zeile erfolgt. Die zwischen den Zeiten t₁ und t₂ bzw. t₄ und t₅ überstrichenen Bereiche stellen somit Nutzbereiche für die Bilderfassung dar, die Breite 2A ist die doppelte Amplitude A der Scanbewegung.
Während der geradlinig-gleichförmigen Hin- und Rückbewegung werden in konstanten Zeitabständen von dem Photomultiplier 24 Intensitäten bzw. Energien der Detektionsstrahlung erfaßt und entsprechende von dem Photomultiplier 24 abgegebene Signale über die Schnittstelle 26 eingelesen, den Pixeln zugeordnet und in dem Speicher 28 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 gespeichert. Das bedeutet, daß die Anzahl der Pixel einer Zeile durch die Anzahl der Zeitpunkte gegeben ist, zu denen die Intensität der Detektionsstrahlung erfaßt wird. Die den Pixeln zugeordneten erfaßten Intensitätswerte werden als Matrix mit Elementen I(i,p) abgespeichert, wobei der Index p die Position der Zeile i bezeichnet. Der Abstand der durch die Pixel dargestellten Bereiche in dem Bild voneinander ergibt sich als Produkt aus der Geschwindigkeit des Fokus 17 und dem zeitlichen Abstand Δt zwischen der Erfassung aufeinanderfolgender Intensitäten. Da die Zeit bei der periodischen Bewegung weiterläuft, bei der Bewegung in x-Richtung jedoch jeder Ort in einer Periode zweimal überstrichen wird, werden in der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 die Intensitäten direkt entsprechend ihren Pixeln und damit Orten zugeordnet abgespeichert. Dies ist in 7 veranschaulicht: So werden beispielsweise Intensitäten für das der ersten Endlage nächste Pixel mit Index j=1 zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ und für das der zweiten Endlage nächste Pixel mit Index j=p_max, im Beispiel 512, zu den Zeitpunkten t₃ und t₄ erfaßt und direkt entsprechend abgespeichert.
Die der Soll-Bewegung entsprechenden Ansteuersignale werden durch eine Synthese von Frequenzkomponenten erzeugt. Dazu wird zunächst die Soll-Bewegung als Fourier-Reihe mit einer der Periode der x-Bewegung entsprechenden Grundfrequenz f dargestellt. Für die in 3 gezeigte Dreiecksbewegung ergibt sich folgende näherungsweise Darstellung für die Auslenkung S_soll(t) des Fokus 17 durch entsprechende Auslenkung des Spiegels 31 als Funktion der Zeit t: $s_{s o l l} (t) \approx \sum_{k = 1}^{N} s_{k s o l l} cos (2 π \cdot k \cdot f \cdot t + φ_{k_{s o l l}}) = \frac{8}{π^{2}} \sum_{k = 1}^{N} \frac{a_{k s o l l}}{k^{2}} cos (2 π \cdot k \cdot f \cdot t + φ_{k s o l l}),$
wobei S_ksoll bzw. a_ksoll Amplitudenkoeffizienten und φ_ksoll Phasenkoeffizienten für die Frequenzkomponente mit der Frequenz k.f bezeichnen. Je größer die positive natürliche Zahl N>1 gewählt wird, desto genauer stellt die Fourier-Summe die Soll-Bewegung dar. In der Praxis wird N so gewählt, daß eine vorgegebene Genauigkeit der Darstellung erzielt wird. In 3 stellt die geschwungene Kurve die Fourier-Summe für N=1 dar.
Die Scansteuereinheit 35 erzeugt die Ansteuersignale, die der Stellungsregelung 33 zugeführt werden. Die Ansteuersignale werden dabei vorzugsweise so erzeugt, daß der bewegliche Strahlengangabschnitt bzw. der Fokus 17 in möglichst guter Näherung die Soll-Bewegung ausführt. Dazu wird eine Vorverzerrung (vgl. 4) durchgeführt, die den Einfluß aller zwischengeschalteten Komponenten, beispielsweise der Ansteuerelektronik einschließlich des Antriebs und der mechanischen und optischen Komponenten wie Spiegel usw., in Form einer optischen Übertragungsfunktion U berücksichtigt. Die optische Übertragungsfunktion ist bei Verwendung der oben dargestellten Fourier-Darstellung der Soll-Bewegung durch zwei Anteile, einen Amplitudenanteil U_A und einen Phasenanteil U_P gegeben, die von der Frequenz abhängen. So gelten bei einer Darstellung von einer Soll-Bewegung entsprechenden Ansteuersignalen als Fourier-Reihe bzw. -Summe $s (t) \approx \sum_{k = 1}^{N} s_{k} cos (2 π \cdot k \cdot f \cdot t + φ_{k})$
mit Fourier-Amplituden s_k und Fourier-Phasen φ_k, die sich aus den entsprechenden Fourier-Komponenten der Soll-Bewegung ergeben, und einer entsprechenden Darstellung der Bewegung des Fokus $s_{F o k u s} (t) \approx \sum_{k = 1}^{N} s_{F o k u s, k} cos (2 π \cdot k \cdot f \cdot t + φ_{F o k u s, k})$
die Beziehungen $s_{F o k u s, k} = s_{k} \cdot U_{A} (k \cdot f)$
und $φ_{F o k u s, k} = φ_{k} \cdot U_{P} (k \cdot f),$
wobei U_A(k f) der Amplitudenanteil der Übertragungsfunktion und U_P(k f) der Phasenanteil für die Frequenz kf ist.
Damit tatsächlich S_Fokus der Soll-Bahn folgt, wird die Vorverzerrung $s_{V, k} = s_{k} / U_{A} (k \cdot f)$
und $φ_{V, k} = φ_{k} - U_{P} (k \cdot f),$
berechnet und die Stellungsregelung mit Ansteuersignalen entsprechend der Fourier-Reihe bzw. -summe mit den vorverzerrten Amplituden s_V,k und vorverzerrten Phasen (φ_V,k der Frequenzanteile angesteuert. Die Stellungsregelung 33 und der Stellungssensor 32, deren Funktion in der Übertragungsfunktion berücksichtigt ist, sorgt dann für eine exakte Ansteuerung des. Antriebs so, daß die notwendige Stellung auch tatsächlich erreicht wird (vgl. 4). Bei vollständiger und exakter Kenntnis der Übertragungsfunktion wird dann bei exakt linearen Systemen der Fokus 17 exakt die Soll-Bewegung ausführen.
Die optische Übertragungsfunktion ist jedoch bei einem Laser-Scanning-Mikroskop basierend auf dessen Konstruktion allenfalls theoretisch bekannt. Tatsächlich weicht die tatsächliche Übertragungsfunktion von der theoretischen in aller Regel, beispielsweise aufgrund von Umgebungseinflüssen und Drift in Eigenschaften der verwendeten Bauteile, ab, so daß durch Ansteuerung entsprechend einer Soll-Bewegung eine Ist-Bewegung erreicht wird, die von der Soll-Bewegung abweichen kann. Zur Beseitigung der Abweichungen muß die optische Übertragungsfunktion bestimmt werden. Dies kann beispielsweise mit dem folgenden Ermittlungs- bzw. Kalibrierverfahren geschehen.
Bei diesem schematisch in den 5 und 6 dargestellten Kalibrierverfahren wird als Probe eine Referenzprobe 2 verwendet, die Strukturen aufweist, die mit dem Laser-Scanning-Mikroskop 1 erfaßbar sind. Dabei wird vorausgesetzt, daß wenigstens die Formen der Strukturen und deren Lage zueinander bekannt sind. Es wird ein Bild der Referenzprobe unter Verwendung einer Soll-Prüfbewegung erzeugt, aus dem die Ist-Lagen der Strukturen ermittelt und nach Ermittlung der Soll-Lagen in dem Bild mit den Soll-Lagen der Strukturen verglichen werden. Auf der Basis der Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Lagen können dann Korrekturen für die optische Übertragungsfunktion bzw. deren Frequenzkomponenten ermittelt werden, so daß bei deren Anwendung eine verbesserte, vorzugsweise exakte Übertragungsfunktion erhalten wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Probe mit einem periodischen Strichgitter verwendet (vgl. 8), dessen Striche 36 einen Abstand voneinander einnehmen, der größer ist als der doppelte Abstand der Fokuslagen auf der Referenzprobe 2 bei zwei aufeinanderfolgenden Erfassungen der Intensität bzw. Energie während einer Bewegung in x-Richtung.
Nach Positionierung der Referenzprobe 2 auf dem Probentisch 34 führt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 zusammen mit der Scansteuereinheit 35 folgendes Verfahren durch, wozu der Mikroprozessor 29 und die Scansteuereinheit 35 bzw. ein digitaler Signalprozessor darin in dem Speicher 28 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 gespeicherte Instruktionen eines oder mehrerer Computerprogramme abarbeiten.
Es wird davon ausgegangen, daß Werte einer Übertragungsfunktion bereits vorhanden und gespeichert sind. Sind keine für den Scanner spezifischen Werte bekannt, kann beispielsweise zunächst davon ausgegangen werden, daß die Amplitudenanteile U_A für alle betrachteten Frequenzen den Wert 1 annehmen und die Phasenanteile U_p den Wert Null.
Zunächst wird in Block S10 eine Referenzabweichungsfunktion ermittelt, die die Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Lagen und damit Ist-Bewegungen wiedergibt und unter Verwendung der gespeicherten aktuellen Übertragungsfunktion ermittelt wird.
Die Schritte des Blocks S10 sind genauer in 6 dargestellt.
Zunächst liest die Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 in Schritt S12 den Abstand der Striche 36 der Referenzprobe über eine graphische Benutzerschnittstelle ein. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Abstand der Striche auch in einem nichtflüchtigen Teil des Speichers 28 gespeichert sein, der Wert wird dann aus dem Speicher 28 eingelesen.
Im folgenden Schritt S14 erfaßt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 ebenfalls über die graphische Benutzerschnittstelle die Frequenz f und die Amplitude A der Soll-Scanbewegung. Die Frequenz f ist dabei die Grundfrequenz der im folgenden zu bildenden Fourier-Summe. Für den Fall, daß Scan-Programme, d.h. Kombinationen von Scangeschwindigkeiten und -amplituden, bereits vorgegebenen sind, genügt es, daß der Benutzer das entsprechende Scan-Programm auswählt und die Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 die entsprechenden Werte aus einem nichtflüchtigen Teil des Speichers 28 ausliest.
In dem folgenden Schritt S16 erfaßt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 weiterhin die Zahl N der zu verwendenden Frequenzkomponenten, die wie die Parameter des Scan-Programms erfaßt werden können. Die Anzahl N soll vorteilhaft so gewählt werden, daß die Frequenz N f kleiner als eine vorgegebene Grenzfrequenz ist, die in Abhängigkeit von den Eigenschaften beispielsweise der Stellungsregelung 33 und des Antriebs 30 gewählt sein kann. Darüber hinaus soll die Anzahl N nicht größer als eine vorgegebene Maximalzahl sein, die in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit der Scanbewegung gewählt ist. Vorzugsweise liegt die Zahl N zwischen 10 und 50, um die für Laser-Scanning-Mikroskope notwendige Genauigkeit zu erzielen.
In Schritt S 18 setzt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 Anfangswerte für die zu korrigierenden, zur Steuerung oder Regelung verwendeten Parameter, d.h. die Amplituden s_k und die Phasen φ_k für die Frequenzkomponenten für Frequenzen k f, für k=1, ...., N. Wie bereits erwähnt, stellt die Scanfrequenz f dabei die Grundfrequenz dar, während die Frequenzen k f für k>2 die Oberschwingungen bzw. Oberfrequenzen sind. Aus den verwendeten, zu korrigierenden Parametern ermittelt sie dann unter Verwendung der optischen Übertragungsfunktion, wie oben beschrieben, unter Vornahme der Vorverzerrung, die Ansteuersignale, die im folgenden Schritt S20 an die Stellungsregelung 33 abgegeben werden, um ein Bild der Referenzprobe 2 zu erfassen. Die optische Übertragungsfunktion ist an vorgegebenen Stützstellen als Tabelle in dem nichtflüchtigen Teil des Speichers gespeichert, wobei entweder die zuletzt benutzten Werte oder geschätzte Werte verwendet werden können. Sollten Werte der Übertragungsfunktion bei benötigten Frequenzen nicht gespeichert sein, können diese durch Interpolation gewonnen werden.
In Schritt S20 wird durch periodisches Abscannen der Referenzprobe 2 gemäß der berechneten Ansteuersignale wenigstens in x-Richtung, ein Bild der Referenzprobe 2, d.h. ein Bild wenigstens eines Abschnitts der Referenzprobe 2 erfaßt. Die Referenzprobe 2 ist so orientiert, daß die Gitterstriche in guter Näherung orthogonal zur x-Richtung sind. Die Scanamplitude ist dabei in Abhängigkeit von dem Abstand der Striche und der Anzahl N der Frequenzkomponenten so gewählt, daß wenigstens so viele Gitterstriche erfaßt werden wie Frequenzkomponenten verwendet werden. Das Bild wird dann in Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 in dem Speicher 28, wie oben beschrieben, gespeichert. Es ist in einem anderen Ausführungsbeispiel auch möglich, das Bild mit y-Ablenkung zwischen der Bewegung in x-Richtung zu erfassen.
Ein Ausschnitt aus der Referenzprobe 2 und aus dem erfaßten Bild sind in 8 gezeigt. Die Striche 36 der Referenzprobe 2 werden nicht an den Stellen erfaßt an denen sie liegen sollten. Vielmehr werden die Striche während der Hinbewegung an den grob gepunkteten Linien 37 und während der Rückbewegung an den fein gepunkteten Linien 38 erfaßt, so daß sich in den Lagen Abweichungen Δs ergeben.
Um diese Abweichungen quantitativ erfassen zu können, werden zunächst die Soll-Lagen der Strukturen bzw. Gitterstriche in den erfaßten Bild ermittelt. Dadurch ist nicht notwendig die Probe mit sehr hoher Präzision auf dem Objekttisch zu positionieren.
Dazu wird in Schritt S22 aus dem Bild die Ist-Lage wenigstens einer ersten Struktur der Referenzprobe, im Beispiel des Strichs, die bzw. der während der Hinbewegung im Bild als der Scanzeilenmitte, d.h. der Mitte des Nutzbereichs, am nächsten liegend erfaßt wurde, ermittelt. Dann wird die Ist-Lage eines Strichs im Bild während der Rückbewegung ermittelt, der dem bei der Hinbewegung ermittelten Strich am nächsten liegt. Als berechnete Soll-Lage des Strichs wird nun der Mittelwert der ermittelten Ist-Lagen bei der Hin- und der Rückbewegung berechnet und gespeichert.
In Schritt S24 werden dann ausgehend von der Ist-Lage des mittleren Strichs unter Verwendung des bekannten Abstands der Strukturen bzw. Striche voneinander die Soll-Lagen der verbleibenden Striche der Referenzprobe 2 im Bild ermittelt und gespeichert.
In Schritt S26 werden dann die Ist-Lagen der verbleibenden Striche und deren Abweichungen von den Soll-Lagen getrennt für die Hin- und Rückbewegung ermittelt. Dazu werden zunächst mit bekannten Verfahren die Ist-Lagen der Strukturen bzw. Striche in dem Bild ermittelt. Dabei erfolgt eine Zuordnung der Ist-Lagen zu Pixeln, d.h. deren Nummern und der Hin- bzw. Rückbewegung. Dann wird für die Striche die Abweichung Δs zwischen Soll- und Ist-Lage berechnet und abgespeichert. Abweichungen sind beispielhaft in 9a für die Hinbewegung und 9b für die Rückbewegung als Funktion der Pixelnummer p dargestellt. Zum besseren Verständnis auch der folgenden Schritte sind unter den Pixeln jeweils die Zeiten angegeben, zu denen die Werte erfaßt wurden. Die Ist-Lagen der Striche können dabei durch Interpolation des Intensitätsverlaufs sub-pixel-genau ermittelt werden.
In Schritt S28 wird dann eine Abweichungsfunktion ermittelt, die die Abweichungen Δs als Funktion der Zeit t während der Bewegung und nicht als Funktion der Pixelnummer p darstellt. Eine solche Funktion, die nur durch die Werte an den Erfassungszeitpunkten gegeben ist, ist teilweise und beispielhaft in 10 dargestellt. Die erfaßten und den Pixeln zugeordneten Abweichungswerte werden dazu so umgeordnet, daß sie nach ihrer Erfassungszeit geordnet sind. Die Werte in den fünf verschiedenen Perioden der Prüfbewegung werden dazu unterschiedlich behandelt:

In der Zeit zwischen 0 und t₁, in der der Antrieb 32 und der Spiegel 33 vom Stillstand im Umkehrpunkt bzw. der ersten Endlage der Bewegung auf die gewünschte Scangeschwindigkeit beschleunigt wird, werden keine Abweichungen ermittelt. Daher brauchen für diesen Zeitraum auch keine Bildpunkte erfaßt zu werden.

Bei der Hinbewegung zwischen den Zeiten t₁ und t₂ bewegt der Scanner 14 den Fokus 17 mit entsprechend der Güte der aktuellen Kalibrierung wenigstens näherungsweise konstanter Geschwindigkeit, wobei die in konstanten Zeitabständen die Intensitäts- bzw. Energiewerte erfaßt werden. Diese werden nacheinander Pixeln mit aufsteigender Ordinalzahl für die y-Richtung zugeordnet. Den Pixeln bzw. den Abweichungen werden daher als Zeiten die Erfassungszeiten t_p zugeordnet. Diese ergeben sich aus der Ordinalzahl p des Pixels multipliziert mit dem konstanten Zeitabstand Δt zwischen der Erfassung unmittelbar aufeinanderfolgender Intensitätswerte zuzüglich der Zeit t₁: $t_{p} = p Δ t + t_{1}$
Ein Umordnen ist daher nicht notwendig.
Zwischen den Zeiten t₂ und t₃, d.h. der Umkehrzeit für das Abbremsen bis in die zweite Endlage und das Beschleunigen aus der zweiten Endlage in Richtung der ersten Endlage, werden keine Abweichungen bestimmt, so daß auch hier keine Intensitäten erfaßt zu werden brauchen.
Bei der Rückbewegung zwischen den Zeiten t₃ und t₄ bewegt der Scanner den Fokus 17 mit entsprechend der Güte der aktuellen Kalibrierung wenigstens näherungsweise konstanter Geschwindigkeit, wobei die in konstanten Zeitabständen die Intensitäts- bzw. Energiewerte erfaßt werden. Diese werden jedoch wegen der Rückbewegung zeitlich nacheinander Pixeln mit absteigender Ordinalzahl für die y-Richtung zugeordnet. Jedem der Pixel wird daher für die Rückbewegung die Erfassungszeit t_p zugeordnet, die sich beispielsweise aus der Maximalzahl p_max der erfaßten Pixel, der Ordinalzahl p des jeweiligen Pixels und dem Zeitabstand zwischen der Erfassung der Intensität für zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Pixel sowie der Zeit t₃ ergibt: $t_{p} = (p_{m a x} - p) Δ t + t_{3}$
Diese Zeiten werden den Abweichungen für die Pixel bei der Rückbewegung zugeordnet, wobei diese entsprechend den Zeiten t_p umgeordnet werden, indem deren Reihenfolge umgekehrt wird.
In dem Zeitraum zwischen den Zeiten t₄ und t₅, in dem in der ersten Hälfte der Umkehrbewegung der Antrieb 32 und der Spiegel 33 abgebremst werden, um dann in der ersten Endlage die Geschwindigkeit Null zu erreichen, werden wiederum keine Abweichungswerte ermittelt.
Das Ergebnis dieses Schritts ist eine Referenzfunktion bzw. Kurve für die Abweichungen der Ist-Prüfbewegung von der Soll-Prüfbewegung ermittelt anhand eines bidirektional aufgenommenen Bildes der Referenzprobe mit in ihren Relativlagen zueinander bekannten Strukturen. Die Stützstellen, an denen die Abweichungen, d.h. die Werte der Abweichungsfunktion gegeben sind, sind dabei nicht äquidistant, vielmehr treten durch die Umkehrperioden verursachte Lücken auf.
In Schritt S30 werden nun eine Testfrequenz auf die Grundfrequenz und ein Parameter k_test auf den Wert 1 gesetzt.
In Schritt S32 wird zu dem Ansteuersignal eine Frequenzkomponente Z(t) mit der Testfrequenz k_testf addiert, deren Amplitude δs vorzugsweise so gewählt ist, daß sie einerseits deutlich kleiner ist als der Wert der Amplitude s_ktest, andererseits aber eine durch die Änderung hervorgerufene Änderung der Abweichung Δs noch mit nur geringem Fehler detektierbar ist. Die Phase φ_Z der hinzugefügten harmonischen Funktion wird vorteilhafterweise so gewählt, daß die resultierende Abweichungskurve näherungsweise symmetrisch zum Mittelpunkt der Hin- und Rückbewegung liegt. Dies erleichtert die Auswertung der Antwort auf die Änderung.
Dann werden wiederum die Schritte S18 bis S28 mit den veränderten Frequenzanteilen als Ausgangswerte für die Ermittlung der Anfangswerte durchgeführt, wobei eine geänderte Abweichungsfunktion erhalten wird. Diese Schritte sind in 5 durch einen Block S34 dargestellt.
In Schritt S36 wird dann die Differenzfunktion der in Block S34 ermittelten Abweichungsfunktion und der in Block S10 erhaltenen Referenzabweichungsfunktion ermittelt. Die Differenz ist die Antwort des Scanners auf die zusätzlich angebrachte Anregung, die durch die Frequenzkomponente Z(t) beschrieben wird. Die Antwort ist, wenn ein lineares System vorausgesetzt wird, wiederum eine harmonische Funktion mit der Testfrequenz, aber gegenüber der Frequenzkomponente der Soll-Prüfbewegung geänderter Amplitude und Phase.
In Schritt S38 werden daher Amplitude Am und Phase P_m der Differenz- bzw. Antwortfunktion durch Anpassung mit einer harmonischen Funktion ermittelt.
In Schritt S40 wird dann die Übertragungsfunktion des Scanners korrigiert, indem die Frequenzkomponente der Übertragungsfunktion für die Testfrequenz geändert wird. Dazu werden der Amplituden- und der Phasenanteil U_A bzw. U_P anhand der Amplitude Am und Phase P_m der Antwortkurve und der Amplitude δs und Phase φ_z ermittelt und statt der bisher gespeicherten Werte gespeichert. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Amplituden- und der Phasenanteil U_A bzw. U_P anhand der Amplitude und Phase der Antwortkurve und der Amplitude und Phase jeweils als gleitender Mittelwert über mehrere, beispielsweise 4 oder 5 Messungen ermittelt werden.
In Schritt S42 wird dann der Wert k_test um 1 erhöht. Ist der resultierende Wert kleiner als N, so wird die Testfrequenz auf den Wert k_test·f gesetzt und das Verfahren mit Schritt S32 fortgesetzt. Andernfalls wird das Korrekturverfahren beendet.
Auf diese Weise wird die Übertragungsfunktion des Scanners über den ganzen verwendeten Frequenzbereich so korrigiert, daß die Abweichungen zwischen Soll-Bewegung und Ist-Bewegung des Fokus 17 reduziert, im Idealfall minimiert, werden. Diese Korrektur ist gleichzeitig als Ermittlung der optischen Übertragungsfunktion anzusehen.
Unmittelbar nach der Ermittlung der optischen Übertragungsfunktion wird eine Antriebseinheitsübertragungsfunktion ermittelt, die bei Verwendung der oben verwendeten Fourier-Darstellung ebenfalls einen Amplitudenanteil U_A, _el und einen Phasenanteil U_P, _el aufweist.
Diese Antriebseinheitsübertragungsfunktion wird von der Scansteuereinheit 35 bzw. dem Signalprozessor darin folgendermaßen ermittelt.
Für die Grundfrequenz und jede der verwendeten Oberfrequenzen wird über die Scansteuereinheit 35 jeweils eine harmonische Ansteuerspannung bekannter Amplitude erzeugt und dem Antrieb 30 zugeführt. Dabei wird das Rückmeldesignal des Stellungssensors 31 erfaßt, das ebenfalls eine harmonische Funktion gleicher Frequenz, aber im allgemeinen mit anderer Amplitude und anderer Phase ist. Als Frequenzkomponente des Amplitudenanteils U_A,el wird das Verhältnis der Amplitude des Rückmeldesignals zu der Amplitude der Ansteuerspannung verwendet und als Frequenzkomponente des Phasenanteils U_P,el die Differenz zwischen der Phase des Ansteuersignals und der Phase des Rückmeldesignals. Die für die jeweiligen Frequenzen ermittelten Werte werden wie die der optischen Übertragungsfunktion in einer Tabelle als Funktion der Frequenz gespeichert.
Bei dem Korrekturverfahren nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nun ausgehend von der gespeicherten optischen Übertragungsfunktion und der gespeicherten Antriebseinheitsübertragungsfunktion eine Korrektur durchgeführt.
Dazu ist die Scansteuereinheit 35 so programmiert, daß diese nach dem Einschalten und einer vorgegebenen Aufwärmzeit von im Beispiel etwa 5 Minuten seit Einschalten des Scanners 14 wie zuvor geschildert für eine gespeicherte Frequenz k_test·f aktuelle Werte U_A,_el _akt(k_test·f) und U_P, _el _akt(k_test·f) für die Antriebseinheitsübertragungsfunktion ermittelt. Dazu verfügt sie über eine über Software implementierte Zeitschalteinrichtung, die den Ablauf der vorgegebenen Aufwärmzeit überwacht.
In dem folgenden Schritt wird dann die optische Übertragungsfunktion gemäß folgender Formeln korrigiert, in der zur besseren Unterscheidung die optische Übertragungsfunktion nun statt mit U mit U_optisch bezeichnet ist: $U_{A, o p t i s c h, k o r r} (k_{t e s t} f) = \frac{U_{A, o p t i s c h} (k_{t e s t} f)}{U_{A, e l} (k_{t e s t} f)} U_{A, e l, a k t} (k_{t e s t} f)$
und $U_{A, o p t i s c h, k o r r} (k_{t e s t} f) = U_{P, o p t i s c h} (k_{t e s t} f) - U_{P, e l} (k_{t e s t} f) + U_{P, e l, a k t} (k_{t e s t} f) .$
Die zuletzt gespeicherten Werte U_A, _optisch(k_test·f)und U_P, _optisch(k_test·f) werden dann im Speicher 28 durch die ermittelten Werte ersetzt.
Daraufhin wird der Index k_test um 1 erhöht. Wenn er den Höchstwert N überschreitet, wird k_test zurück auf 1 gesetzt, so daß bei der nächsten Korrektur eine Korrektur für die Grundfrequenz durchgeführt wird.
Im Laufe der Zeit ergibt sich so eine Korrektur für alle Frequenzen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Programmierung der Scansteuereinheit 35 und gegebenenfalls der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 in der Art geändert, daß der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt für mehrere vorgegebene Frequenzen durchgeführt werden. Dabei sind die Frequenzen, beispielsweise 5 Frequenzen bei etwa 30 verwendeten Oberfrequenzen, gleichmäßig über den gesamten verwendeten Frequenzbereich gestreut. Mittels eines Interpolationsmodells, beispielsweise Ausgleichssplines in einer doppeltlogarithmischen Darstellung, können dann Werte für die dazwischen liegenden Frequenzen interpoliert werden. Bei einer Wiederholung der Korrektur werden jeweils andere 5 Frequenzen, die beispielsweise um die Grundfrequenz erhöht sind, verwendet. Auf diese Weise kann bei jeder Durchführung eine bessere Korrektur erzielt werden.
Es können bei anderen bevorzugten Ausführungsformen auch andere Modelle verwendet werden, bei denen eine funktionale Form der Frequenzabhängigkeit durch eine parametrisierte Funktion vorgegeben ist. Die Parameter können dann durch Anpassung bestimmt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann durch entsprechende Programmierung der Scansteuereinheit 35 und der Steuer- und Auswerteeinheit 8 eine Auslösung des Korrekturverfahrens altemativ oder zusätzlich manuell bei Bedarf gestartet werden.
Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nicht die Übertragungsfunktion korrigiert, sondem es werden die die Soll-Bewegung bzw. die entsprechenden Ansteuersignale darstellenden Parameter s_k und (φ_k korrigiert. Dazu ist die Programmierung der Scansteuereinheit 35 entsprechend geändert, die anderen Komponenten des Scanners und des Laser-Scanning-Mikroskops bleiben unverändert, so daß die Ausführungen zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen auch hier gelten. Die Formeln für die korrigierten Fourier-Amplituden und -Phasen s_ktest, _korr und φ_ktest. _korr lauten dann $s_{k t e s t, k o r r} = \frac{U_{A, e l} (k_{t e s t} f)}{U_{A, e l, a k t} (k_{t e s t} f)} s_{k t e s t}$
und $φ_{k t e s t, k o r r} = φ_{k t e s t} + U_{P, e l} (k_{t e s t} f) - U_{P, e l, a k t} (k_{t e s t} f),$
wobei s_ktest und φ_ktest die vor der Korrektur gespeicherten Parameterwerte bezeichnen, die zur gleichen Zeit ermittelt und gespeichert wurden wie U_A.el und U_P,el.
Die Ansteuerung der Scanner erfolgt dann ab diesem Zeitpunkt mit den Parametern s_ktest,korr und φ_ktest,korr. Die Originalparameter s_ktest und φ_ktest der Ansteuersignale und die zugehörigen Parameter U_A,el und U_P,el der Übertragungsfunktion werden für die Korrektur weiterer Frequenzkomponenten bzw. für die erneute spätere Korrektur derselben Frequenzkomponente im Speicher 28 gehalten.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines optischen Scanners (14), der ein strahlablenkendes Element (31) zur Ablenkung eines Strahls optischer Strahlung und eine Antriebseinheit (30, 30', 35) zur Bewegung des strahlablenkenden Elements (31) aufweist, wobei - die Antriebseinheit (30, 30', 35) gemäß Ansteuersignalen, angesteuert wird und - in einem Ermittlungsschritt für wenigstens eine vorgegebene Frequenz ein aktueller Wert einer Antriebseinheitsübertragungsfunktion, die die Antwort der Antriebseinheit (30, 30', 35) auf Ansteuersignale für eine vorgegebene Soll-Bewegung oder Änderung einer Soll-Bewegung wiedergibt, ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuerung auf Basis einer optischen Übertragungsfunktion erfolgt und - in einem Korrekturschritt in Abhängigkeit vom aktuellen Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion die optische Übertragungsfunktion korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die optische Übertragungsfunktion aus der Abtastung einer Referenzprobe (2) mit in ihren Relativlagen zueinander bekannten Strukturen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt in vorgegebenen zeitlichen Abständen wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt bei jedem Einschalten des Scanners (14) oder in einem vorgegebenen Zeitabstand nach jedem Einschalten durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt wiederholt wird, und die in diesen Schritten verwendete Frequenz bei jeder Wiederholung geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ermittlungsschritt und der Korrekturschritt für mehrere vorgegebene Frequenzen durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Korrekturschritt eine Abweichung des aktuellen Wertes der Antriebseinheitsübertragungsfunktion von einem entsprechenden früher gespeicherten Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion, der innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls vor oder nach der Ermittlung des Wertes der aktuell verwendeten optischen Übertragungsfunktion bei der Frequenz ermittelt wurde, bestimmt wird und die Abweichung zur Korrektur verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Korrekturschritt die Korrektur für die wenigstens eine Frequenz durchgeführt wird und zur Korrektur für andere Frequenzen ein Modell für die Frequenzabhängigkeit der zu korrigierenden Übertragungsfunktion bestimmt wird.
Optischer Scanner mit einem strahlablenkenden Element (31) zur Ablenkung eines Strahls optischer Strahlung und einer Antriebseinheit (30, 30', 35) zur Bewegung des strahlablenkenden Elements (31) und einer mit der Antriebseinheit (30, 30') zur Übermittlung von Ansteuersignalen verbundenen Scansteuereinheit (35), die zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Optischer Scanner nach Anspruch 9, bei dem die Antriebseinheit (30, 30') einen Schrittmotor zur Bewegung des strahlablenkenden Elements (31) und/oder einen Stellungssensor (32) zur Erfassung der Stellung eines Motors oder eines mechanischen Koppelelements der Antriebseinheit (30, 30') aufweist und die Scansteuereinheit (35) weiter so ausgebildet ist, daß im Ermittlungsschritt die Stellung des Schrittmotors oder ein Stellungssignal des Stellungssensors (32) dazu verwendet wird, um den aktueller Wert der Antriebseinheitsübertragungsfunktion zu ermitteln.
Optischer Scanner nach Anspruch 9 oder 10, der eine Zeitschalteinrichtung aufweist, die die Scansteuereinheit (35) wiederholt in vorgegebenen zeitlichen Abständen so ansteuert, daß diese den Ermittlungs- und den Korrekturschritt ausführt.
Laser-Scanning-Mikroskop mit einem optischen Scanner nach einem der Ansprüche 9 bis 11.