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Die Erfindung betrifft eine mechanische Vorrichtung zur präzisen Positionieriung und Führung eines Mess- oder Manipulationselements in mindestens zwei Achsen (Scanner), mit Verfahrwegen bis zu mehreren Millimetern, in kompakter Bauweise, gekennzeichnet durch eine erste Stufe bestehend aus einen Schwingarm der eine von Biegeelementen in einer Ebene geführte zweite Stufe in zwei Achsen bewegt.
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Stand der Technik
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Mechanische Mikropisitioniersysteme (Scanner) werden in verschiedenen Anwendungen der Mikroskopie, Probenmesstechnik, Mikromanipulation und Mikrofertigung eingesetzt. Besondere Beduetung kommt hierbei rastenden Verfahren zu, bei denen ein Meß- oder Manipulationselement sequentiell, zum Beispiel zeilenweise, mit einer ausgedehnten Probenfläche interagiert.
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Beispiele für solche Verfahren sind die Rastersondenmikroskopie (STM, AFM, SNOM, SICM, TERS), Ultraschallmikroskopie, Konfokalmikroskopie, Nanoindenter, Stylus-Profilometrie, Dip-Pen Lithografie, Scanning-Probe Lithografie. Für diese Verfahren ist es allgemein notwendig, eine relative mechanische Positionierung und Führung zwischen Probe/Werkstück und Mess/Manipulatiuonselement zu erwirken. Hierfür sind mechanische Scanner aus Patentliteratur, akademischen Veröffentlichungen und Produkten am Markt bekannt und gebräuchlich. Scanner können kategorisiert werden in solche, die die Probe bewegen, solche, die das Meßelement bewegen, und Mischformen.
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Da ein großer Anwendungsbereich dieser Verfahren auf mikroskopischer Skala stattfindet, ist häufig eine Integration mit optischer Mikroskopie wünschenswert.
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Hier existiert einerseits ein großes Spektrum an Proben-seitigen Scannern, häufig auf Piezoelektrischer Basis, und andererseits motorgetriebene Probenpositionierung.
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Andererseits existieren einige Speziallösungen zur Erzeugung von Scanbewegungen auf der Objektivseite des optischen Mikroskops, oder im Strahlengang des optischen Mikroskops.
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Beispiele für das scannen des Strahlengangs sind Konfokalmikroskope und deren Varianten (STED, STORM, FLIM). Beispiele für ein mechanisches scannen eines Elements an oder in einem Mikroskop-Objektiv sind Elemente zur Fein-fokussierung optischer Objektive (z. B. PiFOC (Physik Instrumente, Karlsruhe, und
DE 10 2011 121 928 A1 ), und zur einachsigen Ablenkung des optischen Strahlengangs durch scannen der Objektivlinse (
US5,880,465 ).
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Beispiele für das scannen eines Mess- oder Manipulationselements in der Position des Mikroskop-Objektivs sind Objektiv-AFMs (z. B. UltraObjektiv, Surface Imaging Systems, SIS, jetzt Bruker Corp.). Die Integration nicht-optischer Meß- und Manipulationsverfahren im Formfaktor eines Standard-Mikroskopobjektivs erlaubt die flexible Integration dieser Verfahren in existierende Mikroskop-Aufbauten, und, durch Objektivwechsel unter Verwendung des oft vorhandenen Wechselmechanismus, die abwechselnde und kolokalisierte Verwendung des nicht-optischen Meß- und Manipulationsverfahrens und der Mikroskop-Optik.
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Nachteile Stand der Technik
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Probenseitige Scanner bewegen die Probe/das Werkstück. Das Spektrum an verwendbaren Proben wird dadurch eingeschränkt. Große und schwere Proben können nicht oder nur langsam bewegt werden. Empfindliche, z. B. zellbiologische Proben könnten durch die auftretenden Beschleunigungen beeinflußt werden. Eine gleichzeitige optische Beobachtung der Probe mit klassischer Lichtmikroskopie (zum Beispiel in einem Invertmikroskop von unten) ist bei bewegter Probe nicht oder nur eingeschränkt möglich.
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Existierende Objektivscanner haben relativ kleine Scanbereiche. Zum Beispiel hat die größte (und damit in ihrer Höhe nicht mehr standardmäßige) Bauform des UltraObjective AFM der Firma SIS einen Scanbereich von 200 × 200 um. Dies bedeutet eine erhebliche Einschränkung der möglichen Anwendungen, zum Beispiel für materialwissenschaftliche Anwendungen oder Anwendungen auf ganzen Gewebeproben, mit optischen, mechanischen und akustischen Meßmodalitäten. Außerdem besteht gegenwärtig ein Trend, meßmodalitäten aus den Nano-Wissenschaften auf makroskopischere Problemstellungen anzuwenden.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Erfindung ermöglicht die Realisierung von großen Scanbereichen bis zu mehreren Millimetern in mindestens zwei Achsen im Formfaktor eines Standard-Mikroskopobjektivs (Zeichnung 1c). Der Mechanismus ist in einer Reihe von möglichen Implementationen vollständig reibungsfrei, und damit in seiner Positionsauflösung prinzipiell nicht beschränkt. Der Mechanismus ergibt außerdem einen grundsätzlich „flachen” Scan (Translation in der XY-Ebene mit nur geringer parasitärer Z-Bewegung), anstatt einer Rotation mit Drehpunkt innerhalb des Mechanismus.
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Ihre Geometrie ermöglicht außerdem die Verwendung des optischen Strahlenganges des tragenden Mikroskops als primäre oder sekundäre Meß- und/oder Manipulationsmodalität.
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Lösung der Aufgabe
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Der erfindungsgemäße Mechanismus besteht aus einem zweistufigen Antriebskonzept.
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Die Erste Stufe besteht aus einem Schwingarm (A) mit zwei Rotations-Freiheitsgraden, angetrieben durch zwei oder mehr Aktuatoren (B), welche auf den Schwingarm (positive oder negative) Kraft ausüben, welche zur Rotation des Pendelarms in beiden Freiheitsgraden führt. Im Falle der Verwendung vom mehr als einem Aktuator pro Rotationsachse werden diese so angetrieben, daß sie gemeinsam eine Rotationskraft auf den Schwingarm ausüben (B&C). In einer Implementation (Zeichnung 1b) sind vier Voice-Coil-Aktuatoren (B1–B4) parallel zum Pendelarm, und in rechten Winkeln um diesen herum, angeordnet, und wirken auf den Pendelarm via je eines Hebelarmes (D), der starr mit dem Pendelarm gekoppelt ist. Die Hebelarme befinden sich in Ihrer Höhe nahe am Drehpunkt (E) des Pendelarmes, der hier durch eine Pendelarm Aufhängung (F), eine flexible Aufhängung mit hoher lateraler Steifigkeit, und niedrigerer Steifigkeit gegenüber kleinen Rotationen, aus entsprechend ausgeschnittenem Blech realisiert ist.
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Die zweite Stufe besteht aus einer zentralen Aufnahme (G) welche durch XY-Flexuren (H), gebogene, flächige Biegeelemente mit einem in Ruhe befindlichen Gehäuse (I) verbunden ist.
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Zur weiteren Beschreibung werden Koordinatenachsen definiert als Z – entlang des in Ruhe befindlichen Schwingarms, und X und Y als orthogonal zu Z und zueinander.
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Die flächigen Biegeelemente erlauben eine Bewegung der zentralen Aufnahme in der XY-Ebene. Die Form der Elemente ergibt sich aus der Projektion einer in der XY-Ebene gedachten Kurve in die Z-Ebene. Hieraus ergeben sich Elemente mit hohem X-Z und Y-Z Aspektverhältnis, und einer resultierenden hohen Steifigkeit in Z, und niedrigen Steifigkeit in X und Y. In einer Implementation (Zeichnung 1) sind die Biegeelemente 3 dünnwandige Röhren, orientiert entlang der Z-Achse, und gleichmäßig angeordnet um die zentrale Aufnahme herum, und in mechanischer Verbindung mit dieser (J) und mit dem in Ruhe befindlichen Gehäuse (K).
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Die beiden Stufen sind miteinander gekoppelt durch ein Koppelelement (L), ein weiteres Biegeelement, welches das freie Ende des Pendelarms verbindet mit der zentralen Aufnahme, mit den Eigenschaften hoher Steifigkeit gegenüber Scherkräften, und niedriger Steifigkeit gegenüber einem Winkelversatz.
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Diese Eigenschaften werden von hinreichend kurzen Biegeelementen gut realisiert, da für eine Winkelveränderung nur eine einzige Verbiegung des Elements nötig ist, für die Aufnahme von aus Scherkräften resultierendem Versatz dagegen eine hin- und Rückverbiegung, mit nur halb solangen Hebelarmen, und entsprechend 2^4 = 16 mal höherer Steifigkeit gegenüber Scherung.
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In einer Implementation (Zeichnung 1) ist dieses Biegeelement ein kurzer Metallbalgen. Der Metallbalgen hat den weiteren Vorteil nidriger Steifigkeit gegemüber Längenveränderung, und hilft damit, die aus der Pendelbewegung des Schwingarms resultierende Z-Komponente von der zweiten Stufe zu entkoppeln.
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Vorteile der Erfindung
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Die größe von Aktuatoren skaliert mit ihrem Stellbereich. Dies gillt insbesondere für reibungsfreie Aktuatoren (Piezos, Piezo-Stacks, Piezo Bender, Voice Coils). Um einen XY-Scanner mit mehreren Millimetern Stellbereich kompakt, also z. B. im Formfaktor eines Mikroskop-Objektivs zu bauen, ist es nicht möglich, die Aktuatoren in der XY-Ebene neben der gescanten Stufe (in unserem Mechanismus: der zentralen Aufnahme) anzuordnen. Die Einkopplung mittels eines Pendelarms erlaubt die Anordnung der Aktuatoren oberhalb der zentralen Aufnahme.
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Die Verwendung eines Schwingarms erlaubt darüber hinaus eine mechanische Über- oder Untersetzung der Aktuatorbewegung auf die zentrale Aufnahme. In einer Implementation (Zeichnung 1b) beträgt der Übersetzungsfaktor aus dem Verhältnis Länge Pendelarm/Längen Hebelarm = (ca.) 2,5/1.
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Die separate Führung der zentralen Aufnahme durch die XY-Flexuren führt zu einer sehr „flachen” Bewegungsantwort der zentralen Aufnahme, also einer Bewegung in der XY-Ebene mit sehr geringem (unerwünschtem) Anteil in Z-Richtung. Der Pendelarm kann als Rohr ausgeführt werden, in Kombination mit einem röhrenförmigen Koppelelement ergibt sich ein freier optischer Pfad.
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Ausführungsbeispiele
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Im Primären Ausführungsbeispiel der Erfindung (Zeichnung 1a–c) wirken je zwei Voice-Coil-Aktuatoren (B und C) pro Achse (also insgesamt vier) mit jeweils entgegengesetzter Kraftrichtung auf die Hebelarme (D) des Schwingarms (A) (Zeichnung 2). Die die Magnetspule enthaltenden Gehäuse der Aktuatoren sind starr mit dem in Ruhe befindlichen Gehäuse (I) verbunden. Der Drehpunkt (E) wird definiert durch die Pendelarm-Aufhängung (F), welche aus einem dünnen Blech geschnitten (gelasert, geäzt) wurde, und aufgrund ihres hohen Aspekt-Verhältnisses den Pendelarm im Kontaktbereich der Aufhängung gegenüber Translationen in der XY-Ebene steif mit dem in Ruhe befindlichen Gehäuse (I) verbindet, aber kleine Rotationen um den Drehpunkt unter relativ kleiner Krafteinwirkung zuläßt.
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Die resultierende Rotation des Schwingarms (dα) um den Drehpunkt bewegt das Koppelelement (L) mit, welches an seinem anderen Ende mit der Zentralen Aufnahme (G) verbunden ist. Das Koppelelement ist so ausgelegt, dass es gegenüber Scherkräften in X/Y relativ steif ist, gegenüber einer kleinen Verbiegung jedoch relativ weich. In diesem Ausführungsbeispiel ist dies durch einen kurzen Metallbalgen aus elektrochemisch abgeschiedenem Nickel realisiert.
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Die Zentrale Aufnahme ist weiterhin in dem sich in Ruhe befindlichen Gehäuse (I) mittels mehrerer (hier: dreier) XY-Flexuren (H) aufgehängt.
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Die XY-Flexuren lassen aufgrund ihres hohen Aspekt-Verhältnisses Translationen (dx, dy) der zentralen Aufnahme in der XY-Ebene zu, sind jedoch steif gegenüber Translationen in Z, sowie Rotationen um die X- und Y Achsen.
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Die XY-Position der zentralen Aufnahme wird also durch die Position des Koppelelementes am Ende des Schwingarms dominiert, da sich dieser gegenüber XY-Translationen (Scherkräften) steif verhält, während die XY-Flexuren sich in dieser Ebene weich verhalten (Zeichnung 2c, 2d).
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Die Z-Position der zentralen Aufnahme wird hingegen durch das steife Verhalten der XY-Flexuren dominiert, das heißt konstant gehalten gegenüber dem sich in Ruhe befindlichen Gehäuse. Dies gilt in besonderem Maße, wenn das Koppelelement sich gegenüber Längenveränderungen relativ weich verhält, wie dies für den hier verwendeten Metallbalgen der Fall ist.
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Im allgemeinen ergibt sich aus den Federgesetzen, das sich die Position der Zentralen Aufnahme in jeder Achse sich ergibt aus dem Steifigkeitsverhältnis der Flexuren in jeder Achse. In der XY-Ebene ist dies der Quotient aus der hohen Schersteifigkeit des Kopplungselements, und der niedrigen Transaltionssteifigkeit der XY-Flexuren, u. s. w.
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In der zentralen Aufnahme gehalten befindet sich ein Meßkopf (M), welcher z. B. Optische, mechanische, akustische, elektronisch, usw. Komponenten enthält, um mit der Probe (dem Werkstück) zu interagieren, an diesem Messungen vorzunehmen, oder diese zu verändern. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Elektroakustisches Element mit kleinem Fokusbereich, welches aus der akustischen Mikroskopie bekannt ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Pendelarm hohl/Röhrenförmig, der Metallbalgen ist dies auch. Daraus ergibt sich ein offener optischer Strahlengang. Zeichnung 1c zeigt die Außenansicht der Ausführung der Erfindung, im Formfaktor eines Standard-Mikroskopobjektivs, mit Objektivgewinde (N).
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Durch Erhalt des Strahlenganges ergeben sich viele Anwendungsmöglichkeiten, welche die Mess- und Interaktionsmöglichkeiten der Optik des tragenden optischen Mikroskops mit einbeziehen.
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Für das Beispiel der akustischen Mikroskopie würde der Meßkopf zeilenweise über die Oberfläche der Probe geführt (gescannt). Dies geschieht durch Anlegen von Sukzessive positiveren Spannungen an einem Aktuator einer Achse, und gleichzeitigem Anlegen von sukzessive negativeren Spannungen am gegenüberliegenden Aktuator. Beim Erreichen des Zeilenendes beginnt man nun, die jeweiligen Spannungsrampen rückwärts zu fahren, also die hohe Spannung sukzessive zu erniedrigen und die niedrige zu erhöhen. Dadurch wird der Meßkopf zu seiner Anfangslage zurückgeführt. Gleichzeitig kann mit um einen großen Faktor niedrigerer Rate das andere Aktuator-Paar in gleicher Weise betrieben werden, dadurch ergibt sich ein zeilenweises Abrastern eines Rechtecks.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ihr symmetrischer Aufbau in beiden Achsen: da beide Achsen gleich aufgebaut sind, ergibt sich keine Vorzugsrichtung, also z. B. keine Achse mit scnellerer und einer mit langsamerer mechanischer Antwort. Aus disem Grund können schnelle und langsame Scanachse auch getauscht werden, bei Bildgebenden Verfahren ergibt sich hieraus eine Bildrotation. Weiterhin können beide Achsen auch mit sich aus der Vektorgeometrie bekannten Überlagerungen von X- und Y-Signal betrieben werden, dadurch werden beliebige Scan- bzw. Bildwinkel realisiert.
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Neben diesem primären Ausführungsbeispiel sind eine Reihe von Varianten für die verschiedenen Elemente der Erfindung denkbar:
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Ausführungsbeispiele Koppelelemente:
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Zeichnung 3 zeigt eine Reihe alternativer Koppelelemente. 3a zeigt einen Querschnitt des verwendeten Metallbalgens, welcher die Pendelbewegung des Schwingarms (A) um seinen Drehpunkt (E) mit der zentralen Aufnahme (G) koppelt. Die Steifigkeit des Balgens ist im Querschnitt nicht sofort erkennbar, sie ergibt sich aus den Eigenschaften des gezeigten Profils als Rotationskörper.
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Eine weitere Ausführungsform ist die Kopplung durch einen Draht (O). Dieser lässt eine einfache Verbiegung 16× einfacher zu als eine Scherbewegung, dies ergibt sich aus der Abhängigkeit der Federkonstante vom Balken von ihrer Länge. Für eine Scherung muss der Draht hin- und wieder zurückgebogen werden, das heißt pro Verbiegung steht nur die halbe Drahtlänge zur Verfügung.
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Die Verwendung des Drahtes als Koppelelement besitzt zwei Nachteile: Einerseits kann bei einem in der Mitte befindlichen Draht kein offener optischer Strahlengang mehr realisiert werden (bei exzentrischer Positionierung wäre die möglich, kann aber zu asymmetrischem Koppelverhalten führen), andererseits ist der Draht steif gegenüber Translation, das heißt die sich aus der Pendelbewegung ergebende vertikale Bewegungskomponente des Pendelarms wird effizienter in die zentrale Aufnahme übertragen, und kann von den XY-Flexuren weniger effizient unterdrückt werden.
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Die in Zeichnung 3c gezeigte Variante verwendet kein Biegeelement zur Kopplung, stattdessen befindet sich eine Kugel (Q) in einer Kugelaufnahme (P). Die Kugel kann eine polierte Stahlkugel sein wie sie in Kugellagern verwendet wird. Die Aufnahme kann ein Element aus hartem Material mit einer Trichterförmigen Vertiefung sein, z. B. ein sogenanntes „V-Jewel”, wie es aus Saphir oder Rubin für feinmechanische Mechanismen erhältlich ist. Eine weitere Möglichkeit für die Kugelaufnahme wäre eine Kinematische Aufnahme, bestehend aus drei im Dreieck gesetzten Kugeln, welche gemeinsam drei Kontaktpunkte für die Kugel Q definieren.
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Alle Mechanismen unter 3c haben die Nachteile, dass sie a) den optischen Pfad blockieren, und b) (im Gegensatz zu Biegeelementen) nicht reibungsfrei sind. Dies hat eine Hysteretische Positionsantwort des Scanners auf an die Aktuatoren angelegte Spannungen zur Folge, dies bedeutet, dass die Position des Scanners nicht nur von den angelegten Spannungen, sondern auch von seinen früher ausgeführten Bewegungen abhängt.
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Zeichnung 3d zeigt eine weitere Variante, bestehend aus einer Röhre mit Einschnitten, welche mehrere jeweils einachsige Biegepunkte definieren, welche im Zusammenspiel eine Mehrachsige Verbiegung zulassen. Ähnliche Elemente sind als Motor/Achskupplungen mit Winkeltoleranz bekannt.
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Diese Ausführung hat potentiell keine Nachteile gegenüber dem Metallbalgen.
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Ausführungsbeispiele XY-Flexuren:
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Zeichnung 4 zeigt eine Reihe verschiedener Ausführungsformen für die XY-Flexuren.
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Zeichnung 4a zeigt die aus Zeichnung 1 und 2 bekannten, dünnwandigen Rühren. Diese können durch das abschneiden (z. B. durch Laser, Drahterosion) von entsprechendem Röhrenmaterial, oder durch elektrochemische Abscheidung realisiert werden. Nützliche Wandstärken liegen im Bereich zwischen 2 und 30 Mikrometern.
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Die Röhren sind mit ihrer Außenwand im Kontakt mit der zentralen Aufnahme, und andererseits mit dem in Ruhe befindlichen Gehäuse, und werden dort befestigt. Dies kann geschehen durch im Rohrinneren befindliche Teile, welche durch die Röhrenwand hindurch mit der Aufnahme bzw. dem Gehäuse verschraubt werden. Weitere Alternativen sind das Verkleben, verlöten, oder Verschweißen (z. B. Laser-Schweißen).
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Die Röhrenform hat den Nachteil eines nichtlinearen Steifigkeitsverhaltens bei relative geringen Auslenkungen- das Röhrenprofil wird bei Kompression weicher (bis zur Knickbildung), bei Elongation steifer. Zeichnung 4c zeigt eine Röhrenform mit zusätzlichen Wellen, welche den linearen Stellbereich der XY-flexuren verlängern. Alternativ kann eine elliptische Form durch ihre bei gleich breitem Bauraum längeres Profil den linearen Stellbereich in begrenztem Maße vergrößern. Zeichnung 4b zeigt eine Variante, welche auch ein Wellenförmiges Profil nutzt, allerdings wird hier keine Röhrenform verwendet. Entsprechende Elemente könnten durch Prägen/Tiefziehen von Blech, oder durch elektrochemische Abscheidung erzeugt werden, und an ihren Enden (direkt oder mittels eines weiteren Elements) verklebt, verlötet, verschweißt, eingeklemmt oder verschraubt werden. zeigt eine Implementation welche die XY-Flexur auf ihr Grundprinzip reduziert: Die Projektion eines Profils in der XY-Ebene, welches sowohl Abschnitte in X-Richtung als auch Abschnitte in Y-Richtung enthält, in die Z-Richtung.
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Ausführungsbeispiel 4e zeigt die Implementation mit Hilfe von Rechteckigen Metallbalgen mit hohem X-Z-Aspektverhältnis. Der Abschluß des Profils an der Ober- und Unterseite trägt nicht positiv zum Steifigkeitsverhältnis der Flexur bei, kann jedoch die Produktionsrobustheit erhöhen und die negativen Folgen von Überlastung in der Z-Richtung reduzieren.
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Variante 4f zeigt die alternative Verwendung eines Gleit- oder Kugellagers zur Führung der zentralen Aufnahme in der X-Z Ebene. Diese Ausführung hat den Vorteil hoher Steifigkeit in Z, aber ist nicht reibungsfrei, mit den unter „Kopplungselemente” diskutierten Nachteilen.
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Ausführungsbeispiele Pendelarm-Aufhängung
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Der Pendelarm (A) ist so gelagert, dass er in 2 Freiheitsgraden um den Drehpunkt (E) rotieren (pendeln) kann. Die Eigenschaften der Aufhängung sind eine starre Kupplung des Pendelarms im Drehpunkt gegenüber Translationen in der XY-Ebene, und niedrige Steifigkeit gegenüber kleinen Rotations-Auslenkungen um den Drehpunkt in den Richtungen tangential zur X- und zur Y-Achse. Die Aufhängung ist jeweils zwischen dem Pendelarm, und dem in Ruhe befindlichen Gehäuse (I), in diesem Fall nahe dem Standard-Objektiv.Gewinde (N). Eine Umsetzung durch eine Kugel die in einem Gleitlager (Saphir, Kinematischer Lagerung – Zeichnung 3c) ist grundsätzlich möglich, aber birgt dieselben Nachteile wie für die „Koppelelemente” diskutiert.
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Eine Umsetzung mit Metallbalgen, Draht oder einem Rohr mit Einschnitten (3a, b, d) ist möglich. Ein zentraler Draht versperrt auch hier den optischen Pfad.
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Im Primären Ausführungsbeispiel (Zeichnungen 1) wurde ein durch ausschneiden (stanzen, lasern, Wasserjet, Litographie) geformtes dünnes Blech von hoher Elastizität (z. B. Federstahl, gehärtetem Beryllium-Kupfer) im zylindrischen Außenbereich des in Ruhe befindlichen Gehäuses (I) befestigt (verschraubt). Im Zentrum kann das Biegeelement eine Öffnung erhalten, um a) den Pendelarm hindurchzuführen, und/oder b) den optischen Pfad offenzuhalten.
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Das Biegeelement kann mit dem Pendelarm entweder mit mehreren Schrauben verschraubt werden, welche z. B. in den Hebelarmen (D) halt finden, oder mit der zentralen Öffnung auf dem Pendelarm bis auf eine Stufe geschoben werden, und dort mit Hilfe einer Überwurfmutter und einem Außengewinde auf dem Pendelarm verschraubt werden.
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Das hohe Aspekt-Verhältnis des Bleches ergibt eine hohe Translationssteifigkeit in der Ebene, und geringe Steifigkeit gegenüber kleinen Verbiegungen, also Translationen in Z, und Rotationen tangential zu X und Y. durch Ausschneiden kann die Form für einen bestimmten Rotationsbereich und eine bestimmte maximale Aktuatorkraft so optimiert werden, daß diese ausreicht, um, gegen die Federkräfte aller Biegeelemente im System, also der Pendelarm-Aufhängung, des Koppelelements, und der XY-Flexuren, den gewünschten maximalen Stellweg zu erzielen. Weiterhin kann durch einen in der Ebene gebogenen Pfad zwischen Pendelarm und Aufhängungspunkten (Zeichnung 5b) eine minimale laterale Aufweichung eingeführt werden, welche dazu führt, daß die Aufhängung sich für relativ große Pendelauslenkungen nicht nichtlinear versteift.
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Die Pendelarm-Aufhängung aus dem primären Ausführungsbeispiel besitzt außerdem einen weiteren Vorteil: auf die Oberflächen des aus dünnem Blech gefertigten Elements können Dehnmeßstreifen als Positionssensoren aufgebracht werden (Zeichnung 5a).
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Diese können als halb- oder Vollbrücke ausgeführt sein. Die Vollbrücke ist elektronisch und mechanisch symmetrisch, aus diesem Grund sind nicht-Linearitäten aus verschiedenen Quellen gut kompensiert.
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Für eine Vollbrücke pro Achse sind 2 × 4 = 8 Dehnmeßstreifen notwendig, jeweils einer pro Arm der Aufhängung, pro Sensorachse. Die jeweils zwei Dehnmeßstreifen konnen entweder einseitig nebeneinander, oder auf Blechober- und Unterseite aufgebracht werden.
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Zeichnung 5c zeigt ein Schaltungsbeispiel der Vollbrücken zur Messung der Auslenkung tangential zur X- bzw. Y-Richtung.
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Aus Platz- und Sensitivitätsgründen sind Halbleiterdehnmeßstreifen gegenüber Metallfilmdehnmeßstreifen zu bevorzugen. Die Dehnmeßstreifen werden optimal an den Punkten größter Dehnung auf die Blechoberfläche aufgebracht. Diese können z. B. mit Hilfe der Computermodellierung gefunden werden (Zeichnung 5d).
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Die durch die Sensoren ermittelte Position kann entweder durch eine entsprechende Signalkette ausgelesen werden, oder kann als Ist-Signal in einem Regelkreis verwendet werden. In diesem Fall wird der Scanner von außen nicht mehr durch direktes Vorgeben der Aktuatorspannung, sondern durch Vorgabe und Veränderung der jeweiligen Soll-Position am Regelkreis gesteuert.
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Ausführungsbeispiele Antriebe
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Im primären Anwendungsbeispiel werden Voice-Coil-Aktuatoren mit statischer Spule und bewegtem Kern verwendet.
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Der bewegte Kern (R) ist mit dem Hebelarmen (D) über ein flexibles Drahtelement (S) verbunden.
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Dadurch kann sich der bewegte Kern auf- und ab bewegen, ohne dabei der Rotationsbewegung des Hebelarms zu folgen. Wird der bewegte Kern auch auf der gegenüberliegenden Spulenseite durch eine Flexur geführt, ist der Antrieb vollständig reibungsfrei, und limitiert die Positionsauflösung des Scanners nicht durch Reibung. Für Höchstauflösungen kann ein aus Magnetspule und ferro/paramagnetischem Festkörper bestehender dennoch limitierend werden, durch das quantisierte „umklappen” der Weiß'schen Bezirke im Festkörper. Für diese Art Anwendungen könnte ein Antrieb bestehend aus einer stationären und einer bewegten Magnetspule verwendet werden.
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Zeichnung 6 zeigt eine Reihe von alternativen Antrieben:
Im Primären Anwendungsbeispiel befinden sich Hebelarme, Pendelarmaufhängung und die Verbindung Antrieb-Hebelarm (Drahtelement (S)) über den Aktuatoren, um mit einem langen Pendelarm eine Verstärkung der Bewegung zu erzielen.
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Alternativ (Zeichnung 6a) können diese Elemente unterhalb der Aktuatoren angeordnet werden, dadurch wird eine entsprechend kleinere Auslenkung bei entsprechend größerer Auslenkungskraft erzielt.
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Zeichnung 6b) Zeigt einen Antrieb mit statischem Kern und bewegter elektromagnetischer Spule (Luftspule). Diese Ausführung hat den Vorteil geringerer bewegter Masse und daraus folgend höherer Resonanzfrequenz des Scanners, mit daraus resultierenden höheren Scanraten.
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Zeichnung 6c zeigt als Konzept einen Aktuator welcher seitlich direkt (ohne Hebelarm) auf den Pendelarm drückt. Der Druck wird entweder über ein Gleitlager (z. B. Kugel-Saphir) oder ein Biegeelement vermittelt, damit die Bewegung in der anderen Achse nicht behindert wird. Der Nachteil des Gleitlagers ist wieder die Einschränkung der maximalen Auflösung durch Einführen von Reibung.
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Verschiedene Ausführungsformen dieses Konzeptes beinhalten das Treiben des Pendelarmes durch einen Voice Coil-Aktuator mit Bewegtem Kern oder Bewegter Spule, durch Piezo Stacks, Durch sogenannte Piezo-Bender, Piezo-Walker (Stick-Slip oder Resonant)), durch Servo-Motoren (Elektromotor mit Lineartrieb und Positionsfeedback), oder das Fertigen des Pendelarms aus Piezomaterial (Piezo-Röhre) mit Elektroden in X und Y.
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Ausführungsbeispiele Integrierte Z-Achse
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Für viele Anwendungen ist es notwendig, neben der X- und Y-Positionsachse außerdem eine Positionierung in Z vorzunehmen.
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Eine Z-Achse mit ca. 100 um Stellweg läßt sich in das vorgestellte primäre Anwendungsbeispiel integrieren, mit einer sogenannten „Piezo Disk Bender” (T) als Aktuator, einem flachen, Ringförmigen Element, welches bei festgehaltener Peripherie abhängig von einer angelegten Spannung sein Zentrum auf- und ab-bewegt. Der Piezo Disk Bender wird an seiner Peripherie gehalten durch mehrere Piezo Disk Halter (U), welche, alternierend mit den XY-Flexuren (H), mit der zentralen Aufnahme G verbunden (z. B. verschraubt) sind, und jeweils mit dem Rand des Piezo Disk Benders verbunden (z. B. verklebt) sind.
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In der zentralen Öffunung des Piezo Disk Benders befindet sich, mit diesem fest verbunden, eine Meßkopf-Auflage (V), auf welcher der Meßkopf bei installierter Z-Achse aufliegt. Wird Spannung an den Piezo Disk Bender angelegt, verformt sich dieser, so dass sich seine zentrale Öffnung auf- oder ab-bewegt. Die Meßkopf-Auflage und der auf ihr aufliegende Meßkopf bewegen sich mit auf und ab.
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Es ist möglich, den Kontakt zwischen Meßkopf-Auflage und Meßkopf kinematisch auszuführen, z. B. mit Hilfe von 3 Lagerkugeln, und 3 radialen V-förmigen Vertiefungen auf der Gegenseite. Hierdurch wird die Position des Meßkopfes in der Meßkopf-Auflage eindeutig definiert.
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Es ist weiterhin möglich, in die zentrale Aufnahme bzw. den Meßkopf selbst einen kleinen Voice Coil Aktuator, z. B. mit Biegeelement-Führung zu integrieren, um größere Stellwege zu erzielen.
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Ausführungsbeispiele Optimierung der Dynamik
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Die maximal erzielbaren Scanraten eines mechanischen Scanners sind im allgemeinen beschränkt durch dessen dynamische Eigenschaften, vor allem seine mechanischen Resonanzfrequenzen, sowohl in den Freiheitsgraden des Aktuators (z. B. X, Y, Z), also auch in parasitären Moden.
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Die niederen Resonanzfrequenzen des primären Anwendungsbeispiels sind dominiert von Aktuatorfreiheitsgraden (X, Y). Der Scanner kann für jede seiner Achsen beschrieben werden als Masse-Feder-System, wobei die verschiedenen Biegeelemente die Federkonstante (Steifigkeit) ergeben.
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Für eine maximale Resonanzfrequenz sind diese so zu maximieren, daß die Aktuatorkraft noch ausreicht, gegen die gesamte Federkraft noch den gewünschten Stellweg zu bewirken.
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Neben der maximierung der Federkraft und der Reduzierung der bewegten Massen gibt es noch weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Scannerperformance in der Praxis:
Typischerweise sind Aktuatorachsen Teil eines Regelkreises (Positionsregler, Meßgrößenregler). Als solche folgt Ihre Leistungsfähigkeit im System nicht rein ihrer Resonanzfrequenz, sondern vielmehr den regelungstechnischen Kriterien von Phasen-Marge und Gain-Marge. Im Ergebnis ist eine (z. B: kritisch) gedämpfte Resonanz leichter zu regeln als eine (fast) ungedämpfte. Mechanische Dämpfung kann in das Scanner-Design integriert werden. Möglichkeiten hierzu sind die Verwendung von Viskoelastischen Materialien in Räumen mit sich während des Scans veränderndem Abstand. Beispiele sind die Verwendung von Memory-Schaum in oder zwischen den XY-Flexuren, oder das Einbringen eines viskosen, nicht-flüchtigen Ferrofluids in die Luftspalten der Voice Coil-Aktuatoren.
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Ausführungsbeispiele Schutzmechanismen
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Viele interessante Anwendungen für einen Scanner im Mikroskop-Objektivformat involvieren Umgebungsbedingungen wie Flüssigkeiten, Staub usw. welche Elemente des Scanners blockieren oder zerstören könnten.
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Der bewegliche Meßkopf (M) kann, ohne Behinderung seiner Funktion, gegen das in Ruhe befindliche Gehäuse (I) abgedichtet werden, mittels einer flexiblen Gummischürze (W) (Zeichnung 8a). Diese kann den gesamten unteren Bereich des Scanners bedecken, mit einer zentralen Öffnung für den Meßkopf. Die flexible Gummischürze dichtet gegen dem Meßkopf ab, indem ihre zentrale Öffnung, etwas gedehnt (also mit etwas Vorspannung) über das vordere Ende des Meßkopfes geschoben wird, und dann in einer um den Meßkopf umlaufenden Dichtungsnut zur Ruhe kommt. Die Flexible Gummischürze ist aus weichem elastischen Material, z. B. Gummi, Silikon, Fluorosilikon, Viton, oder einem Perfluoroelastomer. Sie besitzt weiterhin ein korrugiertes Profil in der Art eines Balgen, welches ihr erlaubt, in ihrem Zentrum z. B. mehrere Millimeter gegenüber ihrem Rand bewegt zu werden.
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Eine weitere Gefahr für den Scanner im Alltagseinsatz ist Kollision, also das Annähren des Scanners an eine Probe/ein Werkstück über den Kontaktpunkt hinaus.
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Durch das unten nach innen gezogene Gehäuse (I) besteht ein passiver mechanischer Schutz für die XY-Flexurelemente. Der Exponierteste Teil ist der Meßkopf. Dieser kann, wie sonst bei (nicht-scannenden) optischen Mikroskop-objektiven üblich, gegen eine Federkraft in das Gehäuse gedrückt werden, und fährt bei wegfallender Kollisionskraft wieder aus.
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Hierzu liegt der Meßkopf in der zentralen Aufnahme (G) mit einer umlaufenden Lippe auf (Zeichnung 8b).
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Die flexible Gummischürze ist so ausgelegt, daß sie auch dieser Bewegung des Meßkopfes in Z-Richtung folgt.
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Weiterhin ist der Kollisionsschutz auch mit der optionalen Z-Achse kompatibel, da der Meßkopf auch hier nur auf der Meßkopf-Aufnahme aufliegt, in Position gehalten von der o. g. Feder.
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Ausführungsbeispiele Integration der optischen Mikroskopie
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Da der Strahlengang durch die Zentralachse des Scanners im primären Anwendungsbeispiel, und einigen der vorgestellten Varianten, offen ist, und der Scanner im Formfaktor eines Standard-Mikroskop-Objektivs gebaut und in der Objektivaufnahme eines Lichtmikroskops gehalten werden kann, ist es grundsätzlich möglich, den Strahlengang des Lichtmikroskops in Messungen mit einzubeziehen.
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Beispiele hierfür sind das bloße Beobachten der Interaktin des Meßkopfes mit der Probe/dem Werkstück, das Einbringen von Licht (z. B. Laser), z. B. zur Fluoreszenzanregung, optoaktustischen Anregung, lokalen Erwärmung, Bleichung, oder Ablation der Probe.
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Der aus dem Mikroskop von der Rückseite in das Objektiv eintretende Strahlengang ist noch nicht fokussiert, bei den meisten modernen Forschungsmikroskopen ist er kollimiert (Infinity-Corrected), deshalb sind optische Elemente innerhalb des Scanners notwendig, um den Strahlengang des optischen Mikroskops in eine Bildebene unterhalb des Scanners zu Projizieren. Für die meisten Anwendungen wird es hierbei von Vorteil sein, diese Bildebene konfokal mit dem im Meßkopf vorhandenen Interaktionsmechanismus mit der Probe zu gestalten (also z. B. im Fall einer akustischen Linse im Meßkopf den optischen Fokus konfokal mit dem Akustischen Fokus). Weiterhin ist es möglich, den optischen Strahlengang mit dem Scan des Meßkopfes zu bewegen (diesen zu „tracken”), oder nicht.
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Im Fall des nicht-trackens wird im Scanner (mindestens) eine Fokus-Linse installiert, welche statisch mit dem sich in Ruhe befindenden Gehäuse verbunden ist. In diesem Fall bewegt sich der Meßkopf im Bildfeld des optischen Mikroskops vor dem Hintergrund einer statischen Probe/eines statischen Werkstücks. (Zeichnung 9a)
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Im Fall des trackens wird (mindestens) eine Linse im Pendelarm oder im Meßkopf befestigt, und bewegt sich mit diesem. Wird zum Beispiel der Strahlengang eines Mikroskops mit kollimiertem Strahlengang direkt auf eine im Meßkopf befestigte Linse mit Fokalabstand konfokal mit dem Arbeitsabstand des Meßkopfes zur Probe befestigt, ist ein konfokales tracken von Meßkopf und optischem Mikroskop bereits gegeben. Lediglich der Einfallswinkel des Mikroskopstrahlengangs auf die Probe variiert mit der Scannerposition. (Zeichnung 9b).
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Ausführungsbeispiele Elektrische Anschlüsse und Orientierbares Gewinde
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Für viele mögliche Anwendungen des Scanners wird es nötig sein, eine elektrische Verbindung zwischen Meßkopf und einem äußeren Steuer- oder Meßgerät herzustellen. Unter Umständen ist es auch notwendig oder sinnvoll, elektrische Signale noch im Scannergehäuse vorzuverarbeiten. Beispiele wären ein Vorverstärker für Meßsignale, eine Speicherung von Kalibrier- und Wartungsdaten in einem nichtflüchtigen Speicherchip im Scanner, oder die Integration von Positionsfeedback (mit Hilfe der Positionssensoren).
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Die Herausführung von Leitungen bricht die äußere Rotationssymmetrie des Scanners, deshalb muß dieser im tragenden Mikroskop orientiert werden können, um eine sinnvolle Kabelführung zu gewährleisten. Gleichzeitig ist evtl. zusätzlicher Raum für Elektronik, z. B. für die o. g. Integration von Vorverarbeitung, notwendig. Im primären Anwendungsbeispiel (Zeichnung 1c) befindet sich am oberen Ende des Scanners eine einseitige Verlängerung, welche Raum für Elektronik und elektrische Anschlüsse bietet.
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Zur freien Orientierung des Scanners wird das Standard-Objektivgewinde nicht als integraler Bestandteil des sich in Ruhe befindenden Gehäuses, sondern als separates Teil ausgelegt, welches im Gehäuse drehbar und durch Klemmschrauben fixierbar ist. Hierdurch hat ein Anwender die Möglichkeit, durch lösen der Klemmschraube(n) die Orientierung des Scanners und seiner elektrischen Anschlüsse im tragenden optischen Mikroskop zu verändern (ohne dieses gleichzeitig herauszuschrauben).
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Ausführungsbeispiele Anwendungen des Scanners
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Die möglichen Anwendungen eines langreichweitigen Mehrachsen-Scanners im Mikroskop-Objektivformat sind vielfältig.
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Viele Meßmodalitäten die sich im Rahmen der Nanotechnologie entwickelt haben, besitzen (zum Teil wirtschaftlich relevantere) Anwendungen im makroskopischen Bereich von 100 um bis zu einigen mm.
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Zu nennen ist die Palette der Raster-Sonden-Verfahren (Scanning Tunneling Microscope, Atomic Force Microscope inklusive der bakannten elektrischen Meßmodi, wie Scanning Conductance, Scanning Capacitance, Spreading Resistance), Indentierungsverfahren, inklusive solcher mit beheiztem Sensor, Elektrophysiologischer Anwendungen, inklusive SICM, dem Tissue Diagnostic Instrument, und Stylus-Profilometer.
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Zum Beispiel ist es sinnvoll, die neueren aus der Rastesondenmikroskopie hervorgegangenen Meßverfahren für Materialeigenschaften (Phase Imaging, Pulsed Force Mode, PeakForce-Tapping usw.) zur Fehleranalyse auf makroskopischen Werkstücken einzusetzen, oder Meßmethoden aus der Zellmechanik (Zellindentierung und Adhäsionsmessung, usw.) auf Zellverbände und Gewebe anzuwenden.
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Weiterhin gibt es kontaktfreie Meßverfahren bei denen die Sensorik nicht oder nicht vollständig (z. B. durch einen optischen Strahlengang) weit von der Probe entfernt werden kann. Hierzu zählen Ultraschall-Messungen wie die Akustische Mikroskopie, ortsaufgelöste Wirbelstrom-Messungen, und Meßmodi, welche die Kopplung von physikalischen Phänomenen im Werkstück nutzen, wie die optoakustische Mikroskopie.
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Auf der Seite der Proben-Manipulation sind direkte Lithographieverfahren (Dip-Pen, thermale Ablation), Mikroinjektion, und Mikromanipulation zu nennen.
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Die Erfindung beschreibt einen Scanner mit mehreren Millimetern (im primären Anwendungsbeispiel 4 × 4 mm) Stellweg in X und Y, und optional mehreren Mikrometern bis Millimetern (im primären Anwendungsbeispiel 100 um) in Z, durch den beschriebenen Mechanismus realisierbar im Formfaktor eines Standardobjektivs (z. B. 45 mm Länge, 35 mm Durchmesser, mit M27 Gewinde). Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung des beschriebenen Mechanismus in einem Lichtmikroskop, auf das Halten des Scanners via eines an der Rückseite befindlichen Gewindes, oder Bauformen, welche die beschriebenen Standardmaße einhalten oder unterschreiten, beschränkt. Sie beschreibt vielmehr eine Anordnung und einen Mechanismus, welche die Entwicklungsmöglichkeiten von kompakten Scannern im allgemeinen erweitern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011121928 A1 [0007]
- US 5880465 [0007]
