DE102019113975A1

DE102019113975A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops

Info

Publication number: DE102019113975A1
Application number: DE102019113975.9A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fischer; Matthias Henrich; Winfried Willemer
Original assignee: Abberior Instruments GmbH
Current assignee: Abberior Instruments GmbH
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2039-05-25
Also published as: EP3751327C0; DE102019113975B4; EP3751327A1; CN111983795A; US20200371339A1; US11774740B2; EP3751327B1; CN111983795B

Abstract

Zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops (1) wird ein Hilfslichtstrahl (13) so in das Mikroskop (1) eingekoppelt, dass er in einer Ebene (20), die außerhalb eines Hauptabbildungsbereichs (17) des Mikroskops (1) von einer in einer Objektebene (5) des Mikroskops (1) verlaufenden Geraden (19) und einer Flächennormalen der Objektebene (5) aufgespannt wird, unter einem Neigungswinkel zu der Flächennormalen verläuft, und werden Lageänderungen eines Auftreffbereichs (25) eines von einer Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteils (15) des eingekoppelten Hilfslichtstrahls (13) auf einer Erfassungseinrichtung (16) erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 14 sowie ein Mikroskop mit einer solchen Vorrichtung.
Wenn mit einem Abbildungssystem über einen längeren Zeitraum ein oder mehrere Bilder aufgenommen werden, die dieselbe Objektebene scharf abbilden sollen, muss der Fokuszustand des Abbildungssystems unverändert bleiben oder konstant gehalten werden. Dies gilt ganz besonders für das Aufnehmen hoch- und höchstauflösender Bilder mit Mikroskopen. Hier tritt schnell der Fall auf, dass eine unvermeidbare räumliche Drift die Objektebene des Mikroskops bereits während der Aufnahme nur eines einzigen Bilds über relevante Entfernungen gegenüber dem Objekt verschiebt. Dies liegt zum einen daran, dass höchstauflösende Verfahren vergleichsweise lange Messzeiten je Bildpunkt benötigen, so dass die Aufnahme eines einzelnen Bilds längere Zeit in Anspruch nimmt, und zum anderen daran, dass die Grenzen für eine relevante Drift durch die räumliche Höchstauflösung sehr niedrig liegen. Wenn bei der Abbildung eine räumliche Ortsauflösung in z-Richtung von beispielsweise 100 nm erreicht wird, muss die Drift in z-Richtung über die gesamte Abbildungsdauer deutlich kleiner als diese 100 nm gehalten werden. Dies macht es i. d. R. erforderlich, die tatsächlich auftretende Drift zu erfassen, um sie dann zu kompensieren.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 21 02 922 A ist ein Verfahren zum selbsttätigen Fokussieren auf in Mikroskopen zu betrachtende Objekte bekannt. Bei dem Verfahren wird ein unsichtbares Strahlenbündel verwendet, das bei Auswanderung einer Objektebene aus einer Fokusebene eines Objektivs des Mikroskops photoelektrisch eine Steuereinrichtung erregt, die die Objektebene in die Fokusebene zurückführt. Das unsichtbare Strahlenbündel wird in den Beleuchtungsstrahlengang des jeweiligen Mikroskops so eingespiegelt, dass es sich nur über eine Hälfte des Querschnitts des Strahlengangs erstreckt und dass es von dem Objekt in die andere Hälfte des Strahlengangs zurückgespiegelt wird und so zu der photoelektrischen Einrichtung gelangt. Durch das Auswandern der zurückspiegelnden Objektebene verschiebt sich die Lage des zurückgespiegelten und auf die photoelektrische Einrichtung fokussierten unsichtbaren Strahlenbündels auf der photoelektrischen Einrichtung. Bei dem bekannten Verfahren trifft das unsichtbare Strahlenbündel im Hauptabbildungsbereich des Mikroskops auf das Objekt.
Aus der DE 36 41 048 A1 ist eine Vorrichtung mit einem optischen Beobachtungssystem, welches ein Objektiv aufweist, und mit Einrichtungen zum Erkennen des Fokussiergrads des Beobachtungssystems bekannt. Die Einrichtungen senden über einen Lichtpfad, der von der optischen Achse des Beobachtungssystems abweicht, Infrarotstrahlen auf ein Objekt, und Informationen über den Fokussiergrad des Beobachtungssystems für das Objekt werden auf Grundlage von Abweichungen des von dem Objekt reflektierten Lichts von der optischen Achse erhalten. Konkret weisen die Einrichtungen zum Erkennen des Fokussiergrads lichtemittierende Einrichtungen zur Projektion der Infrarotstrahlen entlang des optischen Pfads, der von der optischen Achse des Beobachtungssystems abweicht, und eine Lageerkennungsvorrichtung auf, um Versätze des Bilds der Infrarotstrahlen, die von dem Objekt reflektiert werden, zu erfassen. Die lichtemittierenden Einrichtungen weisen eine Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen auf, die die Infrarotstrahlen alternierend in Winkeln symmetrisch zu der optischen Achse erzeugen. Mithilfe einer λ/4-Platte und einem polarisierenden Strahlteiler zum Trennen der reflektierten Infrarotstrahlen von den auf das Objekt gerichteten Infrarotstrahlen können Reflexionen der Infrarotstrahlen an optischen Grenzflächen zwischen dem Strahlteiler und der λ/4-Platte unterdrückt werden. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung treffen die Infrarotstrahlen im Hauptabbildungsbereich des optischen Beobachtungssystems auf das Objekt.
Aus der EP 0 453 946 B1 sind ein Verfahren zur Fokussierung eines optischen Kopfs auf einen Objektkörper und eine automatische Fokussierungsvorrichtung für ein optisches Inspektionssystem, insbesondere für Halbleiter-Wafer bekannt. Der optische Kopf weist ein Objektiv mit einem Brennpunkt auf einer optischen Achse auf. Das Verfahren umfasst die Schritte: Aussenden eines kollimierten Lichtbündels; Richten des Lichtbündels durch das Objektiv auf den Objektkörper, wo das Lichtbündel von einer Oberfläche des Objektkörpers reflektiert wird, um ein reflektiertes Lichtbündel zu erhalten; Unterteilen des reflektierten Lichtbündels, das das Objektiv durchlaufen hat, in ein erstes Teillichtbündel und in ein zweites Teillichtbündel; Ausbilden eines Lichtpunkts des ersten Teillichtbündels mit einer Abbildungslinse mit einem Brennpunkt; Feststellen einer eindimensionalen Einfallslage des Lichtpunkts auf eine erste Ebene, welche den Brennpunkt der Abbildungslinse enthält, um einen ersten Lageabweichungswert zu gewinnen, der die Lageabweichung der Oberfläche des Objektkörpers vom Brennpunkt des Objektivs darstellt; Nachweisen der zweidimensionalen Einfallslage des zweiten Lichtbündels auf eine zweite Ebene, um einen Winkelabweichungswert, der die Winkelabweichung der Oberfläche des Objektkörpers von einer Referenzebene, die zur optischen Achse des Objektivs senkrecht ist, zu gewinnen; und Bewegen des optischen Kopfs oder des Objektkörpers zur Reduzierung sowohl der Lageabweichung als auch der Winkelabweichung. Das kollimierte Lichtbündel wird in den Brennpunkt des Objektivs fokussiert, und das kollimierte Lichtbündel verläuft durch den Strahlengang des optischen Kopfs parallel zu dessen optischer Achse. Dabei ist das auf den Objektkörper gerichtete Lichtbündel in einer Richtung zu der optischen Achse versetzt, während das reflektierte Lichtbündel in der entgegengesetzten Richtung zu der optischen Achse versetzt ist. So verläuft auch hier das Lichtbündel von einer Seite der optischen Achse zu der reflektierenden Oberfläche des Objektkörpers und vor oder nach Reflexion an der Oberfläche über die optische Achse auf deren anderen Seite und damit durch den Hauptabbildungsbereich des Objektivs.
Aus der WO 00 / 72 078 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Lageerfassung einer abzutastenden xy-Ebene eines Objekts und zur Positionierung dieser xy-Ebene in der Fokusebene eines Laserscanners eines Laser-Scanning-Mikroskops bekannt. Dazu werden mit einem positionsempfindlichen Detektor Reflexe von drei in der xy-Ebene liegenden und mit einem Laserstrahl abgetasteten Punkten lokalisiert. Auf dieser Basis werden durch Triangulation die z-Koordinaten der Punkte bestimmt. Dann werden die z-Koordinaten der drei Punkte aneinander angeglichen, um die xy-Ebene parallel zur Fokusebene des Laserscanners auszurichten. Zudem kann eine Parallelverschiebung in z-Richtung vorgenommen werden, bis die Reflexe von den drei Punkten mit maximaler Intensität auf den Detektor abgebildet werden, weil dann mit hoher Sicherheit gewährleistet ist, dass die abgetastete xy-Ebene mit der Fokusebene zusammenfällt. Auch wenn hier die drei abzutastenden Punkte am Rand der xy-Ebene liegen sollen, liegen sie im Hauptabbildungsbereich des Laser-Scanning-Mikroskops. Dies gilt selbst dann, wenn eine separate Laserdiode verwendet wird, um die drei Punkte abzutasten.
Die WO 2004 / 029 691 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands zwischen einer Referenzebene und einer inneren oder äußeren optischen Grenzfläche eines Objekts. Das Verfahren wird insbesondere zum Autofokussieren eines Mikroskops vorgeschlagen und umfasst folgende Schritte: Erzeugen eines kollimierten Lichtstrahls; Einkoppeln des kollimierten Lichtstrahls in eine Optik mit einer Objektivlinse und einer Tubuslinse in der Weise, dass der kollimierte Lichtstrahl schräg auf die Tubuslinse fällt; Detektieren der Position des von einer ersten inneren oder äußeren optischen Grenzfläche eines Objekts reflektierten, aus der Tubuslinse austretenden Lichtstrahls; und Erzeugen eines die Position kennzeichnenden ersten Signals. Anhand dieses ersten Signals wird der Abstand zwischen der Referenzebene und der ersten Grenzfläche nach Betrag und Richtung bestimmt. Bei einer in der WO 2004 / 029 691 A1 als üblich bezeichneten telezentrischen Anordnung von Objektivlinse und Tubuslinse wird der auf die Tubuslinse auftreffende kollimierte Lichtstrahl in der hinteren Brennebene der Objektivlinse fokussiert. Verläuft der kollimierte Lichtstrahl schräg zur optischen Achse, aber mittig durch die hintere Brennebene der Tubuslinse, so liegt der Brennpunkt des Lichtstrahls seitlich versetzt von der optischen Achse. Der Einfallswinkel des Lichtstrahls wird so gewählt, dass er durch den Brennpunkt noch in die Objektivlinse fällt und diese ungestört durchlaufen kann. Durch den Versatz des Brennpunkts zu der optischen Achse verläuft der aus der Objektivlinse austretende Strahl wieder schräg. Er trifft so auf die optische Grenzfläche des Objekts und wird in die Objektivlinse zurückreflektiert. Hinter der Tubuslinse ist der reflektierte Lichtstrahl wieder kollimiert und trifft so auf einen positionsempfindlichen Detektor. Bei dem bekannten Verfahren verläuft der aus der Objektivlinse austretende Lichtstrahl von einer Seite der optischen Achse zu der reflektierenden Grenzfläche und vor oder nach Reflexion an der Grenzfläche über die optische Achse auf deren anderen Seite und damit durch den Hauptabbildungsbereich des Mikroskops.
Wenn ein zum Erfassen des Fokuszustands eines Mikroskops verwendeter Hilfslichtstrahl durch den Hauptabbildungsbereich des Mikroskops hindurch verläuft, geht von dem Hilfslichtstrahl immer die Gefahr einer Störung der Abbildung eines Objekts mit dem Mikroskop aus. Dieser Gefahr ist dann durch einen bei der Abbildung „unsichtbaren“ Hilfslichtstrahl und/oder durch einen den reflektierten Anteil des Hilfslichtstrahls abtrennenden Strahlteiler zu begegnen. Auch ein selektives Abtrennen des reflektierten Anteils des Hilfslichtstrahls setzt dabei voraussetzt, dass sich der Hilfslichtstrahl von dem zur Abbildung verwendeten Licht unterscheidet. Aus diesem Grund verwenden viele Autofokuseinrichtungen einen infraroten Hilfslichtstrahl. Soweit sich das zur Abbildung verwendete Licht und der Hilfslichtstrahl jedoch zum Beispiel in ihrer Wellenlänge deutlich unterscheiden, besteht die grundsätzliche Gefahr, dass mit dem Hilfslichtstrahl nicht derselbe Fokuszustand überwacht wird, wie er für das für die Abbildung verwendete Licht von Interesse ist. Zudem ist mit jedem zum Abtrennen des reflektierten Anteils des Hilfslichtstrahls im abbildenden Strahlengang eines Mikroskops angeordneten optischen Element die Gefahr einer Verschlechterung der Abbildungsqualität des Mikroskops verbunden.
Die DE 10 2009 019 290 A1 offenbart eine Mikroskopvorrichtung mit einem Objektiv, einer Tubuslinse, einer Lichtquelle zum Beleuchten einer Probe, einer Optik zum Einkoppeln des Beleuchtungslichts in das Objektiv, einem feldbegrenzenden Begrenzungselement, einem Detektor für an einer Probengrenzfläche reflektiertes Beleuchtungslicht sowie einem Auskoppelelement, um einen Teil des von der Probenoberfläche reflektierten und mindestens einen Teil des die Einkoppeloptik rückwärts durchlaufenden Beleuchtungslichts auf den Detektor zu lenken. Dabei ist die Anordnung des Begrenzungselements, des Auskoppelelements und des Detektors so gewählt, dass sich die Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts auf der Detektoroberfläche in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen Objekt und Probengrenzfläche verändert, so dass das Detektorsignal ein Maß für die Fokussierung des Objekts bildet. Bei der bekannten Mikroskopvorrichtung wird für die Fokusmessung keine zusätzliche Lichtquelle eingesetzt, sondern das für den Betrieb des Mikroskops ohnehin vorhandene Beleuchtungslicht verwendet. Dazu wird die Tatsache ausgenutzt, dass ein räumlich begrenzter Beleuchtungsstrahl nach Reflexion an der Probengrenzfläche eine Referenzfläche räumlich versetzt passiert und der dabei auftretende Strahlversatz für einen bestimmten Einstrahlwinkel vom Grad der Defokussierung abhängt. Das Auskoppelelement kann konkret im Randbereich des einfallenden Strahlenbündels des Beleuchtungslichts angeordnet sein, also an einer Stelle, an der der Beleuchtungsstrahl gar nicht oder nur so beeinflusst wird, dass das vom Auge oder der Kamera gesehene Gesichtsfeld nicht obstruiert wird.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops aufzuzeigen, die bei verschiedenen Mikroskopen während des Abbildens eines interessierenden Objekts anwendbar sind, ohne dieses Abbilden in irgendeiner Form zu beeinträchtigen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 13 und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Ansprüchen 15 bis 25 definiert. Anspruch 26 betrifft ein Mikroskop mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops wird ein Hilfslichtstrahl so in das Mikroskop eingekoppelt, dass er in einer Ebene, die außerhalb eines Hauptabbildungsbereichs des Mikroskops von einer in einer Objektebene des Mikroskops verlaufenden Geraden und einer Flächennormalen der Objektebene aufgespannt wird, unter einem Neigungswinkel zu der Flächennormalen verläuft. Lageänderungen eines Auftreffbereichs eines von einer Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls auf einer Erfassungseinrichtung werden erfasst. Diese Lageänderungen weisen auf Änderungen des Fokuszustands des Mikroskops hin.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Hilfslichtstrahl so in das Objektiv eingekoppelt, dass er nicht innerhalb des Hauptabbildungsbereichs des Mikroskops auf die Objektebene auftrifft, sondern ebenso wie sein von der Referenzgrenzfläche reflektierter Anteil vollständig außerhalb des Hauptabbildungsbereichs des Mikroskops verläuft. Dabei kreuzt weder der Hilfslichtstrahl noch sein von der Referenzgrenzfläche reflektierter Anteil den zu dem Hauptabbildungsbereich des Mikroskops zugehörigen Hauptstrahlengang in räumlichen Bereichen direkt vor und hinter der Objektebene. Obwohl der Hilfslichtstrahl und sein von der Referenzgrenzfläche reflektierter Anteil also durch das Mikroskop verlaufen, beeinflussen sie die Abbildung des Hauptabbildungsbereichs mit dem Mikroskop nicht. Entsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dann zeitgleich zu einer Abbildung eines Objekts in dem Hauptabbildungsbereich durchgeführt werden, wenn der Hilfslichtstrahl mit seiner Wellenlänge in denselben Wellenlängenbereich wie Licht, das für die Abbildung des Hauptabbildungsbereichs registriert wird, und wie Anregungslicht fällt, das z. B. in der Laserscanningfluoreszenzlichtmikroskopie zur Anregung des Objekts verwendet wird.
Dass weder der Hilfslichtstrahl selbst noch sein von der Referenzgrenzfläche reflektierter Anteil durch den Hauptabbildungsbereich verläuft und dass beide auch nicht den zugehörigen Hauptstrahlengang des Mikroskops in der Nähe der Objektebene kreuzen, wird dadurch bewirkt, dass der eingekoppelte Hilfslichtstrahl in der virtuellen Ebene verläuft, die außerhalb des Hauptabbildungsbereichs des Mikroskops von der in der Objektebene verlaufenden Geraden und der Flächennormalen aufgespannt wird. Dieses kennzeichnende Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens impliziert, dass die Gerade in der Objektebene in einem Abstand zu einer optischen Achse des Mikroskops verläuft, weil die Gerade sonst durch den regelmäßig um die optische Achse herum angeordneten Hauptabbildungsbereich hindurch verlaufen würde.
Dass weder der Hilfslichtstrahl selbst noch sein von der Referenzgrenzfläche reflektierter Anteil durch den Hauptabbildungsbereich verläuft und dass beide auch nicht den zugehörigen Hauptstrahlengang des Mikroskops in der Nähe der Objektebene kreuzen, bedeutet auch, dass weder der Hilfslichtstrahl noch sein von der Referenzgrenzfläche reflektierter Anteil in irgendeiner Bildebene des Mikroskops durch das dortige Bild des Hauptabbildungsbereichs verläuft und dass beide den zu dem Hauptabbildungsbereich zugehörigen Hauptstrahlengang des Mikroskops auch nicht in der Nähe irgendeiner Bildebene des Mikroskops kreuzen. Damit ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Einkoppeln des Hilfslichtstrahls in das Mikroskop und das Auskoppeln seines an der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils aus dem Mikroskop im Bereich jeder Bildebene ohne Störung des zu dem Hauptabbildungsbereich zugehörigen Hauptstrahlengang des Mikroskops völlig problemlos. Wenn hiervon einer Bildebene des Mikroskops die Rede ist, ist damit jedwede Bildebene gemeint, auch wenn sie genauer als Zwischenbildebene bezeichnet werden kann.
Sowohl dann, wenn der Hilfslichtstrahl im Bereich der Objektebene kollimiert ist, als auch dann, wenn er hier divergiert oder konvergiert bedeutet, dass er in der von der Geraden und der Flächennormalen aufgespannten Ebene verläuft, dass seine Strahlachse in dieser Ebene verläuft. Entsprechendes gilt für den reflektierten Anteil des Hilfslichtstrahls, soweit auch dieser in der genannten Ebene verläuft. Soweit der Hilfslichtstrahl vollständig vor der Objektebene an der Referenzgrenzfläche, die jede Grenzfläche zwischen Medien mit unterschiedlichen Berechnungsindizes sein kann, reflektiert wird, tritt der Hilfslichtstrahl nicht durch die Objektebene hindurch. Er verläuft dann aber bis zu seiner Reflexion an der Referenzgrenzfläche in der von der Geraden in der Objektebene und der Flächennormalen der Objektebene aufgespannten Ebene.
Dadurch, dass der Hilfslichtstrahl nur in der von der Geraden und der Flächennormalen zu der Objektebene aufgespannten Ebene zu der Flächennormalen geneigt ist, verläuft auch sein von der Referenzgrenzfläche reflektierter Anteil in dieser Ebene und damit außerhalb des Hauptabbildungsbereichs. Zumindest gilt dies für eine Referenzgrenzfläche, die parallel zu der Objektebene verläuft oder jedenfalls nicht um die Gerade gegenüber der Objektebene verkippt ist. Dies entspricht aber nicht nur dem Regelfall, sondern ist bekanntermaßen beim Verwenden eines Mikroskops sicherzustellen, siehe WO 00 / 72 078 A1 .
Die etwaige Fokusänderungen des Mikroskops anzeigenden Lageänderungen des Auftreffbereichs des von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls treten längs der Schnittlinie zwischen der Erfassungseinrichtung und einer Abbildung der Ebene auf, die von der Geraden in der Objektebene und der Flächennormalen der Objektebene aufgespannt wird.
Konkret kann ein Abstand der die Ebene mit aufspannenden Geraden zu der optischen Achse des Mikroskops mindestens 5 mm/V oder sogar mindestens 10 mm/V betragen, wobei V die Vergrößerung des Mikroskops ist. Der Durchmesser des Hauptabbildungsbereichs ist entsprechend kleiner als 10 mm bzw. 20 mm geteilt durch die Vergrößerung des Mikroskops.
Der Hauptabbildungsbereich, außerhalb dessen die Gerade durch die Objektebene verläuft, ist praktisch z. B. durch den Bereich der Objektebene definiert, der auf eine Kamera oder einen anderen Bildsensor des Mikroskops abgebildet wird oder der von einem Scanner des Mikroskops abgetastet wird. Wenn das Mikroskop einen Scanner aufweist, kann der Hauptabbildungsbereich alternativ als der größte Bereich oder der größte rechteckige Bereich der Objektebene definiert sein, den der Scanner mit dem Messstrahl abtastet. Wenn ein solcher Scanner vorhanden ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Hilfslichtstrahl auf der Objektseite dieses Scanners in das Mikroskop eingekoppelt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Hilfslichtstrahl eine senkrechte Projektion der optischen Achse des Mikroskops auf die von der Geraden und der Flächennormalen aufgespannten Ebene real oder virtuell in der Objektebene schneiden. Ein solcher realer oder virtueller Schnittpunkt kann auch gezielt vor oder hinter der Objektebene angeordnet werden. Auf diese Weise kann für eine bestimmte Referenzgrenzfläche sichergestellt werden, dass der reflektierte Anteil des Hilfslichtstrahls zurück durch ein Objektiv des Mikroskops zu der Erfassungseinrichtung gelangt. Zudem kann die Lage des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls auf der Erfassungseinrichtung für eine Solllage der Referenzgrenzfläche zum Beispiel derart mittig gewählt werden, dass ein Auswandern der Referenzgrenzfläche gegenüber dem Mikroskop in beiden axialen Richtungen bis zu einem gleichen Betrag erfasst wird. Typischerweise schneidet der Hilfslichtstrahl die senkrechte Projektion der optischen Achse auf die Ebene in einem maximalen Abstand von 100 µm oder von 50 µm oder auch von nur 10 µm zu der Objektebene.
Der Neigungswinkel zwischen der Flächennormalen und dem Hilfslichtstrahl bestimmt die Größe der Lageveränderung des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls auf die Erfassungseinrichtung bei einer auftretenden Fokusänderung. Der Neigungswinkel zwischen der Flächennormalen und dem Hilfslichtstrahl ist daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in jedem Fall deutlich von null verschieden. Je größer der Neigungswinkel, desto größer ist die Lageveränderung bei gleicher Fokusänderung. Von daher kann ein großer Neigungswinkel vorteilhaft sein. Der maximale Neigungswinkel sowohl des Hilfslichtstrahls als auch seines reflektierten Anteils wird aber durch die numerische Apertur NA eines Objektivs des Abbildungssystems des Mikroskops begrenzt. Typischerweise beträgt der Neigungswinkel zwischen der Flächennormalen und dem Hilfslichtstrahl daher zwischen arcsin(0,1NA/n) und arcsin(1 NA/n) oder zwischen arcsin(0,5 NA/n) und arcsin(1 NA/n), wobei n ein Brechungsindex eines letzten optischen Mediums ist, durch das hindurch der Hilfslichtstrahl auf die Referenzgrenzfläche trifft. An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich der Betrag des Neigungswinkels des Hilfslichtstrahls mit dem Hindurchtreten durch jede optische Grenzfläche ändert, an der sich der Brechungsindex ändert. Der für das erfindungsgemäße Verfahren relevanteste Neigungswinkel des Hilfslichtstrahls ist derjenige, unter dem er auf die Referenzgrenzfläche einfällt.
Ein großer Neigungswinkel des Hilfslichtstrahls führt bei auftretenden Fokusänderungen zwar zu großen Lageänderungen seines reflektierten Anteils. Größere Fokusänderungen können aber dazu führen, dass der von der Referenzgrenzfläche reflektierte Anteil des Hilfslichtstrahls so stark seitlich versetzt ist, dass er außerhalb des Sehfelds des Mikroskops liegt und somit nicht zu der Erfassungseinrichtung gelangt. Daher kann es sinnvoll sein, den Hilfslichtstrahl und einen weiteren Hilfslichtstrahl, die sich durch ihre Neigungswinkel gegenüber der Flächennormalen unterscheiden, zeitgleich oder nacheinander in das Mikroskop einzukoppeln, um Lageänderungen von Auftreffbereichen von an der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteilen beider Hilfslichtstrahlen auf der Erfassungseinrichtung zu erfassen. So können sowohl kleine Fokusänderungen mit hoher Auflösung als auch größere Fokusänderungen überhaupt erfasst werden.
Weiterhin können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Hilfslichtstrahl und ein weiterer Hilfslichtstrahl, die sich in den Richtungen der Geraden unterscheiden, die die Ebenen mit aufspannen, in denen die beiden Hilfslichtstrahlen verlaufen, zeitgleich oder nacheinander in das Mikroskop eingekoppelt werden, um Lageänderungen von Auftreffbereichen von in der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteilen beider Hilfslichtstrahlen auf der Erfassungseinrichtung zu erfassen. Fokusänderungen in Richtung der optischen Achse des Mikroskops führen bei gleich großen Neigungswinkeln der beiden Hilfslichtstrahlen zu gleich großen Lageänderungen der Auftreffbereiche unabhängig von den Richtungen der Geraden, die die Ebenen mit aufspannen, in welchen die Hilfslichtstrahlen verlaufen. Eine Verkippung der Referenzgrenzfläche um die jeweilige Gerade lässt den Auftreffbereich des reflektierten Anteils des Hilfslichtstrahls auf die Erfassungseinrichtung mit zunehmendem Kippwinkel aus der von dieser Geraden mit aufgespannten Ebene bzw. deren Projektion auf die Erfassungseinrichtung herauswandern. Dieses Herauswandern zeigt damit eine Verkippung um eben diese Gerade an. Eine Verkippung der Referenzgrenzfläche um eine in der Objektebene zu dieser Geraden senkrecht verlaufende weitere Gerade führt hingegen zu einer Lageänderung des Auftreffbereichs innerhalb der von dieser Geraden mit aufgespannten Ebene bzw. deren Projektion auf die Erfassungseinrichtung. Als solche ist diese Lageänderung von einer Lageänderung, die auf eine axiale Fokusänderung zurückgeht, nicht zu unterscheiden. Durch den weiteren Hilfslichtstrahl, der durch die weitere Ebene verläuft, die von der vorzugsweise rechtwinklig zu der Geraden verlaufenden weiteren Geraden mit aufgespannt wird, wird jedoch eine Unterscheidbarkeit erreicht. Hier wirken sich die Verkippungen der Referenzgrenzfläche um die beiden Geraden auf die Verlagerungen des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des Hilfslichtstrahls genau umgekehrt aus. Damit bewirkt die Verkippung um die weitere Gerade hier das von axialen Fokusänderungen unabhängige seitliche Herauswandern des Auftreffbereichs. Die Betrachtung der Lageänderungen der Auftreffbereiche beider Hilfslichtstrahlen ermöglicht daher eine Trennung in die axiale Fokusänderung und die Fokusänderungen durch Verkippungen der Referenzgrenzflächen um die beiden Geraden. So löst das erfindungsgemäße Verfahren auch möglicherweise auftretende Verkippungen der Referenzgrenzfläche vollständig auf.
Eine Verkippung der Referenzgrenzfläche um eine weitere Gerade, die in der Objektebene senkrecht zu der Geraden verläuft, die die Ebene mit aufspannt, in welcher der Hilfslichtstrahl verläuft, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch auf folgender Grundlage von einer axialen Fokusänderung unterschieden werden, die zu einer Lageänderung des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des Lichtstrahls in derselben Richtung führt. Wenn ein weiterer Hilfslichtstrahl in derselben Eben unter einem anderen Neigungswinkel ausgerichtet wird, wirkt sich eine axiale Fokusänderung auf die Beträge der Lageänderungen der Auftreffbereiche der reflektierten Anteile beider Hilfslichtstrahlen im Verhältnis des Tangens des Einfallswinkels des Hilfslichtstrahls zu dem Tangens des Einfallswinkels des Hilfslichtstrahls auf die Referenzgrenzfläche aus. Die zusätzliche Verkippung ändert die beiden Einfallswinkel um denselben Betrag. Durch den Tangens ändert sich aber das resultierende Verhältnis der Beträge der Lageänderungen der Auftreffbereiche der reflektierten Anteile beider Hilfslichtstrahlen. Aufgrund dieses gegenüber der unverkippten Referenzgrenzfläche geänderten Verhältnisses der Beträge der Lageänderungen kann die Verkippung nicht nur erkannt sondern auch hinsichtlich ihres Kippwinkels erfasst werden.
Die voranstehenden Betrachtungen gehen davon aus, dass weder der Hilfslichtstrahl noch der weitere Hilfslichtstrahl auf die Referenzebene in einen Punkt fokussiert ist, um den die aufzulösenden Verkippungen der Referenzgrenzfläche erfolgen. Verkippungen der Referenzgrenzfläche, die um einen Fokuspunkt eines der Hilfslichtstrahlen auf der Referenzgrenzfläche erfolgen, wirken sich nicht in eine Lageänderung des an der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des jeweiligen Hilfslichtstrahls aus. Wenn der weitere Hilfslichtstrahl aber nicht in denselben Punkt auf die Referenzgrenzfläche fokussiert wird wie der Hilfslichtstrahl, lässt eine Lageänderungen des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des weiteren Hilfslichtstrahls erkennen, dass eine Verkippung der Referenzgrenzfläche um den Fokuspunkt des Hilfslichtstrahls vorliegt, die zu keiner Lageänderung des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des Hilfslichtstrahls auf der Erfassungseinrichtung führt. Eine solche Verkippung wird nur dann nicht erkannt, wenn sie nicht zufällig auch um einen Fokuspunkt des weiteren Hilfslichtstrahls auf der Referenzoberfläche erfolgt. Auch eine solche Verkippung ließe sich aber durch noch einen weiteren Hilfslichtstrahl auflösen, der entweder in einen dritten Punkt auf die Referenzgrenzfläche trifft und/oder nicht auf die Referenzgrenzfläche fokussiert ist. Bei jedem nicht auf die Referenzgrenzfläche fokussierten Hilfsstrahl führt jede Verkippung der Referenzgrenzfläche zu einer Lageänderung des Auftreffbereichs seiner reflektierten Anteile auf die Erfassungseinrichtung.
Der Hilfslichtstrahl kann in der Objektebene kollimiert sein oder in einen Punkt nahe der Objektebene fokussiert werden, der typischerweise nicht weiter als 100 µm oder 50 µm oder auch nur 10 µm von der Objektebene entfernt ist. Ein in der Objektebene kollimierter Hilfslichtstrahl ist bei einem telezentrischen Abbildungssystem, womit hier ausschließlich gemeint ist, dass eine Tubuslinse und eine Objektivlinse des Abbildungssystems im Abstand der Summe ihrer Brennweiten angeordnet sind, auch in jeder Bildebene des Mikroskops kollimiert und auch in jeder Projektion der von der Geraden und der Flächennormalen aufgespannten Ebene auf die Erfassungseinrichtung in der Nähe jeder Bildebene des Mikroskops. Der Auftreffbereich des reflektierten Anteils des Lichtstrahls auf der Erfassungseinrichtung ist daher auch über größere axiale Fokusänderungen räumlich begrenzt und gut erfassbar. Der reflektierte Anteil eines z. B. auf die Referenzgrenzfläche oder in einen davor oder dahinter liegenden Punkt fokussierten Hilfslichtstrahls kann demgegenüber zwar in einen noch stärker lokalisierten Auftreffbereich auf der Erfassungseinrichtung fokussiert werden, dessen Lageänderungen entsprechend genauer erfasst, d. h. höher aufgelöst werden können. Diese Fokussierung geht aber mit axialen Fokusänderungen schnell verloren, so dass eine Bestimmung der Lage des Auftreffbereichs auf die Erfassungseinrichtung schnell nicht mehr sinnvoll möglich ist. Daher ist es vielfach sinnvoll, dass der Hilfslichtstrahl und ein weiterer Hilfslichtstrahl, die sich in den Lagen von Punkten, in die sie fokussiert werden, relativ zu der Objektebene unterscheiden, nacheinander in das Mikroskop eingekoppelt werden, um Lageänderungen von Auftreffbereichen von an der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteilen beider Lichtstrahlen auf der Erfassungseinrichtung zu erfassen. Zu diesen Lagen, in denen der Hilfslichtstrahl oder der weitere Hilfslichtstrahl fokussiert werden, kann auch die Lage unendlich (∞) zählen, so dass der Hilfslichtstrahl oder der weitere Hilfslichtstrahl in der Objektebene kollimiert ist.
Bei dem Erfindungsgemäßen Verfahren kann auch so vorgegangen werden, dass der von der Referenzgrenzfläche reflektierte Anteil des eingekoppelten Hilfslichtstrahls gezielt beim Auftreffen auf die Erfassungseinrichtung kollimiert wird oder auf die Erfassungseinrichtung fokussiert wird. Damit ist das Verfahren gegenüber Auswirkungen von nicht telezentrischen Abbildungssystemen robust. Bei solchen nicht telezentrischen Abbildungssystemen, ist der Hilfslichtstrahl zwar in der Regel nicht in der Objektebene kollimiert, er weist dort aber nur eine geringe Divergenz auf, wenn sein reflektierter Anteil beim Auftreffen auf die Erfassungseinrichtung kollimiert wird.
Das Fokussieren des Hilfslichtstrahls in die oder in der Nähe der Objektebene bzw. das Kollimieren des Hilfslichtstrahls in der Objektebene kann ebenso wie das Fokussieren des von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls auf die Erfassungseinrichtung mit einer elektrisch ansteuerbaren Flüssiglinse bewirkt werden. Wenn nur eine einzige solche Flüssiglinse in dem Hilfslichtstrahl vorhanden ist, versteht es sich, dass nicht gleichzeitig eine Fokussierung des von einer bestimmten Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des Hilfslichtstrahls auf die Erfassungseinrichtung und das Fokussieren des Hilfslichtstrahls in verschiedene Punkte nahe der Objektebene möglich ist. Möglich ist aber das Fokussieren in der Nähe der Objektebene und das gleichzeitige Fokussieren auf die Erfassungseinrichtung für verschiedene Referenzgrenzflächen einerseits sowie das Kollimieren oder Einstellen einer begrenzten Divergenz des Hilfslichtstrahls in der Objektebene und das Kollimieren des Hilfslichtstrahls beim Auftreffen auf die Erfassungseinrichtung andererseits.
Flüssiglinsen als elektrisch ansteuerbare Linsen variabler Brennweite sind grundsätzlich bekannt. Ihre Abbildungseigenschaften mögen für verschiedene Anwendungen unzureichend sein. Für die hier beschriebenen Aufgaben in Bezug auf die Formung des Hilfslichtstrahls ist eine Flüssiglinse aber völlig ausreichend.
Da der Hilfslichtstrahl in der von der Geraden und der Flächennormalen aufgespannten Ebene außerhalb des Haupterfassungsbereichs des Mikroskops verläuft, verläuft er auch innerhalb eines größeren Bereichs vor und hinter der Objektebene und jeder Bildebene des Mikroskops außerhalb des dem Haupterfassungsbereich zugeordneten Hauptstrahlengangs des Mikroskops. Daher kann der Hilfslichtstrahl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem reflektierenden Element, das außerhalb des Hauptstrahlengangs des Mikroskops angeordnet wird, in das Mikroskop eingekoppelt werden, und der von der Referenzgrenzfläche reflektierte Anteil des Hilfslichtstrahls kann mit diesem reflektierenden Element zu der Erfassungseinrichtung ausgekoppelt werden. Konkret kann dieses reflektierende Element so angeordnet werden, dass seine reflektierende Fläche eine Zwischenbildebene des Mikroskops schneidet.
Weiterhin kann überall dort, wo der Hilfslichtstrahl und sein reflektierter Anteil im Bereich jeder Bildebene des Mikroskops außerhalb des dem Hauptabbildungsbereich entsprechenden Hauptstrahlengangs des Mikroskops verlaufen, ein optisches Element angeordnet werden, durch das der in den Strahlengang des Mikroskops eingekoppelte Hilfslichtstrahl und der von der Referenzgrenzfläche reflektierte und noch nicht aus dem Strahlengang des Mikroskops ausgekoppelte Anteil des Hilfslichtstrahls hindurchtreten. Dieses optische Element beeinflusst nicht den Hauptstrahlengang des Mikroskops und beeinträchtigt entsprechend nicht die Abbildungsqualität des Mikroskops. Konkret kann das mindestens eine optische Element eine λ/2-Platte sein. Eine solche λ/2-Platte kann z. B. in Verbindung mit einem polarisierenden Strahlteiler zum Trennen des von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des Hilfslichtstrahls von dem Hilfslichtstrahl genutzt werden, um Reflexe des Hilfslichtstrahls an anderen auf der Objektseite des polarisierenden Strahlteilers liegenden Grenzflächen zu unterdrücken. Diese Reflexe weisen dann eine Polarisation auf, mit der sie nicht zu der Erfassungseinrichtung durchgelassen werden, weil diese Reflexe nicht unter einem Einfallswinkel reflektiert wurden. Der wegen des Neigungswinkels des Hilfslichtstrahls zu der Flächennormalen der Objektebene unter einem hohen Einfallswinkel reflektierte Anteil des Hilfslichtstrahls wird hingegen nur auf etwa 25% abgeschwächt und dominiert somit auf der Erfassungseinrichtung. Es versteht sich, dass dies nur für eine auf die Richtung der Ebene, in der der Hilfslichtstrahl verläuft und die von der Geraden in der Objektebene und der Flächennormalen zu der Objektebene aufgespannt wird, abgestimmte Ausrichtungen der λ/2-Platte und des polarisierenden Strahlteilers gilt.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren in vielen Fällen das Konstanthalten einer Lage des Auftreffbereichs des von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls durch die erfassten Lageänderungen kompensierendes Verlagern der Referenzgrenzfläche gegenüber dem Mikroskop umfassen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also zum automatischen Erhalten des fokussierten Zustands des Mikroskops genutzt werden. Dies kann insbesondere geschehen, während zeitgleich ein Objekt in dem Hauptabbildungsbereich der Objektebene mit dem Mikroskop abgebildet wird. Dies gilt unabhängig davon, ob das Mikroskop ein scannendes Mikroskop ist oder keinen Scanner aufweist. Insbesondere gilt es auch dann, wenn der Hilfslichtstrahl eine Wellenlänge aufweist, die in denselben Wellenlängenbereich wie Licht fällt, das beim Abbilden des Objekts in dem Hauptabbildungsbereich zum Beleuchten oder Messen des Objekts verwendet wird. Das Hilfslicht des Hilfslichtstrahls gelangt nicht in den Hauptabbildungsbereich oder eines seiner Abbilder. Solange das Hilfslicht eine andere Wellenlänge aufweist als jedes Licht, das beim Abbilden des Objekts in dem Hauptabbildungsbereich zum Beleuchten oder Messen des Objekts verwendet wird, kann umgekehrt vor der Erfassungseinrichtung ein Bandpassfilter angeordnet werden, das selektiv nur das Hilfslicht durchlässt. Dies gilt auch dann, wenn die Wellenlänge des Hilfslichts in einem Fluoreszenzlichtmikroskop beispielsweise zwischen den Wellenlängen von Anregungslicht und damit angeregtem Fluoreszenzlicht liegt.
Da sich neu auftretende, d. h. noch nicht kompensierte Abbildungsfehler, wie sie z. B. durch Aberrationen induziert werden, die von Temperaturänderungen und einem damit schwankenden Brechungsindex eines das abgebildete Objekt einbettenden Einbettungsmediums hervorgerufen werden, auf den in die Nähe der Objektebene fokussierten Hilfslichtstrahl bzw. dessen an einer rückwärtigen Referenzgrenzfläche reflektierten Anteil in Bezug auf die Größe und Form des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils auf die Erfassungseinrichtung in ähnlicher Weise auswirken wie Fokusänderungen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Erkennen neu auftretender Abbildungsfehler verwendet werden. Konkret kann dafür überwacht werden, ob der reflektierte Anteil des Hilfslichtstrahls gleichbleibend scharf auf die Erfassungseinrichtung fokussiert wird oder ob und wie sich die Halbwertsbreite seines Auftreffbereichs ändert. Dabei wirken sich etwaige neu auftretende Abbildungsfehler aufgrund des Winkels, unter dem der Hilfslichtstrahl und sein reflektierter Anteil zu der Flächennormalen der Objektebene zum Beispiel durch das Einbettungsmedium verlaufen, besonders stark auf die Größe und Form des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils auf die Erfassungseinrichtung aus.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops, die eine Hilfslichtquelle, welche dazu ausgebildet und angeordnet ist, einen Hilfslichtstrahl so in das Mikroskop einzukoppeln, dass der eingekoppelte Hilfslichtstrahl unter einem Neigungswinkel zu einer Flächennormalen einer Objektebene des Mikroskops verläuft, und eine Erfassungseinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet und angeordnet ist, Lageänderungen eines Auftreffbereichs eines von einer Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des eingekoppelten Lichtstrahls auf der Erfassungseinrichtung zu erfassen, sind die Hilfslichtquelle und die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet und angeordnet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Die Erfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann grundsätzlich jedweden Sensor aufweisen, mit dem eine Lageänderung des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls erfassbar ist. Dies kann im Extremfall ein Punksensor sein, der nur erkennt, ob der Auftreffbereich weiterhin auf ihn fällt. Bereits mit nur zwei lichtempfindlichen Teilbereichen kann der Sensor zudem die Richtung der Lageänderung des Auftreffbereichs auflösen. Wenn die Erfassungseinrichtung einen Zeilensensor aufweist, kann die Lage und können damit auch Lageänderungen des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls sehr genau erfasst werden. Zeilensensoren sind aber häufig nicht günstiger als zweidimensionale Kameras oder Bildsensoren. Diese sind zudem geeignet, auch seitliche Auslenkungen des Auftreffbereichs aus der jeweiligen von der Geraden und der Flächennormalen aufgespannten Ebene zu erfassen. Weiterhin ist es mit einer Kamera einfach möglich, auch die Größe und Form des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des jeweiligen Lichtstrahls auf die Erfassungseinrichtung zu erfassen und in Bezug auf Änderungen zu überwachen. Zudem kann eine einzige Kamera für mehrere unterschiedlich orientierte Ebenen, in denen mehrere Hilfslichtstrahlen verlaufen, bzw. die zurückreflektierten Anteile dieser Lichtstrahlen verwendet werden. Eine Kamera vereinfacht zudem die Justage der erfindungsgemäßen Vorrichtung, indem sie das Auffinden des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls auf die Erfassungseinrichtung und damit das gezielte Anordnen dies Auftreffbereichs an einem zentralen Punkt des Erfassungsbereichs erleichtert, damit Änderungen des Fokuszustands in jeder Richtung anhand der resultierenden Lageänderungen des Auftreffbereichs erfasst werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Hilfslichtquelle konkret dazu ausgebildet und angeordnet sein, den Hilfslichtstrahl so in das Mikroskop einzukoppeln, dass der eingekoppelte Hilfslichtstrahl in einer weiteren Ebene verläuft, die außerhalb des dem Hauptabbildungsbereich des Mikroskops entsprechenden Hauptstrahlengangs des Mikroskops von einer in einer Bildebene des Mikroskops verlaufenden weiteren Gerade und einer Querachse der Bildebene aufgespannt wird, deren Neigung zu einer Flächennormalen der Bildebene in einem Bereich von mindestens +/- 2° oder +/- 5° einstellbar ist. Bei einem telezentrischen Abbildungssystem, womit auch hier ausschließlich gemeint ist, dass bei dem Abbildungssystem eine Tubuslinse und eine Objektivlinse koaxial im Abstand der Summe ihrer Brennweiten angeordnet sind, wird die Ebene, die von der in der Objektebene verlaufenden Geraden und der Flächennormalen der Objektebene aufgespannt wird, in eine weitere Ebene abgebildet, die von der weiteren Geraden und der Flächennormalen der Bildebene aufgespannt wird. Entsprechend ist dann auch der Hilfslichtstrahl so in das Mikroskop einzukoppeln, dass er in dieser unter 90° zu der Bildebene verlaufenden weiteren Ebene verläuft. Bei nicht telezentrischen Abbildungssystem wird die von der Geraden in der Objektebene und der Flächennormalen zu der Objektebene aufgespannte Ebene jedoch in eine weitere Ebene abgebildet, die unter einem anderen Winkel als 90°, d. h. einem Neigungswinkel zu der Flächennormalen der Bildebene verläuft. Dieser Neigungswinkel liegt häufig im Bereich maximal +/- 2°, manchmal auch im Bereich von +/- 5°. Um die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei Mikroskopen mit nicht telezentrischen Abbildungssystemen einsetzen zu können, ist eine Verstellbarkeit zu Abdeckung dieses Neigungswinkels vorzusehen. Dazu kann beispielsweise ein reflektierendes Element um die weitere Gerade verkippt werden. Zudem ist bei nicht telezentrischen Abbildungssystemen ein in der Objekteben kollimierter Hilfslichtstrahl in der Bildebene divergent oder konvergent und umgekehrt. Dies ist bei der Einstellung der Divergenz des Hilfslichtstrahls in der Hilfslichtquelle zu berücksichtigen, wenn eine bestimmte Divergenz des Hilfslichtstrahls in der Objektebene gewünscht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der eingekoppelte Hilfslichtstrahl real durch die Bildebene des Mikroskops verlaufen. Er kann aber auch ausschließlich virtuell durch die Bildebene verlaufen, worunter z. B. zu verstehen ist, dass er durch eine der Bildebene entsprechende virtuelle Ebene in einem Abzweig von dem Strahlengang des Mikroskops verläuft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Teil des Mikroskops sein, dessen Fokuszustand zu überwachen ist. Sie kann insbesondere mit weiteren Teilen dieses Mikroskops zu einer Einheit zusammengefasst sein. Konkret kann die Vorrichtung eine Kamera oder einen anderen Bildsensor des Mikroskops aufweisen, auf die bzw. den der Hauptabbildungsbereich des Mikroskops abgebildet wird.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Scanner aufweisen, der dazu ausgebildet ist, den Hauptabbildungsbereich des Mikroskops mit einem Messstrahl abzutasten. Dann sind die Hilfslichtquelle und die Erfassungseinrichtung insbesondere dazu ausgebildet und angeordnet, den Hilfslichtstrahl auf einer Objektseite des Scanners einzukoppeln und den von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteil des Hilfslichtstrahls auf der Objektseite des Scanners auszukoppeln. Der Hilfslichtstrahl wird dann außerhalb des Arbeitsbereichs des Scanners in den Strahlengang des Mikroskops eingekoppelt. Dabei kommt es auch dann zu keinen Wechselwirkungen, wenn der eingekoppelte Hilfslichtstrahl eine Wellenlänge im gleichen Wellenlängenbereich wie mindestens eine Komponente des Messstrahls aufweist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Scanner kann eine formsteife Struktur aufweisen, an der der Scanner, die Hilfslichtquelle und die Erfassungseinrichtung gelagert sind.
Insbesondere kann diese formsteife Struktur eine Lagerplatte sein. An der formsteifen Struktur kann ein Gegenanschluss zu einem Kameraanschluss oder einem anderen normierten Anschluss eines ein Abbildungssystem des Mikroskops umfassenden Mikroskopstativs ausgebildet sein, der eine definierte Lage zu einer Bildebene des Mikroskops aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt dann einen Scannerkopf zur Ausbildung eines Scanning-Mikroskops an dem Mikroskopstativ dar, wobei die Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Überwachung des Fokuszustands dieses Scanning-Mikroskops ausgebildet ist. Durch Anschließen des Gegenanschlusses an den normierten Anschluss des Mikroskopstativs wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in eine definierte Lage zu der Bildebene des Mikroskops gebracht. So kann die Vorrichtung ohne Weiteres den Hilfslichtstrahl wie gewünscht relativ zu dieser Bildebene einkoppeln. Wenn das Abbildungssystem des Mikroskopstativs nicht telezentrisch aufgebaut ist, ist diese Nicht-Telezentrizität wie oben erläutert beim Einkoppeln des Hilfslichtstrahls gegenüber der Bildebene und auch bei der Einstellung der Divergenz des Hilfslichtstrahls zu berücksichtigen.
Die Hilfslichtquelle weist vorzugsweise eine auf unterschiedliche Brennweiten ansteuerbare Flüssiglinse und eine Linsensteuerung auf, die dazu ausgebildet ist, den Hilfslichtstrahl mit der Flüssiglinse so zu formen, dass er in der Objektebene und entsprechend auch in jeder Bildebene des Mikroskops kollimiert ist oder in einen Punkt nahe der Objektebene fokussiert wird, und/oder die dazu ausgebildet ist, den von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteil des eingekoppelten Hilfslichtstrahls beim Auftreffen auf die Erfassungseinrichtung zu kollimieren oder auf die Erfassungseinrichtung zu fokussieren. Das Kollimieren beim Auftreffen des reflektierten Anteils auf die Erfassungseinrichtung ist gleichbedeutend damit, dass sich der Durchmesser oder die Halbwertsbreite des Auftreffbereichs des reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls auch mit auftretenden größeren Änderungen des Fokuszustands nicht oder nur wenig ändert, die Vorrichtung also eine große „Tiefenschärfe“ aufweist. Das Kollimieren beim Auftreffen des reflektierten Anteils auf die Erfassungseinrichtung wird praktisch vielfach bedeuten, dass der Hilfslichtstrahl in der Objektebene nicht kollimiert ist. Seine Divergenz im Bereich der Objektebene ist dann aber nur klein. Das Fokussieren auf die Erfassungseinrichtung ist gleichbedeutend damit, dass der Auftreffbereich des reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls eine möglichst geringe Halbwertsbreite aufweist, die eine genaue Bestimmung seiner Lage und von Lageänderungen erlaubt. Dabei impliziert das Fokussieren auf die Erfassungseinrichtung, dass der Hilfslichtstrahl auch in die oder in der Nähe der Objektebene fokussiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin ein reflektierendes Element aufweisen, das so außerhalb des dem Hauptabbildungsbereich entsprechenden Strahlengangs des Mikroskops angeordnet ist, dass es den Hilfslichtstrahl von der Hilfslichtquelle in das Mikroskop einkoppelt und den von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteil des Hilfslichtstrahls zu der Erfassungseinrichtung auskoppelt, ohne dass potentiell an der Abbildung des Hauptabbildungsbereichs beteiligtes Licht auf das reflektierende Element trifft. Das reflektierende Element kann insbesondere so angeordnet sein, dass seine reflektierende Fläche eine Zwischenbildebene des Mikroskops schneidet.
Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens ein weiteres optisches Element aufweisen, das außerhalb des dem Hauptabbildungsbereich entsprechenden Hauptstrahlengang des Mikroskops angeordnet ist und durch das der in das Mikroskop eingekoppelte Hilfslichtstrahl und der von der Referenzgrenzfläche reflektierte und noch nicht aus dem Mikroskop ausgekoppelte Anteil des Hilfslichtstrahls hindurchtreten. Bei diesem mindestens einen weiteren optischen Element kann es sich um eine λ/2-Platte handeln, insbesondere wenn die Vorrichtung einen Strahlteiler aufweist, der den von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteil des Hilfslichtstrahls von dem Hilfslichtstrahl trennt und dieser Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler ist, dem objektseitig die λ/2-Platte nachgeschaltet ist, um Reflexionen des Hilfslichtstrahls an anderen Grenzflächen gegenüber derjenigen an der Referenzgrenzfläche oder denjenigen an den Referenzgrenzflächen zu unterdrücken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise auch eine Fokuserhaltungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Lage des Auftreffbereichs des von der Referenzgrenzfläche reflektierten Anteils des eingekoppelten Hilfslichtstrahls durch ein die erfassten Lageänderungen kompensierendes Verlagern der Referenzgrenzfläche gegenüber dem Mikroskop konstant zu halten. Dazu wirkt sie typischerweise auf einen Objekthalter ein, beispielsweise mit Piezostellelementen. Die Piezostellelemente werden dann so von der Fokuserhaltungseinrichtung angesteuert, dass die Referenzgrenzfläche ihre Lage gegenüber der Objektebene des Mikroskops und damit ein gegenüber der Referenzgrenzfläche ortsfestes Objekt seine Anordnung gegenüber dem Mikroskop beibehält. Dies ist gleichbedeutend damit, das sich der Fokuszustand des Mikroskops nicht ändert, weil er konstant gehalten wird. Zudem kann die Fokuserhaltungseinrichtung bei unbekanntem Fokuszustand eine automatisierte Annährung an das jeweilige Objekt durchführen, indem sie den Objekthalter zum Beispiel so lange verfährt, bis eine äußere Grenzfläche des Objekts in der Objektebene liegt und den Hilfslichtstrahl zu der Erfassungseinrichtung zurück reflektiert.
Ein erfindungsgemäßes Mikroskop mit einem Abbildungssystem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen des Fokuszustands des Mikroskops auf.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem optischen Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein optisches Element, zwei optische Elemente oder mehr optische Elemente vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder das jeweilige Erzeugnis aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 ist eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 ist eine vergrößerte Draufsicht auf eine Objektebene des erfindungsgemäßen Mikroskops gemäß 1.
3 ist eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
4 ist eine unter 90° zu der Seitenansicht gemäß 3 verlaufende weitere schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Mikroskops gemäß 3.
5 ist eine 4 entsprechende Seitenansicht des erfindungsgemäßen Mikroskops gemäß 3, die den Effekt einer axial verlagerten Referenzgrenzfläche zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

FIGURENBESCHREIBUNG
Das in 1 schematisch dargestellte Mikroskop 1 weist ein Abbildungssystem 2 mit einer Objektivlinse 3 und einer Tubuslinse 4 auf. Das Abbildungssystem 2 bildet eine Objektebene 5 in eine Bildebene 6 ab. Dabei ist in der Bildebene 6 eine Kamera 7 angeordnet. Die Kamera 7 definiert einen Hauptabbildungsbereich in der Objektebene 5. Dieser Hauptabbildungsbereich ist der Bereich eines in der Objektebene 5 angeordneten Objekts, der von dem Abbildungssystem 2 auf die Kamera 7 abgebildet wird. Ein Bildfeld 8 des Abbildungssystems 2 in der Bildebene 6 ist größer als die Kamera 7. Außerhalb eines Hauptstrahlengangs 9 des Mikroskops 1, der um eine optische Achse 10 des Mikroskops angeordnet ist und der dem Hauptabbildungsbereich und der Kamera 7 entspricht, aber innerhalb des Strahlengangs des Mikroskops 1, der dem gesamten Bildfeld 8 entspricht, ist ein reflektierendes Element 11 einer Vorrichtung 12 zum Überwachen des Fokuszustands des Mikroskops 1 angeordnet. Das reflektierende Element 11 koppelt einen Hilfslichtstrahl 13 von einer Hilfslichtquelle 14 in den Strahlengang des Mikroskops 1 ein und koppelt einen an einer Referenzgrenzfläche reflektierten Anteil 15 des Hilfslichtstrahls aus dem Strahlengang des Mikroskops 1 zu einer Erfassungseinrichtung 16 hin aus.
2 zeigt in Blickrichtung längs der optischen Achse 10 auf die Objektebene 5 den rechteckigen Hauptabbildungsbereich 17, der der Kamera 7 in der Bildebene 6 entspricht, und einen größeren Abbildungsbereich 18, der dem Bildfeld 8 gemäß 1 entspricht. Außerhalb des Hauptabbildungsbereichs 17 verläuft in der Objektebene 5 eine Gerade 19 durch den Abbildungsbereich 18. Diese Gerade 19 spannt zusammen mit einer Flächennormalen der Objektebene 5 eine Ebene auf, in der der Hilfslichtstrahl 13 geneigt zu der Flächennormalen verläuft. In dieser Ebene 20 läuft auch der reflektierte Anteil 15 des Hilfslichtstrahls zurück, wobei er in der Objektebene 5 längs der Geraden 19 gegenüber dem Hilfslichtstrahl 13 versetzt sein kann, wenn er an einer hinter der Objektebene 5 liegenden Referenzgrenzfläche reflektiert wird. Dies gilt zumindest solange, wie die Referenzgrenzfläche nicht um die Gerade 19 gegenüber der Objektebene 5 verkippt ist. Sonst wandert der reflektierte Anteil 15 mit zunehmendem Kippwinkel und zunehmendem Abstand der reflektierenden Referenzgrenzfläche aus der Ebene 20 heraus. Solange die Referenzgrenzfläche nicht verkippt ist, bleibt der reflektierte Anteil 15 in der Ebene 20 und wandert auf der Erfassungseinrichtung 16 mit sich änderndem Abstand der Referenzgrenzfläche zu der Objektebene 5 längs eines Abbilds der Geraden 19 oder einer Projektion der Ebene 20 auf die Erfassungseinrichtung 16.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops 1 gemäß den 3 bis 5 koppelt die Vorrichtung 12 den Hilfslichtstrahl 13 durch die Zwischenbildebene 6 dort, wo das Bildfeld 8 über die Kamera 7 hinausgeht, in den Strahlengang 9 des Mikroskops 1 ein. Dies geht aus der Seitenansicht gemäß 3 hervor, nicht aber aus dazu senkrechten Seitenansichten gemäß den 4 und 5. Der Hilfslichtstrahl 13 wird hier direkt, d. h. ohne Umlenkung eingekoppelt. Ein außerhalb des Hauptstrahlengangs 9 des Mikroskops 1 in der Bildebene 6 angeordnetes optisches Elemente 21 ist ein Strahlteiler 22, der den reflektierten Anteil 15 von dem Hilfslichtstrahl 13 zu der Erfassungseinrichtung 16 hin abtrennt. 3 zeigt die Ebene 20, in der der Hilfslichtstrahl 13 auf die Objektebene 5 fällt, als gestrichelte Linie. Bei telezentrischer Anordnung der Objektivlinse 3 und der Tubuslinse 4 verläuft der Hilfslichtstrahl auch durch eine rechtwinklig zu der Zwischenbildebene 6 verlaufende weitere Ebene 23. Ohne Telezentrizität ist die weitere Ebene gegenüber diesem senkrechten Verlauf leicht verkippt. Die Zeichenebene von 4 verläuft parallel zu der Ebene 20 und der weiteren Ebene 23. Dabei wird deutlich, dass der Hilfslichtstrahl 13 gegenüber der Flächennormalen zu der Objektebene 5 in der Ebene 20 und einer Flächennormalen zu der Bildebene 6 in der Ebene 23 geneigt ist, so dass der in 4 von der Objektebene 5 reflektierte Anteil 15 mit demselben absoluten Neigungswinkel auf der anderen Seite der jeweiligen Flächennormalen zurückläuft. 5 zeigt, wie sich die Verlagerung der reflektierenden Referenzgrenzfläche 24 gegenüber der Objektebene 5 auf den Verlauf des reflektierten Anteils 15 und die Lage seines Auftreffbereichs 25 auf die Erfassungseinrichtung 16 auswirkt. Mit der Verlagerung der reflektierenden Referenzgrenzfläche 24 weg von dem Abbildungssystem 2 wandert der Auftreffbereich 25 nach links. Bei einer Annäherung der reflektierenden Referenzgrenzfläche 24 an das Abbildungssystem 2 wandert er hingegen nach rechts (nicht dargestellt). Eine unveränderte Lage des Auftreffbereichs 25 auf die Erfassungseinrichtung 16 bedeutet daher einen festen Abstand der reflektierenden Referenzgrenzfläche 24 zu dem Abbildungssystem 2. Entsprechend kann ein Objekthalter, der ein abzubildendes Objekt mit der reflektierenden Referenzgrenzfläche 24 gegenüber dem Abbildungssystem 2 positioniert, basierend auf der von der Erfassungseinrichtung 16 erfassten Lage des Auftreffbereichs 25 so angesteuert werden, dass diese Lage gleich bleibt. Damit wird der Fokuszustand des Mikroskops 1 konstant gehalten.
Die in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikroskops 1 gehen von einem Hilfslichtstrahl 13 aus, der in der Objektebene 5 kollimiert ist und entsprechend auch kollimiert auf die Erfassungseinrichtung 16 trifft. Der Hilfslichtstrahl 13 kann aber auch auf oder in der Nähe der Objektebene 5 und auch auf die Erfassungseinrichtung 16 fokussiert werden.
6 illustriert eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 sowie weitere Teile eines erfindungsgemäßen Laser-Scanning-Mikroskops, aber ohne ein Mikroskopstativ, das das Abbildungssystem 2 des Mikroskops 1 und einen Objekthalter umfasst. Vielmehr endet die Vorrichtung 12 an einem Gegenanschluss 26 zu einem normierten Anschluss des Mikroskopstativs, beispielsweise einem so genannten C-Mount mit definierter Lage zu einer Zwischenbildebene 38 des Mikroskops. In dieser Zwischenbildebene 38 ist das reflektierende Element 11 der Vorrichtung 12 zum Einkoppeln des Hilfslichtstrahls 13 von der Hilfslichtquelle 14 und zum Auskoppeln des reflektierten Anteils 15 zu der Erfassungseinrichtung 16 angeordnet. Dabei wird der reflektierte Anteil 15 mit einem polarisierenden Strahlteiler 27 von dem Hilfslichtstrahl 13 getrennt, und auf der Objektseite des reflektierenden Elements 11 ist eine λ/2-Platte 28 angeordnet, die zur Unterdrückung von Reflexen des Hilfslichtstrahls 13 an optischen Grenzflächen auf der Objektseite des Strahlteilers 27 in dem zu der Erfassungseinrichtung 16 gelangenden Anteil 15 dient. Die Vorrichtung 12 umfasst weiterhin einen Scanner 29 zum Verlagern eines auf das jeweilige Objekt gerichteten Messstrahls 30 innerhalb eines Scanbereichs 31 in der Zwischenbildebene 38, der hier dem Hauptabbildungsbereich des Mikroskops entspricht. Das reflektierende Element 11 und die λ/2-Platte 28 sind außerhalb dieses Scanbereichs 31 und des sich anschließenden Hauptstrahlengangs des Mikroskops angeordnet. Der Scanner 29 kann auf Drehspiegeln basieren und dann mindestens einen Drehspiegel je Scanrichtung aufweisen. Für mindestens eine der Scanrichtungen können auch zwei einzeln ansteuerbare Drehspiegel vorhanden sein. Der Messstrahl 30 kommt von einem Laser 32. Der Scanner 29 verlagert nicht nur den Messstrahl 30, sondern er entscannt auch von dem jeweiligen Objekt kommendes, mit dem Messstrahl 30 angeregtes Licht, insbesondere Fluoreszenzlicht 33, das mit einem Strahlteiler 34 zu einem Detektor 35 hin ausgekoppelt wird. Die in 6 von einer gestrichelten Linie 36 umgebenden Bestandteile der Vorrichtung 12 sind gemeinsam an einer nicht separat dargestellten tragenden Struktur angeordnet. Dabei kann die Ausrichtung des reflektierenden Elements gegenüber dieser tragenden Struktur verstellbar sein, um die Vorrichtung 12 an eine Nicht-Telezentrizität des jeweiligen Mikroskopstativs anzupassen. Mit einer elektrisch ansteuerbaren Flüssiglinse 37, die zwischen dem polarisierenden Strahlteiler 27 und der hier als Laserdiode ausgebildeten Hilfslichtquelle 14 angeordnet ist, kann der Hilfslichtstrahl 13 und damit auch sein reflektierter Anteil 15 in der Zwischenbildebene 38 kollimiert oder alternativ in einen gegenüber der Zwischenbildebene 38 definierten Punkt und/oder auf die Erfassungseinrichtung 16 fokussiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Mikroskop
2: Abbildungssystem
3: Objektivlinse
4: Tubuslinse
5: Objektebene
6: Bildebene
7: Kamera
8: Bildfeld
9: Hauptstrahlengang
10: optische Achse
11: reflektierendes Element
12: Vorrichtung
13: Hilfslichtstrahl
14: Hilfslichtquelle
15: reflektierter Anteil des Hilfslichtstrahls 13
16: Erfassungseinrichtung
17: Hauptabbildungsbereich
18: Abbildungsbereich
19: Gerade
20: Ebene
21: optisches Element
22: Strahlteiler
23: weitere Ebene
24: Referenzgrenzfläche
25: Auftreffbereich
26: Gegenanschluss
27: polarisierender Strahlteiler
28: λ/2-Platte
29: Scanner
30: Messstrahl
31: Scanbereich
32: Laser
33: Fluoreszenzlicht
34: Strahlteiler
35: Detektor
36: gestrichelte Linie
37: Flüssiglinse
38: Zwischenbildebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2102922 A [0003]
DE 3641048 A1 [0004]
EP 0453946 B1 [0005]
WO 00/72078 A1 [0006, 0017]
WO 2004/029691 A1 [0007]
DE 102009019290 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops (1), - wobei ein Hilfslichtstrahl (13) so in das Mikroskop (1) eingekoppelt wird, dass er unter einem Neigungswinkel zu einer Flächennormalen einer Objektebene (5) des Mikroskops (1) verläuft, und - wobei Lageänderungen eines Auftreffbereichs (25) eines von einer Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteils (15) des eingekoppelten Hilfslichtstrahls (13) auf einer Erfassungseinrichtung (16) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass der eingekoppelte Hilfslichtstrahl (13) in einer Ebene (20) verläuft, die außerhalb eines Hauptabbildungsbereichs (17) des Mikroskops (1) von einer in der Objektebene (5) verlaufenden Geraden (19) und der Flächennormalen aufgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Abstand der Geraden (19) zu einer optischen Achse (10) des Mikroskops (1) mindestens 5 mm/V oder mindestens 10 mm/V beträgt, wobei V eine Vergrößerung des Mikroskops (1) ist, und/oder - dass der Hauptabbildungsbereich (17) durch den Bereich der Objektebene (5) definiert ist, der auf eine Kamera (7) oder einen anderen Bildsensor des Mikroskops (1) abgebildet wird, und/oder - dass der Hilfslichtstrahl (13) auf einer Objektseite eines Scanners (29) des Mikroskops (1) eingekoppelt wird, wobei der Hauptabbildungsbereich (17) durch - den größten Bereich der Objektebene (5) definiert ist, den der Scanner (29) mit einem Messstrahl (30) abtastet, oder - den größten rechteckige Bereich der Objektebene (5) definiert ist, den der Scanner (29) mit einem Messstrahl (30) abtastet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel zwischen der Flächennormalen und dem Hilfslichtstrahl (13) zwischen arcsin(0,1 NA/n) und arcsin(1 NA/n) oder zwischen arcsin(0,5 NA/n) und arcsin(1 NA/n) beträgt, wobei NA eine numerische Apertur eines Abbildungssystems (2) des Mikroskops (1) ist und wobei n ein Brechungsindex eines letzten optischen Mediums ist, durch das hindurch der Hilfslichtstrahl (13) auf die Referenzgrenzfläche (24) trifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfslichtstrahl (13) eine senkrechte Projektion einer oder der optischen Achse (10) des Mikroskops (1) auf die Ebene (20) in der Objektebene (5) oder in einem maximalen Abstand von 100 µm oder 50 µm oder 10 µm zu der Objektebene (5) schneidet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfslichtstrahl (13) und ein weiterer Hilfslichtstrahl (13), die sich durch ihre Neigungswinkel gegenüber der Flächennormalen unterscheiden, zeitgleich oder nacheinander in das Mikroskop (1) eingekoppelt werden, um Lageänderungen von Auftreffbereichen (25) von an der Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteilen (15) beider Hilfslichtstrahlen (13) auf der Erfassungseinrichtung (16) zu erfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der Hilfslichtstrahl (13) und ein weiterer Hilfslichtstrahl (13), die sich in den Richtungen der Geraden (19) unterscheiden, die die Ebenen (20) mit aufspannen, in denen die beiden Hilfslichtstrahlen (13) verlaufen, zeitgleich oder nacheinander in das Mikroskop (1) eingekoppelt werden, um Lageänderungen von Auftreffbereichen (25) von an der Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteilen (15) beider Hilfslichtstrahlen (13) auf der Erfassungseinrichtung (16) zu erfassen, - wobei die Geraden (19) optional senkrecht zueinander verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Divergenz des Hilfslichtstrahls (13) so eingestellt wird, dass der Hilfslichtstrahl (13) in der Objektebene (5) kollimiert wird oder in einen Punkt nahe der Objektebene (5) fokussiert wird, der nicht weiter als 100 µm oder 50 µm oder 10 µm von der Objektebene (5) entfernt ist, - wobei die Divergenz des Hilfslichtstrahls (13) optional mit einer auf unterschiedliche Brennweiten ansteuerbaren Flüssiglinse (37) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierte Anteil (15) des eingekoppelten Hilfslichtstrahls (13) beim Auftreffen auf die Erfassungseinrichtung (16) kollimiert wird oder auf die Erfassungseinrichtung (16) fokussiert wird, - wobei optional die oder eine Divergenz des Hilfslichtstrahls (13) mit der oder einer auf unterschiedliche Brennweiten ansteuerbaren Flüssiglinse (37) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der Hilfslichtstrahl (13) und ein weiterer Hilfslichtstrahl (13), die sich in den Lagen von Punkten, in die sie fokussiert werden, relativ zu der Objektebene (5) unterscheiden, nacheinander in das Mikroskop (1) eingekoppelt werden, um Lageänderungen von Auftreffbereichen (25) von an der Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteilen (15) beider Hilfslichtstrahlen (13) auf der Erfassungseinrichtung (16) zu erfassen, - wobei der Hilfslichtstrahl (13) und der weitere Hilfslichtstrahl (13) mit der oder einer auf unterschiedliche Brennweiten ansteuerbaren Flüssiglinse (37) fokussiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass mit einem reflektierenden Element (11), das außerhalb eines dem Hauptabbildungsbereich (17) zugeordneten Hauptstrahlengangs (8) des Mikroskops (1) angeordnet wird, der Hilfslichtstrahl (13) in das Mikroskop (1) eingekoppelt und der von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierte Anteil (15) des Hilfslichtstrahls (13) zu der Erfassungseinrichtung (16) ausgekoppelt wird, - wobei das reflektierende Element (11) optional so angeordnet wird, dass seine reflektierende Fläche eine Bildebene (6, 38) des Mikroskops (1) schneidet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass mindestens ein optisches Element (21) außerhalb des oder eines dem Hauptabbildungsbereich (17) zugeordneten Hauptstrahlengangs (8) des Mikroskops (1) angeordnet wird, durch das der in den Strahlengang des Mikroskops (1) eingekoppelte Hilfslichtstrahl (13) und der von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierte und noch nicht aus dem Strahlengang des Mikroskops (1) ausgekoppelte Anteil (15) des Hilfslichtstrahls (13) hindurchtreten, - wobei das mindestens eine optische Element (21) optional eine λ/2-Platte (28) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierte Anteil (15) des Hilfslichtstrahls (13) mit einem Strahlteiler (22) von dem Hilfslichtstrahl (13) getrennt wird, - wobei der Strahlteiler (22) optional ein polarisierender Strahlteiler (27) ist, dem objektseitig eine oder die λ/2-Platte (28) nachgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Lage des Auftreffbereichs (25) des von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteils (15) des eingekoppelten Hilfslichtstrahls (13) durch die erfassten Lageänderungen kompensierendes Verlagern der Referenzgrenzfläche (24) gegenüber dem Mikroskop (1) konstant gehalten wird, - optional während ein Objekt in dem Hauptabbildungsbereich (17) der Objektebene (5) mit dem Mikroskop (1) abgebildet wird.
Vorrichtung (12) zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops (1), wobei die Vorrichtung (12) - eine Hilfslichtquelle (14), die dazu ausgebildet und angeordnet ist, einen Hilfslichtstrahls (13) so in das Mikroskop (1) einzukoppeln, dass der eingekoppelte Hilfslichtstrahl (13) unter einem Neigungswinkel zu einer Flächennormalen einer Objektebene (5) des Mikroskops (1) verläuft, und - eine Erfassungseinrichtung (16) aufweist, die dazu ausgebildet und angeordnet ist, Lageänderungen eines Auftreffbereichs (25) eines von einer Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteils (15) des eingekoppelten Hilfslichtstrahls (13) auf der Erfassungseinrichtung (16) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfslichtquelle (14) und die Erfassungseinrichtung (16) dazu ausgebildet und angeordnet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfslichtquelle (14) dazu ausgebildet und angeordnet ist, den Hilfslichtstrahls (13) so in das Mikroskop (1) einzukoppeln, dass der eingekoppelte Hilfslichtstrahl (13) in einer weiteren Ebene (23) verläuft, die außerhalb des oder eines dem Hauptabbildungsbereich (17) entsprechenden Hauptstrahlengangs (8) des Mikroskops (1) von einer in einer Bildebene (6, 38) des Mikroskops (1) verlaufenden weiteren Geraden (19) und einer Querachse der Bildebene (6, 38) aufgespannt wird, deren Neigung zu einer Flächennormalen der Bildebene (6, 38) in einem Bereich von mindestens +/- 2° oder +/- 5° einstellbar ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der eingekoppelte Hilfslichtstrahl (13) real oder virtuell durch die Bildebene (6, 38) verläuft.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch eine Kamera (7) oder einen anderen Bildsensor, auf den/die der Hauptabbildungsbereich (17) abgebildet wird.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch einen Scanner (29), der dazu ausgebildet ist, den Hauptabbildungsbereich (17) mit einem Messstrahl (30) abzutasten, wobei die Hilfslichtquelle (14) und die Erfassungseinrichtung (16) dazu ausgebildet und angeordnet ist, den Hilfslichtstrahl (13) auf einer Objektseite des Scanners (29) einzukoppeln und den von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteil (15) des Hilfslichtstrahls (13) auf der Objektseite des Scanners (29) auszukoppeln.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der eingekoppelte Hilfslichtstrahl (13) eine Wellenlänge im gleichen Wellenlängenbereich wie mindestens eine Komponente des Messstrahls (30) aufweist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch - eine formsteife Struktur an der der Scanner (29), die Hilfslichtquelle (14) und die Erfassungseinrichtung (16) gelagert sind, - wobei an der formsteifen Struktur optional ein Gegenanschluss (26) zu einem Kameraanschluss oder einem anderen normierten Anschluss eines Mikroskopstativs ausgebildet ist, der eine definierte Lage zu der oder einer Bildebene (6, 38) des Mikroskops (1) aufweist.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfslichtquelle (14) eine auf unterschiedliche Brennweiten ansteuerbare Flüssiglinse (37) und eine Linsensteuerung aufweist, die dazu ausgebildet ist, - den Hilfslichtstrahl (13) mit der Flüssiglinse (37) so zu formen, dass er in der Objektebene (5) kollimiert ist oder in einen Punkt nahe der Objektebene (5) fokussiert wird, und/oder - den von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierte Anteil (15) des eingekoppelten Hilfslichtstrahls (13) beim Auftreffen auf die Erfassungseinrichtung (16) zu kollimieren oder auf die Erfassungseinrichtung (16) zu fokussieren.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 14 bis 21, gekennzeichnet durch - ein reflektierendes Element (11), das so außerhalb eines dem Hauptabbildungsbereich (17) zugeordneten Hauptstrahlengangs (8) des Mikroskops (1) angeordnet ist, dass es den Hilfslichtstrahl (13) von der Hilfslichtquelle (14) in das Mikroskop (1) einkoppelt und den von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteil (15) des Hilfslichtstrahls (13) zu der Erfassungseinrichtung (16) auskoppelt, - wobei das reflektierende Element (11) optional so angeordnet ist, dass seine reflektierende Fläche die oder eine Bildebene (6, 38) schneidet.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 14 bis 22, gekennzeichnet durch - mindestens ein optisches Element (21), das außerhalb des oder eines dem Hauptabbildungsbereich (17) zugeordneten Hauptstrahlengangs (8) des Mikroskops (1) angeordnet ist und durch das der in das Mikroskop (1) eingekoppelte Hilfslichtstrahl (13) und der von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierte und noch nicht aus dem Mikroskop (1) ausgekoppelte Anteil (15) des Hilfslichtstrahls (13) hindurchtreten, - wobei das mindestens eine optische Element (21) optional eine λ/2-Platte (28) ist.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 14 bis 23, gekennzeichnet durch - einen Strahlteiler (22), der den von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteil (15) des Hilfslichtstrahls (13) von dem Hilfslichtstrahl (13) trennt, - wobei der Strahlteiler (22) optional ein polarisierender Strahlteiler (27) ist, dem objektseitig eine oder die λ/2-Platte (28) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 14 bis 24, gekennzeichnet durch - eine Fokuserhaltungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Lage des Auftreffbereichs (25) des von der Referenzgrenzfläche (24) reflektierten Anteils (15) des eingekoppelten Hilfslichtstrahls (13) durch ein die erfassten Lageänderungen kompensierendes Verlagern der Referenzgrenzfläche (24) gegenüber dem Mikroskop (1) konstant zu halten.
Mikroskop (1) mit einem Abbildungssystem (2) und einer Vorrichtung (12) zum Überwachen des Fokuszustands des Mikroskops (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 25.