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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beleuchtung eines Probenvolumens eines Mikroskops, eine Beleuchtungssteuervorrichtung zur Steuerung einer ein Probenvolumen eines Mikroskops beleuchtenden Lichtquelle, ein Mikroskop, insbesondere ein Rastermikroskop, sowie ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium.
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Bei der Beleuchtung eines Probenvolumens, die abschnittsweise, d.h. gerastert oder in einem Scanvorgang, erfolgt, ist es wünschenswert, jeden gerasterten bzw. gescannten Bildpunkt mit einer homogenen Bestrahlung zu beleuchten. Trotz der erwünschten homogenen Bestrahlung, d.h. der Strahlungsmenge pro effektiver Probenfläche bzw. Empfängerfläche, für jeden Bildpunkt soll das Rastern oder Scannen über das Probenvolumen jedoch schnell und effizient sein und ferner ein unnötiges Ausbleichen (Bestrahlen einer Probe mit zu hoher Bestrahlung und/oder Bestrahlungssstärke) einer Probe vermieden werden.
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Die Lösungen aus dem Stand der Technik verwenden lediglich einen eingeschränkten Bereich eines Rasterbereichs, um die gewünschte homogene Bestrahlung zu erreichen. Dies hat die Nachteile, dass die Probe in jenem Bereich, der nicht verwendet wird (der also nicht dem Aufnahmebereich des Bildes entspricht), unnötig belastet und gebleicht werden kann und sich ferner die Aufnahmedauer vergrößert. Um diese Nachteile zu umgehen, wird im Stand der Technik das sog. Blanking vorgeschlagen. Der Lichtstrahl wird hierbei außerhalb des Aufnahmebereiches ausgeschaltet. Dies hat allerdings den Nachteil, dass so nur ein verhältnismäßig kleiner Aufnahmebereich möglich ist, da die erforderlichen Schaltzeiten zum wiederholten An- und Ausschalten des Lichtstrahls relativ groß sind. Des Weiteren vermeidet man bei diesem Vorgehen bei einer beispielsweise sinusförmigen Änderung der Geschwindigkeit nicht vollständig eine ungleichmäßige Bestrahlung der Probe im Aufnahmebereich.
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Das eingangs genannte Verfahren löst die obigen Probleme der Lösungen aus dem Stand der Technik, indem es die folgenden Schritte umfasst:
- - Bewegen eines Lichtstrahls entlang eines Beleuchtungsmusters über das Probenvolumen,
- - Ändern wenigstens einer Eigenschaft des Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Position und/oder Geschwindigkeit des Lichtstrahls entlang des Beleuchtungsmusters.
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Die eingangs genannte Beleuchtungssteuervorrichtung löst die obigen Probleme durch mindestens einen Bewegungsdateneingang zur Einspeisung von Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten einer Beleuchtungsscanvorrichtung zum Scannen des Probenvolumens mit einem Lichtstrahl, mindestens einen Beleuchtungssteuerdatenausgang zur Ausgabe von die Lichtquelle steuernden Beleuchtungssteuerdaten und eine Steuereinheit mit mindestens einem Rechenmodul zur positions- und/oder geschwindigkeitsdatenabhängigen Berechnung der Beleuchtungssteuerdaten.
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Das erfindungsgemäße Mikroskop umfasst eine erfindungsgemäße Beleuchtungssteuervorrichtung und das erfindungsgemäße nichtflüchtige computerlesbare Speichermedium umfasst ein Programm zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das nichtflüchtige computerlesbare Speichermedium umfasst insbesondere ein Programm mit Befehlen, die, wenn durch eine geeignete Vorrichtung wie einem Computer ausgeführt, diese Vorrichtung dazu veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Beleuchtungssteuervorrichtung, das erfindungsgemäße Mikroskop und das erfindungsgemäße nichtflüchtige computerlesbare Speichermedium haben somit den Vorteil, dass eine Probe bzw. ein Werkstück so beleuchtet bzw. bestrahlt werden kann, dass über die gesamte Probe/das gesamte Werkstück eine konstante Bestrahlung erreicht wird. Somit ist es möglich, die Geschwindigkeit und auch den gesamten Scanbereich einer Scannervorrichtung auszunutzen, was die Bearbeitungsgeschwindigkeit einer Probe oder eines Werkstücks erhöht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Beleuchtungssteuervorrichtung, sowie das erfindungsgemäße Mikroskop und nichtflüchtige computerlesbares Speichermedium können durch jeweils für sich vorteilhafte Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Die technischen Merkmale der Ausgestaltungen können beliebig miteinander kombiniert und/oder weggelassen werden, sofern es nicht auf den mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielten technischen Effekt ankommt.
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Unter einem Probenvolumen ist ein zweidimensionaler oder dreidimensionaler abgegrenzter Raum zu verstehen, in welchem sich beispielsweise eine Probe oder ein zu bearbeitender Körper (ein Werkstück) befindet bzw. angeordnet werden kann. Das Verfahren wird bevorzugt zur Beleuchtung bzw. Bestrahlung eines Probenvolumens eines Mikroskops verwendet. In diesem Fall wird der Lichtstrahl zur Beleuchtung oder Bestrahlung verwendet, sodass von der Probe transmittiertes, gestreutes, reflektiertes oder in nichtlinearen Prozessen (zum Beispiel Fluoreszenz, SHG, etc.) erzeugtes Licht detektiert und ausgewertet werden kann, um die Probe zu betrachten.
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Allerdings ist das Verfahren auch für eine Oberflächenbehandlung von Werkstücken anwendbar, die aufgrund der notwendigen Bestrahlungsstärke bzw. zu erreichender Bestrahlung und/oder Größe des Werkstückes in einem Raster- oder Scanvorgang erfolgt. Auch bei einer solchen Oberflächenbehandlung ist eine homogene Bestrahlung des Werkstückes erwünscht bzw. notwendig.
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Das Beleuchtungsmuster ist dabei als der Weg zu verstehen, entlang welchem der Lichtstrahl über die Probe gerastert oder gescannt wird. Hierbei muss der Strahl nicht durchgängig die Probe beleuchten.. Sofern lediglich von der Probe gesprochen wird, ist im Allgemeinen ein Objekt (Probe, Werkstück, usw.) gemeint, welches sich im Probenvolumen (das Probenvolumen kann in einigen Ausgestaltungen als Werkstückaufnahmevolumen bezeichnet werden) befindet bzw. dort angeordnet ist.
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Eine kontinuierliche Bewegung kann als Scannen bezeichnet werden und eine Bewegung mit diskreten Schritten als Rastern.
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Beide Arten des Abtastens haben gemeinsam, dass die Abtastbewegung nicht durchgängig linear ist, sondern Umkehrpunkte aufweist. Das heißt, dass der die Probe beleuchtende bzw. bestrahlende Lichtstrahl abschnittsweise verzögert bzw. beschleunigt bewegt wird. Scanvorrichtungen, welche eine durchgängig konstante Scangeschwindigkeit realisieren, sind zumeist teuer und nutzen nicht die maximal mögliche Scangeschwindigkeit einer solchen Vorrichtung.
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Das Abtasten der Probe kann beispielsweise mit einem im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf der Geschwindigkeit erfolgen, wobei der Strahl an den Extrema (Umlenkpunkten) außerhalb der Probe bewegt werden kann.
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Die Bewegung des Lichtstrahls im Probenvolumen entlang des Beleuchtungsmusters ist bevorzugt zumindest abschnittsweise linear und weiter bevorzugt mäanderförmig. Auch sind bogen- oder spiralförmige Bewegungen zum Scannen bzw. Rastern einer Probe denkbar.
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Die Eigenschaft des Lichtstrahls, die in Abhängigkeit von der Position und/oder Geschwindigkeit des Lichtstrahls entlang des Beleuchtungsmusters geändert wird, ist wenigstens eine oder eine Kombination von Eigenschaften aus der Gruppe bestehend aus:
- - Fokus,
- - Bestrahlungsstärke,
- - spektrale Zusammensetzung und
- - Strahlgröße.
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Unter einer Änderung des Fokus kann insbesondere die Änderung der Größe der Strahltaille im Fokus selbst verstanden werden. Die Bestrahlungsstärke ist der Strahlungsfluss pro effektiver Empfängerfläche und ergibt über die Zeit integriert (im einfachsten Fall mit der Zeit multipliziert) die Bestrahlung, d.h. die Strahlungsmenge pro effektiver Empfängerfläche. Unter der spektralen Zusammensetzung kann beispielsweise eine Verschiebung der Wellenlänge verstanden werden, womit eine Variation der Absorption, Reflexion, Streuung oder die Effizienz eines nichtlinearen Prozesses möglich ist. Die Strahlgröße kann sich auf die Größe des Lichtstrahls beziehen, der auf die Probe fokussiert wird.
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Es ist folglich möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Beleuchtungssteuervorrichtung mindestens eine der obigen Eigenschaften des Lichtstrahls zu variieren. Diese Variation erlaubt es, in Abhängigkeit der Position und/oder Geschwindigkeit des Lichtstrahls die pro Flächeneinheit in die Probe eingebrachte Energie, d.h. die Bestrahlung derart zu variieren, dass diese bevorzugt über die komplette Probe konstant ist.
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Die Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten können dabei in Form analoger oder digital codierter Daten über den Bewegungsdateneingang in die erfindungsgemäße Beleuchtungssteuervorrichtung eingespeist werden. Diese Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten werden von der Steuereinheit mit mindestens einem Rechenmodul verwendet, um die Beleuchtungssteuerdaten zu berechnen. Die Beleuchtungssteuerdaten werden ferner dazu verwendet, die wenigstens eine Eigenschaft des Lichtstrahls gemäß den Beleuchtungssteuerdaten zu ändern. Erfindungsgemäß können das Verfahren, die Vorrichtungen und die Speichereinheit auch auf das Bestrahlen eines Körpers, zum Beispiel eines Werkstücks übertragen werden.
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Die berechneten Beleuchtungssteuerdaten werden über den Beleuchtungssteuerdatenausgang zur Steuerung der Lichtquelle in analoger oder digitaler Form ausgegeben. Die Beleuchtungssteuerdaten können in Form einer mehrdimensionalen Matrix vorliegen, in welcher Korrekturparameter für eine, mehrere beliebig kombinierte oder alle Eigenschaften des Lichtstrahls gespeichert sind. Die Korrekturparameter können abhängig von der Position und/oder Geschwindigkeit des Lichtstrahls entlang des Beleuchtungsmusters sein.
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Insbesondere können sich Beleuchtungssteuerdaten einer Position des Lichtstrahls von Beleuchtungssteuerdaten einer anderen Position des Lichtstrahls voneinander unterscheiden. Maßgeblich für die Unterscheidung ist der jeweilige Wert der Beleuchtungssteuerdaten, nicht jedoch eine mögliche Speicheradresse oder ein möglicher Zeitpunkt, zu dem die entsprechenden Beleuchtungssteuerdaten ausgegeben werden.
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Es ist möglich, dass gemäß der Position und/oder Geschwindigkeit des Lichtstrahls Beleuchtungssteuerdaten verschiedener Positionen des Lichtstrahls gleich sind, d.h. identische Korrekturparameter aufweisen. Dies kann, beispielsweise im Falle eines mäanderförmigen Beleuchtungsmusters periodisch (sowohl zeitlich, als auch räumlich) und spiegelsymmetrisch der Fall sein.
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Rein beispielhaft kann ein mäanderförmiges Beleuchtungsmuster entlang einer x-Achse verlaufende lineare Abschnitte aufweisen, die entlang einer y-Achse versetzt zueinander angeordnet sind und an den jeweiligen in bzw. entgegen der x-Achse weisenden Enden der linearen Abschnitte halbkreisförmige Umkehrabschnitte aufweisen können. Diese Umkehrabschnitte verbinden nebeneinanderliegende lineare Abschnitte.
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Betrachtet man die Enden zweier nebeneinanderliegender linearer Abschnitte, so ist im Allgemeinen der Betrag einer Scangeschwindigkeit in einem festgelegten Abstand vom Umkehrabschnitt in beiden linearen Abschnitten gleich groß, lediglich die Richtung, d.h. das Vorzeichen der Geschwindigkeit ist entgegengesetzt. An zwei sich an gegenüberliegenden Enden der linearen Abschnitte befindlichen Positionen können die Geschwindigkeit und Richtung des Lichtstrahls identisch sein.
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Die Scanbewegung kann insbesondere durch einen sogenannten Galvanometerscanner erzeugt werden. Dieser umfasst elektromagnetisch angetriebene Drehachsen, auf denen sich beispielsweise ein Spiegel oder Prisma, befindet. Eine solche Scanbewegung eines resonanten Scanners führt aufgrund der Richtungsänderung in den Umkehrabschnitten zu einem sinus- bzw. kosinusförmigen Geschwindigkeitsverlauf des Lichtstrahls. An den Umkehrabschnitten, diese entsprechen den Minima des Sinusverlaufes der Geschwindigkeit, wird die Geschwindigkeit zuerst reduziert, fällt auf 0 ab und wird darauffolgend in die entgegengesetzte Richtung wieder erhöht. Nichtresonante Scanner können auch andere Scanbewegungen ausführen (zum Beispiel Parabel an den Umkehrpunkten).
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Klassischerweise kann ein resonanter Scanner im Bereich der Mikroskopie ein durch eine Spule angetriebener Spiegel sein, an dem gekoppelt über eine Achse ein Permanentmagnet befestigt ist. Die Spule bzw. dieses System wird durch ein periodisch elektrisches Signal angesteuert. Signifikante Auslenkungen werden allerdings nur bei der mechanischen Resonanzfrequenz des Systems erreicht, deshalb wird dieser als „resonanter Scanner“ bezeichnet.
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Ein resonanter Scanner kann nur sinusförmig scannen, daher ist er in der Bildmitte schneller als am Rand. Die Bestrahlungsstärke (Intensität) kann erfindungsgemäß dynamisch angepasst werden, also am Rand kann eine geringere Intensität als in der Bildmitte eingestellt werden, um die Bestrahlung konstant zu halten.
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In den Lösungen des Standes der Technik führt eine solche Scanbewegung bei konstanter Bestrahlungsstärke des Lichtstrahls, d.h. bei konstanter Intensität dazu, dass die in den Umkehrabschnitten eingebrachte Energie pro Flächeneinheit (die Bestrahlung) wesentlich höher ist als in den linearen Abschnitten. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Bezeichnung „linear“ lediglich auf die räumliche Erstreckung der Abschnitte bezieht und rein beispielhaft anhand des Beispiels einer mäanderförmigen Scanbewegung verwendet wird.
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Allerdings kann um eine zentrale Position der linearen Abschnitte herum der Verlauf der Geschwindigkeit des Lichtstrahls in Näherung als linear angenommen werden. Dies erfordert jedoch, dass Positionen außerhalb dieses angenommenen Bereiches nicht im Probenvolumen liegen und somit lediglich ein Teil des Beleuchtungsmusters tatsächlich zur Beleuchtung des betrachteten Anteils der Probe verwendet werden kann.
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Erfindungsgemäß ist dies nicht mehr notwendig, da die vorliegende Erfindung es ermöglicht, eine Probe mit konstanter Bestrahlung zu bestrahlen. Die folgenden Verbesserungen an der Erfindung sind möglich.
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Die Beleuchtungsscanvorrichtung kann die Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten zur Verfügung stellen, wobei diese auch direkt während des Scanvorganges, beispielsweise mittels positionsempfindlicher Dioden (PSD) ermittelt werden können. Die Beleuchtungsscanvorrichtung (bzw. kurz: der Scanner) kann durch einen akustooptischem Modulator (AOM), wie einen akustooptischen Deflektor (AOD) realisiert werden. Ebenso können mehrere akustooptische Elemente (AOE) als Scanner oder als Teil eines Scanners verwendet werden. Auch die Kombination mehrerer AOE ist möglich. Beispielsweise können für einen Scanner zwei AOD eingesetzt werden. Auch Kombinationen von AOE wie AOD mit klassischen Galvos/resonanten Scannern ist in einer Scanvorrichtung möglich.
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Die Beleuchtungssteuervorrichtung kann insbesondere in einem sogenannten field programmable gate array (FPGA), einem Mikrocontroller oder einem sogenannten complex programmable logic device, d.h. in einer programmierbaren logischen Schaltung implementiert sein.
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Die Steuereinheit kann als integrierter Schaltkreis (IC) ausgestaltet sein, wobei auf diesem das Rechenmodul ausgestaltet bzw. ein separates Rechenmodul assembliert sein kann. Das Rechenmodul kann in einer einfachen Ausgestaltung ein Normierungsmodul und ein Multiplikationsmodul aufweisen.
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Das Normierungsmodul kann die eingegebenen bzw. eingespeisten Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten normieren, sodass diese einen Wert zwischen 0 und 1 aufweisen. Das Multiplikationsmodul kann ferner diesen Wert zwischen 0 und 1 mit einer voreingestellten mittleren Intensität (Bestrahlungsstärke) des Lichtstrahls multiplizieren und das Ergebnis an eine Lichtquelle über den Beleuchtungssteuerdatenausgang ausgeben.
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Wie das obige Beispiel zeigt, wird bevorzugt die Intensität des Lichtstrahls verändert. Sofern in dieser Offenbarung von der Intensität des Lichtstrahls gesprochen wird, ist hiermit die Bestrahlungsstärke, d.h. der Strahlungsfluss pro effektiver Empfängerfläche gemeint. Beide Begriffe sind folglich miteinander austauschbar. In anderen Ausgestaltungen ist es jedoch möglich, die Divergenz bzw. Konvergenz des Lichtstrahls, die zu einer entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls veränderten Fokuslage führen, anzupassen, um eine homogene Beleuchtung der Probe zu gewährleisten.
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Unter der Bezeichnung homogene Beleuchtung soll insbesondere eine über die Probe, d.h. räumlich konstante, Bestrahlung verstanden werden. Die Bestrahlungkann als die Anzahl von Photonen pro Flächeneinheit verstanden werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Variation der Lichtleistung zur Kompensation von Änderungen der Bestrahlungsstärke aufgrund des Scanvorgangs.
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In der vorliegenden Erfindung wird somit eine längere Verweildauer in einem Abschnitt entlang des Beleuchtungsmusters durch eine verringerte Bestrahlungsstärke ausgeglichen, sodass sich nach Überstreichen des Lichtstrahls über den jeweiligen Abschnitt eine konstante Bestrahlung ergibt. Diese wird in Abschnitten hoher Geschwindigkeit des Lichtstrahls in kürzerer Zeit und mit höherer Lichtleistung erreicht, in Abschnitten geringer Geschwindigkeit des Lichtstrahls in längerer Zeit und mit geringerer Lichtleistung.
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Somit kann in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Intensität des Lichtstrahls erhöht werden, wenn sich die Geschwindigkeit des Lichtstrahls erhöht. Geschwindigkeit und Intensität können somit in direkt proportionalem Zusammenhang stehen. Entsprechend kann gemäß einem Aspekt der Erfindung die Intensität des Lichtstrahls verringert werden, wenn sich die Geschwindigkeit des Lichtstrahls verringert. Unter der Geschwindigkeit des Lichtstrahls ist eine Scangeschwindigkeit desselben auf der Probe/dem Werkstück zu verstehen, nicht dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit.
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Ebenso ist es möglich, dass in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Intensität des Lichtstrahls verringert wird, je näher die Position des Lichtstrahls in oder entgegen dessen Bewegungsrichtung am Rand des Probenvolumens ist. In dieser Ausgestaltung wird das Verzögern bzw. Beschleunigen des Lichtstrahls in der Nähe der Umkehrabschnitte berücksichtigt. Entlang eines Randes des Probenvolumens, der parallel zu den linearen Abschnitten der Scanbewegung orientiert ist, beeinflusst die Entfernung zu diesem Rand die Intensität des Lichtstrahls nicht.
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Der funktionelle Zusammenhang zwischen der Entfernung des Lichtstrahls vom Rand des Probenvolumens kann eine zeitliche und/oder räumliche Abhängigkeit aufweisen und insbesondere sinusförmig sein, insbesondere bei einem resonanten Scanner.
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Ein bekannter Verlauf und eine bekannte zeitliche und/oder räumliche Abhängigkeit der Bewegung des Lichtstrahls entlang des Beleuchtungsmusters kann in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungssteuervorrichtung in einer Speichereinheit in Form von gespeicherten, änderbaren Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten gespeichert sein.
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Die gespeicherten Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten können ein Korrekturprofil darstellen, in welchem der oder die Korrekturparameter gespeichert sind und aus welchem in Abhängigkeit von der Position und/oder Geschwindigkeit des Lichtstrahls der für die jeweilige Position des Lichtstrahls hinterlegte Korrekturparameter ausgelesen werden kann.
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Die Speichereinheit kann bekannte nichtflüchtige Speichermedien umfassen, wobei die gespeicherten Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten beliebig überschreibbar und änderbar sein können. Die Daten können von außerhalb der Beleuchtungssteuervorrichtung in die Speichereinheit schreibbar sein.
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In der obigen Ausgestaltung des Verfahrens, in welchem die Intensität des Lichtstrahls verringert wird, je näher sich die Position des Lichtstrahls in oder entgegen dessen Bewegungsrichtung am Rand des Probenvolumens befindet, kann die Variation der Intensität folglich basierend auf den in der Speichereinheit hinterlegten Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungssteuervorrichtung umfasst diese eine Lichtquelle, die mit dem Beleuchtungssteuerdatenausgang verbunden ist. Somit kann auf einfache Weise und ohne unter Umständen notwendige weitere Konverter- oder Steuereinrichtungen die wenigstens eine Eigenschaft des Lichtstrahls verändert werden.
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Die Lichtquelle gibt somit den Lichtstrahl aus, welcher bevorzugt durch eine optische Vorrichtung transmittiert bzw. modifiziert werden kann. Die optische Vorrichtung kann als Linse, Linsensystem oder Spiegelsystem ausgestaltet sein und kann den Lichtstrahl so modifizieren, dass dieser mit vorab definierten und bevorzugt an die entsprechende Anwendung angepassten geometrischen Strahlparametern das Probenvolumen beleuchtet.
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Entlang eines Transmissionspfades des Lichtstrahls von der Lichtquelle zum Probenvolumen können Eigenschaften des Lichtstrahls aufgrund der Transmissionsstrecke oder aber aufgrund der im Transmissionspfad liegenden optischen Vorrichtung bzw. optischen Vorrichtungen verändert werden.
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Insbesondere kann die Beleuchtungsscanvorrichtung zwischen der Lichtquelle und der optischen Vorrichtung angeordnet sein, sodass beim Scannen des Lichtstrahls im Probenvolumen auch der Transmissionspfad des Lichtstrahls durch die optische Vorrichtung hindurch variiert wird. Neben einer Veränderung des Transmissionspfades des Lichtstrahls durch die optische Vorrichtung kann eine Winkelabhängigkeit bzw. Positionsabhängigkeit der Intensität des Lichtstrahls auftreten. Dies kann systematisch oder aufgrund fehlerhafter Justage im Probenvolumen der Fall sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit der Lichtstrahl von einer Lichtquelle erzeugt werden und die Lichtintensität der Lichtquelle in Abhängigkeit vom Abstand des Lichtstrahls von einer optischen Achse einer optischen Vorrichtung geändert werden. Die Änderung der Lichtintensität kann ebenso in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Lichtstrahls in der Probe erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt das Bewegen des Lichtstrahls entlang des Beleuchtungsmusters durch einen resonanten Scanner.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Bewegen des Lichtstrahls derart, dass sich die Geschwindigkeit (des Lichtstrahls) im Wesentlichen sinusförmig entlang des Beleuchtungsmusters ändert. Ein resonanter Scanner weist im Allgemeinen ein solches Bewegungsprofil des Lichtstrahls und dessen Geschwindigkeit auf.
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Da ein Sinus ohne weiteres in einen Kosinus transformiert werden kann, ist für den Fachmann sofort erkennbar, dass die Bewegung des Lichtstrahls auch als Kosinus und die Geschwindigkeit als Sinus beschrieben werden kann. Allgemein gesagt kann die Bewegung des Lichtstrahls, als auch dessen Geschwindigkeit durch eine trigonometrische Funktion beschrieben werden.
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Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten haben im Fall der Detektion (äquivalent zur Beleuchtung) die einzelnen durch den Scanner erfassten Bildpunkte ebenfalls eine unterschiedliche Aufnahmezeit, die der Zeitdauer der Beleuchtung für diesen Bildbereich entspricht.
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Ist beispielweise die Geschwindigkeit kleiner (am Bildrand im Vergleich zur Bildmitte), so ist die Intensität geringer, um eine konstante Bestrahlung zu erreichen. Gleichzeitig ist die Aufnahmezeit pro Bildpunkt länger.
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Insbesondere kann diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens unabhängig vom Verfahren gemäß Anspruch 1 angewandt werden. Somit ist es möglich, dass das Verfahren lediglich die folgenden Schritte umfasst:
- - Erzeugen eines Lichtstrahls in einer Lichtquelle,
- - Bewegen eines Lichtstrahls entlang eines Beleuchtungsmusters über das Probenvolumen und
- - Ändern der Lichtintensität der Lichtquelle in Abhängigkeit vom Abstand des Lichtstrahls von einer optischen Achse einer optischen Vorrichtung.
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Eine solche Ausgestaltung umfasst somit das Ändern von Eigenschaften des Lichtstrahls in Abhängigkeit der Lage von dessen Transmissionspfad durch die optische Vorrichtung. Zusätzlich kann die mindestens eine Eigenschaft des Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Position und/oder Geschwindigkeit des Lichtstrahls im Probenvolumen geändert werden.
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Bei mäanderförmiger Scanbewegung und sinusförmigem Geschwindigkeitsverlauf in der x-Richtung kann im einfachsten Fall lediglich der Abstand des Lichtstrahls von der mittleren x-Position relevant sein. Für den im Folgenden erwähnten „Mitten-Rand-Abfall“ ist der Abstand zur optischen Achse maßgeblich.
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Folglich erlaubt diese Ausgestaltung des Verfahrens, systematische Fehler, die durch die optische Vorrichtung eingeführt werden, zu kompensieren.
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Ein Beispiel eines solchen systematischen Fehlers der optischen Vorrichtung ist der sogenannte „Mitten-Rand-Abfall“, der auftritt, wenn die Lichtquelle eine konstante Lichtleistung emittiert. Im Probenvolumen ist somit in einem zentralen Bereich eine höhere Lichtintensität eingestrahlt als in den Randbereichen, was zu einer inhomogenen Bestrahlung führt. Dies ist nachteilig, wenn mehrere nebeneinanderliegende Probenbereiche (durch Verfahren der Probe) zusammengesetzt werden sollen (stitching), oder wenn innerhalb eines aufgenommenen Bildes des Probenvolumens Bereiche quantitativ verglichen werden sollen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungssteuervorrichtung weist die Lichtquelle eine Stromquelle mit einem Energieausgang auf, wobei die an den Energieausgang ausgegebene Stromstärke in Abhängigkeit der Beleuchtungssteuerdaten steuerbar ist. Dies erlaubt es, die Lichtintensität der Lichtquelle direkt über den Betriebsstrom zu steuern. Bei Verwendung von Laserdioden ist dies im Wesentlichen nach dem Überschreiten einer Laserschwelle näherungsweise linear möglich.
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Ist die Lichtintensität (Intensität) der Lichtquelle, d.h. die Bestrahlungsstärke nicht über die Stromstärke steuerbar bzw. eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit zum Ändern wenigstens einer Eigenschaft des Lichtstrahls vorteilhaft, so kann in einer weiteren Ausgestaltung der Beleuchtungssteuervorrichtung ein akustooptisches Element (AOE), beispielsweise ein akustooptischer Modulator (AOM) oder ein akustooptisches Filter (AOTF), vorgesehen sein, mittels welchem mindestens eine Eigenschaft des Lichtstrahls, beispielsweise die Intensität, in Abhängigkeit der Beleuchtungssteuerdaten steuerbar ist. Das AOE zur Variation wenigstens einer Eigenschaft des Lichtstrahls ist von jenem AOE zu unterscheiden, welches in der Beleuchtungsscanvorrichtung verwendet werden kann bzw. diese ausbilden kann. Das AOE zur Variation wenigstens einer Eigenschaft des Lichtstrahls kann daher als weiteres akustooptisches Element bezeichnet werden.
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Das weitere AOE kann zwischen der Lichtquelle und der Beleuchtungsscanvorrichtung angeordnet sein. Ebenso kann das AOE, welches die Beleuchtungsscanvorrichtung ausbildet, eine Doppelfunktion erfüllen, zum Scannen als Beleuchtungsscanvorrichtung und gleichzeitig als Modulator zum Variieren wenigstens einer Eigenschaft des Lichtstrahls, wie zum Beispiel der Bestrahlungsstärke.
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Alternativ oder zusätzlich zu einem weiteren akustooptischen Element ist beispielsweise auch der Einsatz eines elektrooptischen Modulators (EOM) zur Steuerung der mindestens einen Eigenschaft des Lichtstrahls in Abhängigkeit der Beleuchtungssteuerdaten denkbar.
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Ein akustooptisches Element umfasst im Allgemeinen ein für das verwendete Licht transmittives Material, beispielsweise ein Glas oder Kristall, und einen Schallwandler, der im Glas oder Kristall eine akustische Welle erzeugt. An dieser akustischen Welle wird der eintreffende Lichtstrahl gebeugt und/oder frequenzverschoben.
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Beispielsweise kann durch eine Variation der Amplitude der Schallwelle im Glas oder Kristall eine Beugungseffizienz variiert werden, wobei bei gleichbleibender Schallfrequenz der sich im Glas oder Kristall ausbreitenden akustischen Welle der Beugungswinkel und somit die Ablenkung des eingefallenen Lichtstrahls nicht verändert, sondern lediglich der Anteil des gebeugten Lichtstrahls.
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Akustooptische Elemente haben den Vorteil, dass deren Geschwindigkeit und insbesondere Schaltzeiten im Wesentlichen vom verwendeten Material (aufgrund unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten in diesen Materialien) und der verwendeten Apertur, d.h. von der Ausdehnung des Glases oder Kristalls, über welche der eingestreute Lichtstrahl mit der akustischen Welle interagiert, abhängt.
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Im verwendeten akustooptischen Element kann eine sich bewegende oder eine stehende akustische Welle (Überlagerung von zwei akustischen Wellen) ausgebildet sein.
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Als weitere Möglichkeiten zur Änderung mindestens einer Eigenschaft des Lichtstrahls sind elektrisch durchstimmbare Linsen zur Variation der Divergenz bzw. Konvergenz des Lichtstrahls, spektral durchstimmbare Filter zur Variation der spektralen Zusammensetzung des Lichtstrahls, Zoomoptiken zur Variation der Strahlgröße (Strahltaille) oder beispielsweise elektrooptische Elemente (beispielsweise eine Pockels-Zelle) denkbar. Ein elektrooptisches Element induziert eine Polarisationsdrehung, die abhängig von der an einem elektrooptisch aktiven Kristall angelegten Spannung ist. Durch eine entsprechende Polarisationsdrehung und die Anwendung von Polarisatoren kann somit auch eine Intensitätsvariation erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungssteuervorrichtung kann in jeder der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen in einem Mikroskop verwendet werden. Dabei ist es möglich, dass eine bereits im Mikroskop verwendete Lichtquelle genutzt wird oder die Lichtquelle von der erfindungsgemäßen Beleuchtungssteuervorrichtung zur Verfügung gestellt wird.
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Das erfindungsgemäße nichtflüchtige computerlesbare Speichermedium kann als magnetischer oder optischer Datenträger oder als Flash-Speicher ausgestaltet sein. Das nichtflüchtige computerlesbare Speichermedium kann somit als Möglichkeit angesehen werden, ein bereits vorhandenes Mikroskop mittels des vom Speichermedium ausführbaren Programms zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verbessern und eine homogene Ausleuchtung des Probenvolumens zu ermöglichen.
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Obwohl einige Aspekte im Rahmen einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einer Funktion eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Rahmen eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder einer Eigenschaft einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie es zum Beispiel ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein programmierbarer Computer oder eine elektronische Schaltung sein kann. In einigen Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
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Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder Software implementiert werden. Die Implementierung kann mit einem nichtflüchtigen Speichermedium wie einem digitalen Speichermedium, wie beispielsweise einer Diskette, einer DVD, einem Blu-Ray, einer CD, einem ROM, einem PROM und EPROM, einem EEPROM oder einem FLASH-Speicher, durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem so zusammenwirken (oder zusammenwirken können), dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Daher kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
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Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen einen Datenträger mit elektronisch lesbaren Steuersignalen, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, so dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Im Allgemeinen können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert werden, wobei der Programmcode für die Ausführung eines der Verfahren wirksam ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Der Programmcode kann beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert werden.
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Weitere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zur Durchführung eines der hierin beschriebenen Verfahren, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten, ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung eines der hierin beschriebenen Verfahren, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Speichermedium (oder ein Datenträger oder ein computerlesbares Medium), das ein darauf gespeichertes Computerprogramm zum Ausführen eines der hierin beschriebenen Verfahren umfasst, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind in der Regel greifbar und/oder nicht übergangslos. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, wie hierin beschrieben, die einen Prozessor und das Speichermedium umfasst.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daher ein Datenstrom oder eine Signalfolge, die das Computerprogramm zur Durchführung eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt. Der Datenstrom oder die Signalfolge kann beispielsweise so konfiguriert werden, dass sie über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, übertragen werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst ein Verarbeitungsmittel, zum Beispiel einen Computer oder eine programmierbare Logikvorrichtung, das konfiguriert oder angepasst ist, um eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Ausführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, das konfiguriert ist, um (zum Beispiel elektronisch oder optisch) ein Computerprogramm zum Ausführen eines der hierin beschriebenen Verfahren an einen Empfänger zu übertragen.
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Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, eine mobile Vorrichtung, eine Speichervorrichtung oder dergleichen sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Dateiserver zum Übertragen des Computerprogramms an den Empfänger umfassen.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann eine programmierbare logische Vorrichtung (zum Beispiel eine feldprogrammierbare Gatteranordnung, FPGA) verwendet werden, um einige oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine feldprogrammierbare Gatteranordnung mit einem Mikroprozessor zusammenarbeiten, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Im Allgemeinen werden die Verfahren vorzugsweise von jedem Hardwaregerät durchgeführt.
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Im Folgenden soll die vorliegende Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen werden technische Merkmale und Merkmale gleicher technischer Funktion der Übersichtlichkeit halber mit demselben Bezugszeichen versehen. Da die Figuren lediglich beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen, können technische Merkmale beliebig miteinander kombiniert bzw. weggelassen werden.
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Die Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer mäanderförmigen Scanbewegung;
- 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Positions- und Geschwindigkeitsverlauf einer sinusförmigen Rasterbewegung;
- 3 eine schematische Darstellung einer unkorrigierten und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren korrigierten Bestrahlungsstärke;
- 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungssteuervorrichtung in einem Non-Descanned-Detektions-Aufbau, und
- 5 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Beleuchtungssteuervorrichtung im Descanned-Detektions-Aufbau.
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In 1 ist rein beispielhaft und nicht einschränkend eine mäanderförmige Rasterbewegung 1 schematisch dargestellt. Die Rasterbewegung 1 folgt einem Beleuchtungsmuster 3, entlang welchem ein Lichtstrahl 5 gescannt bzw. gerastert wird. Eine Propagationsrichtung 7 des Lichtstrahls 5 weist in die Zeichenebene hinein, sodass lediglich ein Lichtfleck 9 des Lichtstrahls 5 gezeigt ist. Dieser Lichtfleck 9 kann einem Fokus 11 des Lichtstrahls 5 entsprechen.
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Die 1 zeigt schematisch drei Positionen 13 des Lichtflecks 9. Eine Position 13 des Lichtflecks 9 entspricht der Position des Lichtstrahls 5 in der in 1 gezeigten Probenebene 15, die durch eine x-Achse und y-Achse aufgespannt wird.
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In einer ersten Position 13a befindet sich der Lichtstrahl 5 noch außerhalb des vorgegebenen Beleuchtungsmusters 3, wobei der Lichtstrahl 5 entlang einer Scanrichtung 17 auf ein Probenvolumen 19 zubewegt wird.
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In einer zweiten Position 13b befindet sich der Lichtstrahl 5 innerhalb des Probenvolumens 19 auf einem geradlinigen Abschnitt 21 in einem Abstand 95 von einem Rand 93 des Probenvolumens 19.
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In einer dritten Position 13c befindet sich der Lichtstrahl 5 in einem Umkehrabschnitt 23, welcher an den geradlinigen Abschnitt 21 angrenzt und in einen weiteren geradlinigen Abschnitt 21a übergeht. Der Umkehrabschnitt 23 liegt außerhalb des Probenvolumens 19, wobei diese Lage lediglich in der gezeigten Ausführungsform so gewählt ist und in anderen Ausführungsformen der Umkehrabschnitt 23 auch vollständig im Probenvolumen 19 angeordnet sein kann.
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Im weiteren geradlinigen Abschnitt 21a wird der Lichtstrahl 5 entlang einer Scanrichtung 17 über das Probenvolumen 19 bewegt, wobei die Scanrichtungen 17 zur Unterscheidung als negative Scanrichtung 17a und positives Scanrichtung 17b (bezüglich der x-Achse) bezeichnet werden können.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es irrelevant, ob das Beleuchtungsmuster in negativer Scanrichtung 17a bzw. in positiver Scanrichtung 17b beginnt.
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Ebenso sei angemerkt, dass das in 1 dargestellte zweidimensionale Probenvolumen 19 sich in einem Anwendungsfall in bzw. aus der Zeichenebene hinein/heraus erstrecken kann (dreidimensionales Scannen einer Probe). Im Falle der Oberflächenbehandlung von Werkstücken (nicht gezeigt) kann das Probenvolumen 19 lediglich eine Höhe aufweisen, die einer Eindringtiefe (nicht gezeigt) des Lichtstrahls 5 in das Werkstück entspricht, d.h. eine im Wesentlichen zweidimensionale Scanbewegung aufweisen.
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Die 1 zeigt ferner, dass sich ein kompletter Scanweg 25 gemessen entlang einer Richtung parallel zur x-Achse jeweils aus einem Linearabschnitt 27 und zwei Beschleunigungsabschnitten 29 zusammensetzt.
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Da sich das Beleuchtungsmuster 3 periodisch wiederholt, ist der komplette Scanweg 25, der Linearabschnitt 27 und die Beschleunigungsabschnitte 29 in Form jeweiliger Ausdehnungen 31 (im Sinne einer Längenausdehnung) entlang der x-Achse gezeigt. Die Beschleunigungsabschnitte 29 umfassen einen Bereich negativer Beschleunigung 33, der in einen Bereich positiver Beschleunigung 35 übergeht. Dies ist lediglich für einen der Vielzahl gezeigter Umkehrabschnitte 23 gezeigt und mit unterschiedlicher Schraffur verdeutlicht.
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Wird die in 1 gezeigte Rasterbewegung 1 entlang des Beleuchtungsmusters 3 mit einer Beleuchtungsscanvorrichtung 37 (siehe 4), die beispielsweise einen Galvanometerscanner 39 aufweist, durchgeführt, so ergibt sich für die Position 13 des Lichtstrahls 5 eine zeitliche Abhängigkeit wie in 2 dargestellt.
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Hier wird zum einen eine normierte Position 13, als auch eine Geschwindigkeit v über der Zeit t dargestellt. Die Darstellung der 2 beschränkt sich auf eine Scanperiode 41, die schematisch in 1 dargestellt ist und einen Abschnitt positiver Beschleunigung 35, einen geradlinigen Abschnitt 21 und einen Abschnitt negativer Beschleunigung 33 umfasst.
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Die gezeigte Scanperiode 41 entspricht einer halben Periode einer Sinusschwingung 43.
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Die 2 zeigt ferner, dass vom möglichen kompletten Scanweg 25 lediglich ein Linearabschnitt 27 ausgewählt wurde. Dieser beträgt im gezeigten Anwendungsfall 80% des kompletten Scanweges 25.
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Jeder Position im Linearabschnitt 27a ist eine Geschwindigkeit im Linearabschnitt va zugeordnet, welche sich im betrachteten Bereich innerhalb einer Geschwindigkeitsänderung Δv ändert.
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Der in 2 gezeigte Anwendungsfall ist rein beispielhaft zu verstehen, da in anderen Ausgestaltungen ein größerer Linearabschnitt 27 gewählt werden kann, der auch dem kompletten Scanweg 25 entsprechen kann.
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Wird der Lichtstrahl 5 nunmehr mit der in 2 gezeigten sich ändernden Geschwindigkeit v entlang des in 1 gezeigten Beleuchtungsmusters 3 bewegt, und ferner dabei eine Intensität I des Lichtstrahls 5 konstant gehalten, so verursacht die Geschwindigkeitsänderung Δv des Lichtstrahls 5 eine nicht konstante Bestrahlungsstärke 45a, die auch als unkorrigierte Bestrahlungsstärke 45a bezeichnet werden kann (siehe 3).
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Zwar ist die folgende Beschreibung auf die Variation der Intensität I, d.h. die Bestrahlungsstärke bezogen, allerdings ist es auch denkbar, dass in anderen Ausgestaltungen der Fokus, d.h. die Divergenz bzw. Konvergenz des Lichtstrahls 5 geändert wird. Dies kann beispielsweise durch eine elektrisch durchstimmbare Linse (ETL) realisiert werden. Ferner können durchstimmbare spektrale Filter verwendet werden, um eine spektrale Zusammensetzung des Lichtstrahls 5 zu variieren. Ebenso ist es denkbar, dass Zoomoptiken verwendet werden, um die Strahlgröße (Strahltaille) zu verändern.
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In 3 ist sowohl eine normierte Bestrahlungsstärke 45, als auch die normierte Position 13 über der Zeit t aufgetragen. Dargestellt sind lediglich die Position im Linearabschnitt 27a sowie die Bestrahlungsstärken 45 innerhalb des Linearabschnitts 27. Es ist folglich lediglich ein Zeitintervall Δt dargestellt.
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Wie im Vergleich der gezeigten Darstellung der 2 und 3 zu erkennen ist, entspricht der Verlauf der nicht konstanten Bestrahlungsstärke, d.h. der unkorrigierten Bestrahlungsstärke 45a, einer Sinusschwingung 43a, die allerdings um eine halbe Periodendauer phasenverschoben zur Sinusschwingung 43b ist.
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Um nunmehr die nicht konstante Bestrahlungsstärke 45a entlang des Linearabschnitts 27, insbesondere über alle Positionen im Linearabschnitt 27a, zu korrigieren, ist es notwendig, die bisher als konstant angenommene Intensität I mit einem Korrekturparameter 47 zu variieren. Dieser Korrekturparameter 47 weist ebenso einen Sinusverlauf 43 auf, der phasenverschoben zum Sinusverlauf 43a der unkorrigierten Bestrahlungsstärke 45a ist.
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Wird der Korrekturparameter 47 auf die Intensität I angewandt, d.h. die Intensität I verändert, so ergibt sich eine in 3 dargestellte korrigierte Bestrahlungsstärke 45b, die sich aus einer variablen Intensität I(x) mittels des Korrekturparameters 47 berechnet. Dies ist durch die Gleichung I(x) = I (47) in 3 angedeutet.
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Wie in 3 zu erkennen, weist die korrigierte Bestrahlungsstärke 45b einen konstanten (im gezeigten Anwendungsfall auf 1 normierten) Wert auf. Durch eine solche Korrektur ist die Bestrahlung folglich in allen Abschnitten im Probenvolumen 19 konstant.
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Eine geringere Geschwindigkeit wird somit mit einer geringeren Bestrahlungsstärke 45, eine höhere Geschwindigkeit mit einer höheren Bestrahlungsstärke 45 ausgeglichen, sodass unabhängig von der Geschwindigkeit v eine konstante Bestrahlung erzielt wird.
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In 4 ist die erfindungsgemäße Beleuchtungssteuervorrichtung 49 in Verbindung mit einem Mikroskop 51 gezeigt. Rein schematisch zeigt das Mikroskop 51 ein Objektiv 53 und das Probenvolumen 19. Das Mikroskop 51 kann insbesondere als Rastermikroskop 51a ausgestaltet sein.
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In einer weiteren (nicht gezeigten) Ausgestaltung kann die Beleuchtungssteuervorrichtung 49 Teil des Mikroskops 51 sein.
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Die Beleuchtungssteuervorrichtung 49 umfasst in der gezeigten Ausführungsform eine Steuereinheit 55, mit mindestens einem Rechenmodul 57, welches femer eine Speichereinheit 59 umfasst.
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Ferner ist ein Bewegungsdateneingang 61 vorgesehen, über den Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten 63, dargestellt durch eine Pulsfolge, in die Beleuchtungssteuervorrichtung 49 eingespeist werden können.
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Die Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten 63 werden von der Beleuchtungsscanvorrichtung 37 übertragen, welche das Probenvolumen 19 mit dem Lichtstrahl 5 (mit einer Strichlinie dargestellt) scannt bzw. rastert.
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Ferner weist die Beleuchtungssteuervorrichtung 49 einen Beleuchtungssteuerdatenausgang 65 auf, über den Beleuchtungssteuerdaten 67 (auch in Form einer Pulsfolge schematisch dargestellt) an eine Lichtquelle 69 ausgegeben werden.
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Die in 4 gezeigte Lichtquelle 69 umfasst ein schematisch dargestelltes Lichterzeugungsmodul 71, was beispielsweise als Laserdiode 73 ausgestaltet sein kann und dessen Lichtstrahl 5 durch eine Kollimationsoptik 75 kollimiert zur Beleuchtungsscanvorrichtung 37 transmittiert wird.
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Das Lichterzeugungsmodul 71 kann mit einem Energieausgang 101 einer Stromquelle 99 verbunden sein, über den es mit einer festgelegten, steuerbaren Stromstärke 103 versorgt wird.
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Die Beleuchtungsscanvorrichtung 37 weist den Galvanometerscanner 39 auf, welcher um eine Kippachse 77 entlang einer Kipprichtung 79 verkippbar ist und somit erlaubt, den Lichtstrahl 5 im Probenvolumen 19 entlang des (schematisch angedeuteten) Beleuchtungsmusters 3 zu bewegen und somit das Probenvolumen 19 zu scannen. Der Einfachheit halber ist lediglich eine Kipprichtung 79 gezeigt, wobei ein mäanderförmiges Scannen wie in 1 gezeigt eine zweite Kipprichtung (nicht gezeigt) und eine zweite Kippachse (nicht gezeigt) voraussetzt, die im Wesentlichen senkrecht zur in 4 gezeigten Kippachse 77 orientiert ist.
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Es ist ferner eine optische Vorrichtung 74 vorgesehen, die eine optische Achse 97 aufweist. Ein punktiert gezeichneter Lichtstrahl 5 weist in der optischen Vorrichtung 74 den Abstand 95 zur optischen Achse 97 auf und beleuchtet das Probenvolumen an einer anderen Position. Die für diesen Verlauf notwendige Verkippung des Galvanometer-Scanners 39 ist nicht in 4 gezeigt.
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Alternativ kann die Detektion der Probe durch das Objektiv und nicht wie in 4 gezeichnet von der dem Detektionsobjektiv gegenüberliegenden Probenseite erfolgen. Diese Ausgestaltung, die in der Konfokalmikroskopie verwendet wird, ist in 5 gezeigt.
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In dieser Ausgestaltung wird das Objektiv 74 somit für die Beleuchtung und Detektion verwendet. Zusätzlich ist ein Strahlteiler 107 für die Detektion in den Strahlengang des Lichtstrahls 5 eingebracht. Der Strahlteiler 107 koppelt vom Probenvolumen stammendes Detektionslicht 109 aus und leitete es zu einem Detektor 111. Ebenso ist es möglich, dass die Lichtquelle 69 über Reflexion am Strahlleiter 107 eingekoppelt wird und der Detektor 111 das durch den Strahlteiler 107 hindurch transmittierte Detektionslicht 109 detektiert. Die Elemente 69 und 111 können also vertauscht und der Strahlleiter 107 bezüglich seiner Filtercharakteristik entsprechend angepasst sein. Diese Ausgestaltung ist in den Figuren nicht gezeigt.
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In dieser Ausgestaltung finden Beleuchtung und Detektion über ein- und dasselbe Objektiv 74 statt. Ebenfalls wird der Beleuchtungsstrahl 5 und das detektierte Licht 109 häufig über denselben Scanner 39 geführt (insbesondere bei Konfokalmikroskopen), man spricht in dem Fall von einem „Descannen“.
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In einer weiteren Ausgestaltung, die hier nicht dargestellt ist, d.h. beispielsweise im Fall von Multiphotonenmikroskopie, wird typischerweise das Detektionslicht bereits vor dem Scanner aus dem Strahlengang ausgekoppelt, es handelt sich also um eine sogenannte Non-Descanned-Detektion, NDD. Dies geschieht, da man keine weitere Intensitätsverluste des schwachen Detektionslichts 109 akzeptieren möchte.
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Die Beleuchtungsscanvorrichtung 37 kann in anderen Ausgestaltungen der Beleuchtungssteuervorrichtung als akustooptisches Element 105 ausgestaltet sein. Ebenso können mehrere akustooptische Elemente 105 als Scanner oder als Teil einer Scanners verwendet werden. Auch die Kombination mehrere akustooptischer Elemente 105 ist möglich. Beispielsweise könnten für einen Scanner zwei akustooptische Deflektoren (AOD) eingesetzt werden. Auch Kombinationen von akustooptischen Elementen 105 wie AOD mit klassichen Galvos/resonanten Scannern ist möglich in einer Scanvorrichtung.
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Ferner zeigen 4 und 5 ein weiteres akustooptisches Element (AOE) 105a. Dieses weitere AOE 105a ist optional und kann vorzugsweise zwischen der Linse 75 bzw. der Lichtquelle 69 und Beleuchtungsscanvorrichtung 37 positioniert sein. Das weitere AOE 105a ist lediglich rein schematisch dargestellt. Eine spezielle Orientierung zum bzw. Ablenkung des Lichtstrahls 5 ist möglich, jedoch hier nicht gezeigt.
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In einer nicht gezeigten Ausgestaltung kann das akustooptische Element 105 oder die mehreren akustooptischen Elemente 105 auch eine Doppelfunktion haben: Als Beleuchtungsscanvorrichtung 37 und gleichzeitig auch als Modulator zur Veränderung einer Eigenschaft des Lichtstrahls 5 wie der Bestrahlungsstärke. Der Einsatz mehrere akustooptischer Elemente 105, die sich in ihrer Funktion ergänzen, ist möglich.
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Der Scanner 39 kann ein resonanter Scanner 113 sein.
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Die Beleuchtungssteuervorrichtung 49 kann in Teilen durch einen PC 81, einen FPGA, einen Mikrocontroller oder einen CPLD realisiert werden, der in einer möglichen Ausgestaltung im Wesentlichen die Steuereinheit 55 darstellt, d.h. das Rechenmodul 57 zur Verfügung stellt und über vorhandene Dateneingänge 83 und Datenausgänge 85 mit der Lichtquelle 69 und/oder mit der Beleuchtungsscanvorrichtung 37 verbunden ist. Ein Programm 87 zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf einem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium 89 gespeichert sein. Hierbei können alle gängigen nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedien 89, wie magnetische Speichermedien, optische Speichermedien oder Speichermedien basierend auf Flash-Speicher verwendet werden. Rein beispielhaft ist eine CD 91 in 4 dargestellt. Allerdings kann das Speichermedium auch Teil eines FPGA, eines Mikrocontrollers oder eines CPLD sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rasterbewegung
- 3
- Beleuchtungsmuster
- 5
- Lichtstrahl
- 7
- Propagationsrichtung
- 9
- Lichtfleck
- 11
- Fokus
- 13
- Position
- 13a
- erste Position
- 13b
- zweite Position
- 13c
- dritte Position
- 15
- Probenebene
- 17
- Scanrichtung
- 17a
- negative Scanrichtung
- 17b
- positive Scanrichtung
- 19
- Probenvolumen
- 21
- geradliniger Abschnitt
- 21a
- weiterer geradliniger Abschnitt
- 23
- Umkehrabschnitt
- 25
- kompletter Scanweg
- 27
- Linearabschnitt
- 27a
- Position im Linearabschnitt
- 29
- Beschleunigungsabschnitte
- 31
- Ausdehnung
- 33
- negative Beschleunigung
- 35
- positive Beschleunigung
- 37
- Beleuchtungsscanvorrichtung
- 39
- Galvanometerscanner
- 41
- Scanperiode
- 43
- Sinusschwingung
- 43a
- Sinusschwingung
- 43b
- Sinusschwingung
- 45
- Bestrahlungsstärke
- 45a
- nicht konstante/unkorrigierte Bestrahlungsstärke
- 45b
- korrigierte Bestrahlungsstärke
- 47
- Korrekturparameter
- 49
- Beleuchtungssteuervorrichtung
- 51
- Mikroskop
- 51a
- Rastermikroskop
- 53
- Objektiv
- 55
- Steuereinheit
- 57
- Rechenmodul
- 59
- Speichereinheit
- 61
- Bewegungsdateneingang
- 63
- Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten
- 65
- Beleuchtungssteuerdatenausgang
- 67
- Beleuchtungssteuerdaten
- 69
- Lichtquelle
- 71
- Lichterzeugungsmodul
- 73
- Laserdiode
- 74
- optische Vorrichtung
- 75
- Kollimationsoptik
- 77
- Kippachse
- 79
- Kipprichtung
- 81
- PC
- 83
- Dateneingang
- 85
- Datenausgang
- 87
- Programm
- 89
- nichtflüchtiges computerlesbares Medium
- 91
- CD
- 93
- Rand
- 95
- Abstand
- 97
- optische Achse
- 99
- Stromquelle
- 101
- Energieausgang
- 103
- Stromstärke
- 105
- akustooptisches Element
- 105a
- weiteres akustooptisches Element
- 107
- Strahlteiler
- 109
- Detektionslicht
- 111
- Detektor
- 113
- resonanter Scanner
- Δt
- Zeitintervall
- Δv
- Geschwindigkeitsänderung
- I
- Intensität
- I(x)
- variable Intensität
- t
- Zeit
- v
- Geschwindigkeit
- va
- Geschwindigkeit im Linearabschnitt
- x
- x-Achse
- y
- y-Achse
