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Die
Erfindung betrifft Feinverstellvorrichtung zum Verschieben und/oder
Kippen eines Objekts.
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Vorrichtungen
zur Feinpositionierung von Objekten, wie Neigungssteller oder Verschiebtische werden
insbesondere im Bereich der Optik häufig eingesetzt. Durch die
Kombination von gleit oder Kugelgelagerten Linearpositionierern
mit Neigungsverstellern kann eine Positionierung eines Objektes
in allen denkbaren Freiheitsgraden erreicht werden. Allerdings sinkt
mit der Anzahl der Einzelversteller die Stabilität und die Positioniergenauigkeit.
Außerdem haben
Kombination aus mehreren Positionierern und Neigungsverstellern
den Nachteil eines großen
Bedarfs an Bauraum.
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Oft
werden Positionierelemente verwendet, die bei denen die Verschiebung
oder Kippung des Objekts durch Verbiegen des Positionierelements selbst
im elastischen Bereich erzielt wird. Solche Vorrichtungen sind in
der Regel unempfindlicher gegen ungewollte Verstellungen, erlauben
jedoch meist nur eine Positionierung in einem Freiheitsgrad.
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In
der Mikroskopie ist die exakte Positionierung der optischen Bauteile
von entscheidender Wichtigkeit für
die Güte
eines Mikroskops. Ganz besonders wichtig ist die optimale Justierung
der optischen Bauteile in hochauflösenden Mikroskopen, wie beispielsweise
Scanmikroskopen und konfokalen Scanmikroskopen.
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In
der Scanmikroskopie wird eine Probe mit einem Lichtstrahl beleuchtet,
um das von der Probe emittierte Reflexions- oder Fluoreszenzlicht
zu beobachten. Der Fokus eines Beleuchtungslichtstrahles wird mit
Hilfe einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung, im Allgemeinen
durch Verkippen zweier Spiegel, in einer Objektebene bewegt, wobei
die Ablenkachsen meist senkrecht aufeinander stehen, so dass ein
Spiegel in x-, der andere in y-Richtung ablenkt. Die Verkippung
der Spiegel wird beispielsweise mit Hilfe von Galvanometer-Stellelementen
bewerkstelligt. Die Leistung des vom Objekt kommenden Lichtes wird
in Abhängigkeit
von der Position des Abtaststrahles gemessen. Üblicherweise werden die Stellelemente
mit Sensoren zur Ermittlung der aktuellen Spiegelstellung ausgerüstet.
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Speziell
in der konfokalen Scanmikroskopie wird ein Objekt mit dem Fokus
eines Lichtstrahles in drei Dimensionen abgetastet. Ein konfokales
Rastermikroskop umfasst im Allgemeinen eine Lichtquelle, eine Fokussieroptik,
mit der das Licht der Quelle auf eine Lochblende – die sog.
Anregungsblende – fokussiert
wird, einen Strahlteiler, eine Strahlablenkeinrichtung zur Strahlsteuerung,
eine Mikroskopoptik, eine Detektionsblende und die Detektoren zum Nachweis
des Detektions- bzw. Fluoreszenzlichtes. Das Beleuchtungslicht wird über einen
Strahlteiler eingekoppelt. Das vom Objekt kommende Fluoreszenz-
oder Reflexionslicht gelangt über
die Strahlablenkeinrichtung zurück
zum Strahlteiler, passiert diesen, um anschließend auf die Detektionsblende
fokussiert zu werden, hinter der sich die Detektoren befinden. Detektionslicht,
das nicht direkt aus der Fokusregion stammt, nimmt einen anderen
Lichtweg und passiert die Detektionsblende nicht, so dass man eine
Punktinformation erhält,
die durch sequentielles Abtasten des Objekts zu einem dreidimensionalen Bild
führt.
Meist wird ein dreidimensionales Bild durch schichtweise Bilddatennahme
erzielt, wobei die Bahn des Abtastlichtstrahles auf bzw. in dem
Objekt idealer Weise einen Mäander
beschreibt. (Abtasten einer Zeile in x-Richtung bei konstanter y-Position,
anschließend
x-Abtastung anhalten und per y- Verstellung
auf die nächste
abzutastende Zeile schwenken und dann, bei konstanter y-Position,
diese Zeile in negative x-Richtung abtasten u.s.w.). Um eine schichtweise
Bilddatennahme zu ermöglichen,
wird der Probentisch oder das Objektiv nach dem Abtasten einer Schicht
verschoben und so die nächste
abzutastende Schicht in die Fokusebene des Objektivs gebracht.
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Eine
Auflösungssteigerung
in Richtung der optischen Achse lässt sich, wie in Europäischen Patentschrift
EP 0 491 289 mit dem Titel: „Doppelkonfokales
Rastermikroskop" beschrieben
ist, durch eine Doppelobjektivanordnung (4Pi-Anordnung) erreichen. Das vom Beleuchtungssystem
kommende Licht wird in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die die Probe
einander entgegenlaufend durch zwei spiegelsymmetrisch angeordnete
Objektive gleichzeitig beleuchten. Die beiden Objektive sind auf
verschiedenen Seiten der ihnen gemeinsamen Objektebene angeordnet.
Im Objektpunkt bildet sich durch diese interferometrische Beleuchtung
ein Interferenzmuster aus, dass bei konstruktiver Interferenz ein
Hauptmaximum und mehrere Nebenmaxima aufweist. Mit einem doppelkonfokalen
Rastermikroskop kann im Vergleich zum konventionellen Rastermikroskop durch
die interferometrische Beleuchtung eine erhöhte axiale Auflösung erzielt
werden.
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Die
genaue Ausrichtung der spiegelsymmetrisch angeordneten Objektive
in einem doppelkonfokalen Rastermikroskop ist von entscheidender
Wichtigkeit für
die optimale Funktionsfähigkeit
des Mikroskops. Dabei muß zumindest
eines der Objektive in alle drei Raumrichtungen verschiebbar und
kippbar sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Feinverstellvorrichtung
anzugeben, die bei kleinem Bauraum eine stabile, zuverlässige und
reproduzierbare Verschiebung und Kippung eines Objektes erlaubt.
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Die
Aufgabe wird durch eine Feinverstellvorrichtung gelöst, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Trägerelement vorgesehen ist,
das von einem Führungselement
geführt
um eine Drehachse drehbar ist, wobei
- • zur Erzielung
einer Kippung zwischen dem Trägerelement
und dem Führungselement
eine Führungsebene
definiert ist, die die Drehachse mit einem von 90 Grad verschiedenen
Winkel durchsetzt und/oder
- • zur
Erzielung einer Verschiebung das Objekt mit einem seitlichen Versatz
zur Drehachse an dem Trägerelement
befestigt ist.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass je nach Neigung der Führungsebene
bzw. je nach Größe des seitlichen
Versatzes eine sehr feine Einstellbarkeit erzielbar ist; da einem
langen Verstellweg eine kleine Verstellung gegenüber gestellt werden kann ohne
die Funktionsfähigkeit
zu beeinflussen.
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Die
erfindungsgemäße Feinverstellvorrichtung
benötigt
einen geringen Bauraum und ist auf Grund der Symmetrie weitgehend
unempfindlich gegen ungewollte Verstellungen durch temperaturbedingte
Längenausdehnungen.
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In
einer bevorzugen Ausgestaltung beträgt der Winkel mit dem die Drehachse
die Führungsebene
durchsetzt 1–2
Grad, weil bei diesem Winkel ein gutes Verhältnis zwischen Einstellgenauigkeit
und Stellweg vorliegt. Es sind jedoch auch größere und kleinere Winkel ohne
weiteres möglich.
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In
einer besonders bevorzugen Ausführungsform
ist das Führungselement
von einem weitere Führungselement
geführt
um die Drehachse oder eine weitere Drehachse drehbar gelagert.
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In
einer besonders bevorzugen Variante ist die Feinverstellvorrichtung
als Objekt in eine weitere Feinverstellvorrichtung einbringbar,
wobei es sich bei der weitere Feinverstellvorrichtung vorzugsweise
um eine des erfindungsgemäßen Typs
handelt. Durch diese Verschachtelbarkeit bzw. Kaskadierbarkeit kann – ohne wesentliche
Vergrößerung des
beanspruchten Bauraumes – die
Anzahl der Verschiebe- bzw. Kippfreiheitsgrade beliebig erhöht werden,
wobei die Reproduzierbarkeit, die Einstellgenauigkeit und insbesondere
die Stabilität
weitgehend erhalten bleiben. Vorzugsweise sind Führungselemente vorgesehen,
die ausschließlich
eine Verschiebung bewirken und Führungselemente,
die ausschließlich
zur Kippung des Objektes vorgesehen sind. Durch diese Entkopplung
wird die Einstellbarkeit erleichtert.
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Ein
mit einem Versatz zur Drehachse – also exzentrisch – an dem
Trägerelement
befestigtes Objekt beschreibt bei Drehung des Trägerelementes in dem Führungselement
eine Kreisbahn mit einem Radius die dem Versatz entspricht. Ist
das Trägerelement
gemeinsam mit dem Führungselement
in einem weiteren Führungselement
exzentrisch drehbar, so beschreiben das Trägerelement und das Führungselement
gemeinsam eine andere Kreisbahn, wobei der Radius dieser anderen
Kreisbahn vorzugsweise größer als
der der Kreisbahn der Trägerelements
ist. In Kombination der beiden Einstellmöglichkeiten, nämlich der
des Trägerelements
alleine und der des Trägerelement
gemeinsam mit dem Führungselement,
kann das Objekt an jeden beliebigen Ort innerhalb der Kreisfläche der
anderen Kreisbahn verbracht werden.
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Vorzugsweise
sind das Trägerelement und/oder
das Führungselement
und/oder das weitere Führungselement
im Querschnitt rund, beispielsweise ringförmig, ausgebildet, was eine
einfache und platzsparende Konstruktion erlaubt.
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In
einer bevorzugen Ausgestaltung weist das Führungselement eine, vorzugsweise
runde, Ausnehmung auf, in der das, vorzugsweise ebenfalls runde-
Trägerelement
drehbar ist. Ebenso weist vorzugsweise das weitere Führungselement
eine, vorzugsweise runde, Ausnehmung auf, in der das, vorzugsweise
runde, Führungselement
drehbar. Diese schachtelartige Anordnung lässt sich im Prinzip beliebig
fortsetzen. Zur Erzielung einer Objektverschiebung ist die Ausnehmung
exzentrisch angebracht.
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Vorzugsweise
ist in das Trägerelement und/oder
das Führungselement
und/oder das weitere Führungselement
ein Stellhebel einsetzbar. Hierzu sind beispielsweise entlang des
Randes der Elemente Bohrungen vorgesehen in die der Stellhebel eingesteckt
werden kann.
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In
einer bevorzugen Ausgestaltung ist das Führungselement und/oder das
weitere Führungselement
in Richtung der Drehachse und/oder der weiteren Drehachse verschiebbar.
Vorzugsweise ist die gesamte Feineinstellvorrichtung in diese Richtung verschiebbar.
Hierfür
ist beispielsweise ein Stellgewinde vorgesehen. In einem Mikroskop
kann damit beispielsweise der Abstand eines Objektivs zur Probe
eingestellt werden.
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Vorzugsweise
sind sich direkt berührende Elemente,
beispielsweise das Trägerelement
und das Führungselement,
aus unterschiedlichem Material gefertigt. Dies hat den Vorteil,
dass die Gefahr des Festfressens minimiert ist. Beispielsweise sind die
Elemente abwechselnd aus Stahl und Messing gefertigt.
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In
einer anderen Variante sind alle Elemente aus Glaskeramik, wie beispielsweise
Cerodur, hergestellt.
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Vorzugsweise
ist das Objekt ein optisches Bauteil, insbesondere ein Objektiv
oder ein Kondensor. Es könnte
sich beispielsweise auch um eine Einkoppeloptik für eine Glasfaser
oder um ein anderes fein auszurichtendes Bauteil handeln.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist ein mit einer erfindungsgemäßen Feinverstellvorrichtung
insbesondere zur exakten Positionierung zumindest eines Objektivs.
Das Mikroskop kann beispielsweise als klassisches Lichtmikroskop,
als Scanmikroskop, als konfokales Scanmikroskop, als 4PI-Mikroskop, als doppelkonfokales
Scanmikroskop oder als Theta-Mikroskop ausgebildet sein.
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In
der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt
und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleich
wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei
zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Feinverstellvorrichtung
in einer Schnittdarstellung,
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2 die erfindungsgemäße Feinverstellvorrichtung 1 in
einer Explosionsdarstellung,
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3 die erfindungsgemäße Feinverstellvorrichtung 1 in
einer Ansichtsdarstellung,
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4 das Prinzip der Kippung
des Trägerelements,
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5 das Prinzip der Verschiebung
und
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6 das Prinzip der Einstellung
der Neigung und der Richtung der Neigung des Objektivs.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Feinverstellvorrichtung 1 in
einer Schnittdarstellung mit einem Trägerelement 3, das
ein Objekt 5, nämlich
ein Objektiv 7, trägt
und das von einem Führungselement 9 geführt um eine
Drehachse drehbar ist. Das Trägerelement 3 ist
als schräger
Zylinderabschnitt ausgebildet und in eine runde Ausnehmung (Passung)
des Führungselements 9 drehbar
eingelassen. Im Längsschnitt
weist das Führungselement 9 einen Absatz 11 auf,
auf dem das Trägerelement 3 aufsitzt und
der eine Führungsebene
definiert, die die Drehachse mit einem von 90 Grad verschiedenen
Winkel durchsetzt.
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Durch
eine Relativdrehung zwischen dem Trägerelement 3 und dem
Führungselement 9 ist
die Neigung des Objektiv 7 einstellbar, was weiter unten an
Hand der 4 ausführlich beschrieben
wird.
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Das
Führungselement 9 ist
in der runden Ausnehmung eines weiteren Führungselements 13 geführt um eine
weitere Drehachse drehbar. Die Ausnehmung des weiteren Führungselements 13 ist
in bezug auf die weitere Drehachse exzentrisch (mit Versatz zur
Drehachse) angeordnet, so dass das Führungselement 9 zusammen
mit dem Trägerelement 3 und
dem Objektiv 7 auf einer durch die Exzentrizität bestimmten
Kreisbahn schwenkbar ist.
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Das
weitere Führungselements 13 ist
in der runden, exzentrisch angeordneten Ausnehmung eines anderen
Führungselements 15 geführt um eine andere
Drehachse, die parallel zur weiteren Drehachse ist, drehbar. Die
Exzentrizität
der Ausnehmung des anderen Führungselements 15 ist
größer als
die des weiteren Führungselements 13.
Durch geeignete kombinierte Drehungen des weiteren Führungselements 13 und
des anderen Führungselements 15 kann
innerhalb einer Ebene, die senkrecht zur anderen Drehachse ist punktgenau
verschoben werden.
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Das
andere Führungselement 15 ist
in einem äußeren Führungselement 17 drehbar
gelagert. Dieses weist an der Außenseite ein Gewinde 19 auf,
das eine Verschiebung des Objektivs – samt des Trägerelements 3 und
der Führungselemente 9 – 17 in
Richtung der weiteren Drehachse ermöglicht. Das äußere Führungselement 17 ist
mit dem Gewinde 19 in dem Halteelement 21 angeordnet.
Ein an dem äußeren Führungselement 17 angebrachter
Käfig 25 umschließt das Trägerelements 3 und
der Führungselemente 9 – 17 und
mit dem kugelkopfförmigen
Niederhalter 23 für
den Zusammenhalt der Elemente.
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Das
weitere Führungselement 13,
das andere Führungselement 15 und
das äußere Führungselement 17 weisen
innerhalb der Ausnehmungen jeweils einen abgerundeten Absatz auf,
womit eine Selbstzentrierung erreicht wird die Gefahr des „Festfressens" minimiert ist.
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Kräfte, die
durch manuelle Bedienung des Objektivs 7 auftreten, werden
von der Feinverstellvorrichtung 1 aufgefangen. Die Feinverstellvorrichtung 1 wird
vorzugsweise mit zwei Anschlägen
an einem Mikroskop befestigt und ist leicht gegen ein anderes Objektivmodul
austauschbar ohne dass eine erneute Justierung nötig wird.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Feinverstellvorrichtung 1 in
einer Explosionsdarstellung. Das Trägerelements 3 und
der Führungselemente 9 – 17 weisen
Bohrungen 27 auf, in die ein Stellhebel einsteckbar ist.
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3 zeigt die zusammengesetzte
erfindungsgemäße Feinverstellvorrichtung 1 in
einer Ansichtsdarstellung.
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4 illustriert das Prinzip
der Kippung des Trägerelements 3 durch
eine Relativdrehung zwischen dem Trägerelement 3 und dem
Führungselement 9.
Die Drehachse 31 durchsetzt die Führungsebene 29 mit
einem von 90 Grad verschiedenen Winkel. In 4a ist die Grundstellung gezeigt, während 4b eine Kippstellung um
den Winkel α darstellt. Die
Eintrittspupille 33 des Objektiv ist vorzugsweise am Ort
des Durchtrittspunktes der Drehachse 31 durch die Führungsebene 29 positioniert.
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5 illustriert das Prinzip
der Verschiebung mit dem Trägerelement 3 und
dem Führungselement 9.
Das mit einem Versatz zur Drehachse – also exzentrisch – an dem
Trägerelement 3 befestigte
Objektiv 7 beschreibt bei Drehung des Trägerelementes in
dem Führungselement
eine Kreisbahn 35 mit einem Radius die dem Versatz entspricht.
Das Trägerelement 3 ist
gemeinsam mit dem Führungselement 9 exzentrisch
drehbar, daher beschreibt das Objektiv 7 eine andere Kreisbahn 37, 38,
wobei der Radius dieser anderen Kreisbahn 37, 38 von
der Dreheinstellung des Trägerelements 3 abhängt. Das
Objektiv kann mit hoher Präzision
an jeden beliebigen Ort innerhalb der Kreisfläche der anderen Kreisbahn 37, 38 verbracht
werden. Der Übersichtlichkeit
halber ist nur die Eintrittspupille 33 für verschiedene
Einstellungen eingezeichnet. Mit r ist der Abstand der Eintrittspupille 33 von
der Grundstellung 39 – der
theoretischen optischen Achse des Mikroskops – bezeichnet. Die Stellung
der Richtung des Abstandvektors ist mit β bezeichnet.
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6 zeigt das Prinzip der
Einstellung der Neigung – Durch
Drehen des weiteren Führungselements 13 – und der
Richtung der Neigung des Objektivs 7 – durch Drehen des anderen
Führungselements 15.
Die Neigung ist durch den Winkel α und
die Richtung durch den Winkel γ angegeben.
Durch Drehen des äußeren Führungselements 17 ist
eine z-Einstellung vernehmbar. Zur besseren Anschaulichkeit ist
die Objektivachse 41 und die Achse der Grundstellung 39,
die optische Achse des Mikroskops, eingezeichnet.
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Die
Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es
ist jedoch selbstverständlich,
dass Änderungen
und Abwandlungen durchgeführt
werden können,
ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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- 1
- Feinverstellvorrichtung
- 3
- Trägerelement
- 5
- Objekt
- 7
- Objektiv
- 9
- Führungselement
- 11
- Absatz
- 13
- weiteres
Führungselement
- 15
- anderes
Führungselement
- 17
- äußeres Führungselement
- 19
- Gewinde
- 21
- Halteelement
- 23
- Niederhalter
- 25
- Käfig
- 27
- Bohrungen
- 29
- Führungsebene
- 31
- Drehachse
- 33
- Eintrittspupille
- 35
- Kreisbahn
- 37
- Kreisbahn
- 39
- Grundstellung
- 41
- Objektivachse