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Die
Erfindung betrifft eine Sondenanordnung für ein Rastersondeninstrument.
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Üblicherweise
werden Rastersondeninstrumente zur Oberflächenuntersuchen bzw. -modifizierung
speziell vorbereiteter Proben verwendet, welche direkt auf der Scanneinrichtung
des Sondeninstruments, z.B. eines Sondenmikroskops fixiert werden. Dabei
müssen
Abmaße
und Konfiguration dieser Proben den Gegebenheiten des Scanners angepasst werden,
was die Anwendbarkeit dieser Vorrichtungen stark einschränkt. Üblicherweise
betragen die Probenabmaße
maximal einige Zentimeter, ihre Masse maximal einige zehn Gramm.
Proben mit Massen von mehr als 100 g sowie mit geometrisch inhomogenen
Oberflächen
lassen sich damit nicht untersuchen.
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Als
Alternative zur Fixierung der Probe auf dem Scan ner kann die Sonde
am Scanner befestigt werden und so die zu untersuchenden Oberflächen gescannt
werden. Damit lassen sich auch größere Objekte untersuchen. Es
bleibt jedoch das Problem der Begrenzung des geometrischen Profils
der Oberfläche,
d.h. die charakteristischen Abmessungen in der Scannebene müssen genügend groß und der
Abstand an die Möglichkeiten
des Scanners angepasst sein, um die Arbeit des Scanners mit daran
befindlichen Sonde zu ermöglichen.
Derartige Einrichtungen werden daher lediglich bei Untersuchungen
von Objekten mit größeren ebenen
geometrischen Ausprägungen,
wie z.B. bei der Untersuchung von Wafern in der Halbleiterindustrie
ihre Anwendung.
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Ein
Rastersondenmikroskop mit Scanner und Sonde ist beispielsweise in
der
DE 198 41 931 offenbart.
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Die
US 6 138 503 A offenbart
ein Rasterkraftmikroskop mit einer Vorrichtung, die es erlaubt,
die Sonde auszuwechseln.
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Die
US 6 452 161 B1 offenbart
ein Rastersondenmikroskop, das mit einem optischen Sensor ausgestattet
ist, mit dem ein Bereich unter der Sonde beobachtet werden kann.
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Die
US 5 861 624 A offenbart
ein Kraftmikroskop, dass an ein Objektiv eines optischen Mikroskops
befestigt werden kann, womit ein gleichzeitiges Beobachten und Scannen
einer Probe möglich
ist.
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Die
DE 196 11 779 A1 offenbart
ein Rastermikroskop mit einer Sondenhaltevorrichtung zum lösbaren Halten
einer Sonde und einem Abtastkopf.
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Die
US 5 650 614 offenbart ein
Kraftmikroskop, das es erlaubt, Proben mit großen Abmessungen zu untersuchen.
Hier wird durch ein in das Kraftmikroskop integriertes erfindungsgemäßes optisches System
die Oberflächenstruktur
der Probe erfasst und mit diesen Informationen ein Scannen der Probe abgestimmt.
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Die
DE 196 30 650 A1 offenbart
eine Fasersonde für
die optische Nahfeldmikroskopie mit einer Vorrichtung zur Steuerung
des Abstands zwischen einer Probenoberfläche und der Spitze der Fasersonde.
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Die
DE 43 38 688 C1 offenbart
eine Halterung für
eine Tastspitze eines Rastersondenmikroskops, wobei die Tastspitze
zumindest von einem durch einen von einem Lichtstrahlleiter ausgesandten
Lichtstrahl bestrahlt wird. Die Halterung vereinfacht das Justieren
von Tastspitze und Lichtstrahlleiter.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sondenanordnung für Rastersondeninstrumente
zu schaffen, mit der es möglich
ist, die Einsatzmöglichkeiten
für Rastersondeninstrumente
erheblich zu erweitern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
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Dadurch,
dass die Sondenanordnung eine lang gestreckte Halterung zur Aufnahme
und Befestigung mindestens einer Sonde, und mindestens einer für die Funktion
der Sonde notwendige Zuleitung und einer mikrooptischen Vorrichtung
bzw. deren Teile aufweist und die Halterung der Sondenanordnung weiterhin
ein Ankoppelelement zum Verbindung mit dem Rastersondeninstrument
aufweist, wobei die Sonde am vom Ankoppelelement entfernt liegenden Ende
der Halterung angeordnet ist, wird ein Zusatzelement für ein Rastersondeninstrument zur
Verfügung
gestellt, das den Abstand der Sonde von der Scanneinrichtung vergrößert, d.h. ein
Distanzstück bildet,
wodurch einerseits ein Zugang der Sonde zu einer zu untersuchenden
bzw. zu modifizierenden Oberfläche
ermöglicht
wird, aber andererseits jegliche unerwünschte Rückwirkung mechanischer, elektromagnetischer
oder -statischer Art vom untersuchten Objekt auf die Scanneinrichtung
verhindert wird.
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Unter
lang gestreckt soll verstanden werden, dass die Halterung in der
einen Abmessung sehr viel größer als
in der anderen ist und dass die Enden an der längsten Ausdehnung vorgesehen
sind, wobei „lang
gestreckt" sowohl
gerade als auch gekrümmte Halterungen
bezeichnen soll.
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Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Durch
das Einfügen
der Sondenanordnung als Verlängerungsvorrichtung
in das Rastersondeninstrument kann das Rastersondeninstrument zur
Untersuchung und Analyse von Oberflächeneigenschaften beliebiger
Materialien bei eingeschränkter
Zugänglichkeit
zum Untersuchungsobjekt z.B. an Oberflächen in Vertiefungen, Hohlräumen, Bohrungen, Löchern und
anderen Oberflächen
mit komplizierten Profilen eingesetzt werden. Insbesondere können mit dem
mit der erfindungsgemäßen Sondenanordnung versehenen
Rastersondensondeninstrument medizinisch-biologische Untersuchungen
und Analysen biologischer Gewebe in vivo, so z.B. von Knorpelgewebe
oder physikalisch-chemische Interaktionen mit diesem Gewebe im Gelenk
oder Körperhohlräumen durchgeführt werden.
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Weiterhin
ist diese erfindungsgemäße Sondenanordnung zum
Einsatz in Verbindung mit Koordinatenmessmaschinen oder Profilometern
geeignet, wodurch sich deren Möglichkeiten
zur Analyse von Oberflächenqualitäten bearbeiteter
Teile erheblich erweitert.
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Die
erfindungsgemäße Sondenanordnung kann
in standardmäßigen Rastersondenmikroskopen verwendet
werden, wodurch die Untersuchungen von Objekten mit komplizierten
Profilen ermöglicht werden,
wobei auch eine Modifizierung der Oberflächen mit nanometrischer bzw.
submikrometrischer Genauigkeit gegeben ist.
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet für
ein mit der erfindungsgemäßen Sondenanordnung
versehenes Rastersondeninstrument besteht darin, dass es in Werkzeugwechselvorrichtungen
moderner CNC-Bearbeitungsmaschinen integriert werden kann, wodurch
eine entsprechende Oberflächenanalyse
unmittelbar nach der Bearbeitung ermöglicht wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Rastersondeninstruments mit Scanner und
der erfindungsgemäßen Sondenanordnung,
teilweise geschnitten,
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2 eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht der erfindungsgemäßen Sondenanordnung
in der Gesamtansicht (2a) und mit vergrößerter Ansicht
des vorderen Endes (2b), sowie einer vergrößerten Ansicht
der Befestigung eines Cantileverchips (2a),
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3 eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Sonde
in Gesamtdarstellung (3a) und in vergrößerter Darstellung
der Spitze (3b), und
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4 eine perspektivische, teilweise geschnittene
Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Sondenanordnung
in Gesamtdarstellung (4a), in vergrößerter Darstellung
des Spitzenbereichs (4b) und in vergrößerter Darstellung
des Spitzenbereiches in einer Perspektive von unten gesehen (4c),
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5 eine
Teilansicht eines Rastersondeninstruments mit Scanner entsprechend
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In 1 ist
schematisch ein Rastersondeninstrument 1 dargestellt, das
einen Scanner 40 und eine daran lösbar befestigte erfindungsgemäße Sondenanordnung 8 aufweist.
Die Sondenanordnung 8 weist eine lang gestreckte Form auf
und sie ermöglicht
dadurch eine Untersuchung in einer Vertiefung 41. In der
Darstellung nach 1 ist die Sondenanordnung in
einer geraden lang gestreckten Form dargestellt, sie kann jedoch
auch gekrümmt
sein.
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Im
Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sondenanordnung
beschrieben. In 2a und 2b ist
eine Sondenanordnung dargestellt, wie sie bei einem Rastersondeninstrument
nach 1 verwendet werden kann. Die Sondenanordnung 8 weist
ein als Hohlzylinder ausgebildetes Gehäuse 10 mit zwei offenen
Enden 11, 12 auf, die den Hohlraum des Gehäuses 10 mit
dem äußeren Raum
verbinden. Innerhalb des Gehäuses 10 sind
zwei Scheiben 13, 14 mit Öffnungen angeordnet, die zusammen
mit dem Gehäuse
eine lang gestreckte Halterung für
die an das Ende 11 der Sondenanordnung 8 geführten Bestandteile
von in der Sondenanordnung verwendeten Vorrichtungen dienen.
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Diese
Vorrichtungen sind beispielsweise eine mikrooptische Beobachtungsvorrichtung,
die im vorliegenden Fall als lang gestrecktes sogenanntes Flexoskop 15 (flexibles
Endoskop) ausgebildet ist. Das Flexoskop 15 ist durch die
kreisrunden Löcher oder Öffnungen
der Scheiben 13, 14 geführt, wobei sein Beobachtungsende
in der Nähe
des Endes 11 des Gehäuses 10 angeordnet
ist. Das Flexoskop 15 wird durch das offene Ende 12 aus
der Sondenanordnung 8 herausgeführt und ist mit den entsprechenden Bestandteilen
der Beobachtungsvorrichtung in dem Rastersondeninstrument verbunden.
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Eine
weitere, in der Sondenanordnung 8 enthaltene Vorrichtung
ist eine Vorrichtung zur Abstandsmessung, die als faseroptische
Reflexionsmesseinrichtung 16 ausgebildet ist. Auch die
Faseroptik, d.h. ein Lichtleiter bzw. optische Messfasern der Abstandsmesseinrichtung
ist durch Öffnungen
in den Scheiben 13, 14 geführt und wird darin ortsfest gehalten.
Im Innenraum des Gehäuses 10 befindet sich
als Teil des Gehäuses
ein hohles Element 17, dessen Ende 18 zur Befestigung
eines Cantileverchip 19 dient. Der Cantileverchip 19 trägt einen
Cantilever, der mit einer Nadelsonde (2b) versehen ist,
die dem zu untersuchenden Objekt zugewandt ist. Der Cantilever 20 liegt
der Stirnfläche 21 der
Faseroptik der Abstandsmessvorrichtung gegenüber.
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Am
Ende 12 ist das Gehäuse 8 mit
einem Gewinde 22 versehen, das als Ankoppelelement an das
Rastersondeninstrument bzw. den dazu gehörigen Scanner dient. Selbstverständlich können andere
Ankoppelelemente vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Teil eines
Bajonettverschlusses.
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2b zeigt
eine vergrößerte Darstellung des
Endes 11 der Sondenanordnung 8, bei der die Anordnung
des Cantileverchips 19 sowie die Lage des Flexoskops 15 und
der Faseroptik 16 innerhalb des Gehäuses 10 anschaulicher
dargestellt ist. Diese sind so befestigt, dass sich der Cantilever 20 zum
einen im Sehfeld der optischen Ebene des Flexoskops 15 und
zum anderen innerhalb der Apertur der Faseroptik 16 in
einem Abstand befindet. Die Faseroptik erfasst mit ihrer Stirnfläche 21 das
vom Cantilever 20 zurück
gestreute Licht, das ein Maß für den Abstand zwischen
der Stirnfläche 21 und
dem Cantilever 20 ist. Die Intensitätsänderungen durch Bewegen der mit
dem Cantilever verbundenen Nadelsonde auf dem Objekt, z.B. der Bewegung,
wird durch Intensitätsänderung
des vom Cantilever 20 zurückgestrahlten Lichts erfasst.
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Die
Scheiben 13 und 14 der Halterung weisen zusätzliche Öffnungen 23, 24, 25 auf,
die zur Befestigung und Führung
eines zusätzlichen
Flexoskops, durch das ein Stereosichtsystem realisiert werden kann,
sowie zur Befestigung einer weiteren, als Beleuchtungsquelle dienenden
Faseroptik benutzt werden können.
Diese Öffnungen
können
jedoch auch für
andere Zwecke vorgesehen werden, z.B. zur Aufnahme von Kapillarröhren, mit
denen während
der Untersuchung Lösungen
auf das Untersuchungsobjekt pipettiert oder dispensiert werden. Die Öffnung 25 kann
zur Aufnahme weiterer opti scher Fasern, entweder zum Betreiben anderer
Sondenarten oder als Hilfskapillaren verwendet werden.
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In
der obigen Ausführungsform
bilden das Gehäuse 10 und
die Scheiben 13, 14 die Halterung für das Flexoskop,
und die Faseroptik sowie für
das Element 17. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist jedoch auch
denkbar, dass eine andere lang gestreckte bzw. längliche Halterung, z.B. ein
Stab mit daran befestigten Fixierelementen verwendet wird. Wichtig
ist, dass Sonde und Scanner beabstandet sind, damit auch in Vertiefungen
gemessen werden.
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In 2c ist
ein Ausführungsbeispiel
einer Sonde mit Cantilever und Cantileverchip dargestellt. Die Cantilever
sind mit dem Cantileverchip 42 verbunden und ragen in das
Innere des rahmenförmigen Teils
hinein. An den balkenförmigen
Cantilevern 43 sind Messer 44 oder Nadeln zum
Abtasten des Objektes angeordnet. Der Rand des Cantileverchips wird
einer Klemmvorrichtung 46 mit vier Backen 45 gehalten,
derart, dass der Chip 42 beispielsweise bei Beschädigung ausgetauscht
werden kann. Dazu weist der Rand des Cantileverchips 42 schräge Flächen auf,
die von den Backen 45 übergriffen
werden. Innerhalb der hülsenartigen
Klemmvorrichtung erstrecken sich die Messfasern 47 der
Abstandsmessvorrichtung, deren Enden den Balken 43 gegenüberliegen.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Sondenanordnung
dargestellt, die für
die Arbeit mit Sonden ohne Cantilever geeignet ist, wie z.B. Tunnelstrom-
oder Nahfeldsonden. In der Figur ist eine Möglichkeit der Verwendung einer
elektrisch leitenden Sonde zur Messung eines Tunnelstroms dargestellt.
In dieser Realisierung weist die Sondenanordnung 8 gleichfalls
ein hohles, zylinderförmiges
Gehäuse 10 auf,
dessen Ende 11 jedoch vier Öffnungen 26 und eine
kleinere Mittelöffnung 27 umfasst.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel
sind die Scheiben 13, 14 vorgesehen, in denen neben
dem Flexoskop 15 die elektrische Sonde 28 bzw.
deren Zuleitung mittig geführt
ist, die aus dem Ende 11 durch die kleine Mittelöffnung 27 hervorragt. Auch
in diesem Ausführungsbeispiel
weisen die Scheiben 13, 14 weitere Öffnungen 23 auf
und es können,
wie in Ausführungsbeispiel
nach 2b, zusätzliche
Bauelemente in diesen Öffnungen
fixiert werden. Das Flexoskop 15 kann auch so in den Scheiben
gelagert sein, dass über
einen zusätzlichen Antrieb
eine Verschiebung des Flexoskops, gegebenenfalls auch der weiteren
Vorrichtungen in den Öffnungen 23 durch
die Öffnungen 26 durchgeführt werden.
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In
den 4a bis 4c ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Sondenanordnung
dargestellt, die zur Untersuchung von Seitenwänden länglicher Hohlräume geeignet
ist, wie z.B. Wandungen von Bohrungen oder auch von in den Wänden von
Blutgefäßen. In
diesem Fall wird ebenso wie in 2 eine
Nadelsonde am freien Ende eines Cantilevers 20 verwendet,
wobei der zugehörige
Cantileverchip 19 in diesem Fall jedoch nicht an der Stirnfläche des
Gehäuses 10 sondern
an der Mantelfläche
eines etwas anders ausgeformten Gehäuses 29 angebracht
ist. Das Gehäuse 29 weist wiederum
zwei Enden 11, 12 auf, wobei das Ende 12 identisch
zu dem der 2 mit Gewinde 22 ausgebildet
ist. In der Stirnfläche
des Endes 11 des Gehäuses 29 ist
eine Öffnung 31 für das Sehfeld
des Flexoskops 15 eingebracht. Weiterhin ist eine Öffnung 30 bzw.
ein Einschnitt in der Mantelfläche
des Gehäuses 29 vorgesehen.
Wie besser aus 4b und 4c zu
erkennen ist, ist in dem Einschnitt des Gehäuses 29 eine schräg nach unten
gerichtete Fläche
vorgesehen, die einen Umlenkspiegel 32 aufnimmt. In den Scheiben 13 und 14 sind
zwei Faseroptiken oder Lichtleiter 33, 34 geführt, die
Bestandteil einer Abstandsmessvorrichtung sind, wobei die optische
Faser 34 als Lichtquelle dient und die Faser 33 das
reflektierte Licht aufnimmt. Gleichfalls an der unteren Mantelfläche des
Gehäuses 29 am
Ende 11 ist eine Stufe 35 eingefräst, an der
der Cantileverchip 19 mit Cantilever 20 und Nadelsonde
befestigt ist. Die gefräste
Stufe 35 steht unter einem Winkel von 20° zur Gehäuseachse,
was einem üblichen
Wert beim Scannen mit geneigten Cantilevern entspricht. Der Cantileverchip 19 ist
in der Vertiefung 35 z.B. durch Kleben befestigt.
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Die
Austrittsflächen
der optischen Fasern 33, 34 stehen dem Umlenkspiegel 32 gegenüber und
der Cantileverchip 19 ist zu dem Umlenkspiegel und den optischen
Fasern 33, 34 so angeordnet, dass das Licht aus
der Faser 34 vom Spiegel 32 auf die Reflexionsfläche des
Cantilevers umgelenkt und danach wieder über den Spiegel 32 auf
die Eintrittsöffnung der
Empfangsfaser 33 zurückgelenkt
wird. Es wurde die Mehrfaseranordnung zur optischen Abstandsmessung
gewählt,
da die Verwendung des Spiegels 32 den optischen Weg verlängert und
die Justierung der optischen Achse erheblich erschwert.
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Wie
aus der vergrößerten Darstellung
des Teilschnitts des Endes 11 der Sondenanordnung gemäß 4b und 4c zu
erkennen ist, ist ein weiteres Flexoskop 36 vorgesehen,
in dessen Sehfeld sich der Cantilever 20 mit Sonde befindet.
Das andere Flexoskop 15 ermöglicht die Kontrolle der Lage
der Sondenanordnung im zu untersuchenden Hohlraum. Die weiteren Öffnungen 23 und 37 in
der Scheibe 13 und entsprechend in der Scheibe 14 dienen
wie zuvor zur Aufnahme eines weiteren Flexoskops zur Erzeugung einer
Stereosicht oder zusätzlichen
Lichtquellen und Faseroptiken.
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In
den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
wurde als Beobachtungseinrichtung ein Flexoskop verwendet. Selbstverständlich sind
andere Beobachtungseinrichtungen möglich, wie z.B. eine mikrooptische
Bildaufnahmevorrichtung mit einstellbarer Bildebene, wobei der Cantileverchip
relativ zur Bildaufnahmevorrichtung derart befestigt ist, dass sich
die Sonde in der optischen Bildebene befindet.
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In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
wurde ein optisches Reflexionsmesssystem für die Abstandsvorrichtung verwendet,
es sind selbstverständlich
andere Möglichkeiten
gegeben, wie ein optisches Interferenzmesssystem oder ein kapazitives
Messsystem.
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Die
Halterung weist vorzugsweise das rohrförmige, an beiden Enden mit Öffnungen
versehene Gehäuse
auf und als Fixierelemente werden Scheiben verwendet. Es können andere
Fixierelemente z.B. Schalenelemente und/oder Klemmelemente vorgesehen
werden, die die für
die Sondenanordnung benötigten
Bauelemente und/oder Zuleitungen einklemmen und festlegen.
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In 5 ist
eine schematische Ansicht eines Teilschnitts für ein Rastersondeninstrument
dargestellt, bei dem die erfindungsgemäße Sondenanordnung verwendet
wird und das für
das Scannen biologischer in vivo in Hohlräumen biologischer Organismen
vorgesehen ist. Das Rastersondeninstrument 1 weist ein
Gehäuse 2 und
eine an dem Gehäuse
befestigte Hohlnadel 3 auf. Am Gehäuse sind drei lineare Schrittmotoren 4 angeordnet,
von denen nur zwei zu sehen sind. An den nicht dargestellten beweglichen
Teilen der Motoren 4 ist das Gehäuse 6 eines Dreikoordinatenscanners 5 angebracht,
wobei im vorliegenden Fall der Scanner als Röhrchenscanner ausgebildet ist.
An der Stirnfläche 7 des
Scanners 5 ist die lang gestreckte Sondenanordnung 8 befestigt, die
in ihren Ausführungsformen
in den 2–4 dargestellt
ist, wobei bei dem Rastersondeninstrument nach 5 die
Ausführung
der Sondenanordnung nach 2 verwendet
wird. Der Scanner 5 mit der daran befestigten Sondenanordnung 8 ist
im Gehäuse 2 des
Rastersondeninstrumentes 1 so untergebracht, dass sich
die Sondenanordnung 8 in ihrer Ausgangslage vollständig innerhalb
der Hohlnadel 3 befindet und mit Hilfe der Motoren 4 eine
Längsbewegung
in der Hohlnadel 3 in der Art realisierbar ist, dass das
Ende der Sondenanordnung 8 mit einer daran angeordneten,
später
beschriebenen Sonde aus der Hohlnadel 3 herausragt.
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Nach
Einführung
der Hohlnadel in das Untersuchungsgebiet unter optischer Kontrolle
mit Hilfe des in der Sondenanordnung 8 vorgesehenen Flexoskops
wird das Ende 9 der Hohlnadel 3 in mechanischen
Kontakt mit der Oberfläche
des zu untersuchendes Gewebes gebracht. Die Motoren 4 schieben dann
unter gleichzeitiger optischer Kontrolle die Sondenanordnung in
Richtung des Endes 9 der Hohlnadel 3 vor, bis
ein Kontakt der an der Sondenanordnung 8 angeordneten Sonde
mit dem zu untersuchenden Gewebe registriert wird. Danach wird mit Hilfe
des Scanners 5 die standardmäßige Abfolge von Bewegungen
auf der zu untersuchenden Oberfläche
durchgeführt.
Nach Beendigung der Untersuchung bewegen die Motoren 4 die
Sondenanordnung 8 in die Ausgangslage zurück, wonach
die Hohlna del 3 aus dem Bereich des untersuchenden Gewebes, d.h.
aus dem Körper
entfernt werden kann.
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In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist die Sondenanordnung mit einen Bestandteil des Rastersondeninstrument
bildenden Scanner verbunden, mit dem das Objekt abgescannt wird.
Es ist jedoch auch denkbar, dass die Sondenanordnung mit einer feststehenden
Basis des Rastersondeninstruments verbunden ist und das Objekt an
dem Scanner angebracht ist.