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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten
eines Objekts, mit einer optischen Einrichtung zur Erzeugung eines
ersten Fokus oder eines Bereiches mit kleinem Strahlquerschnitt
eines eingekoppelten optischen Strahls in einer ersten Ebene, einem
ersten Spiegel mit einer zentralen Apertur für den Durchtritt des optischen Strahls
von einer Rückseite
des ersten Spiegels und einem zweiten Spiegel, der dem ersten Spiegel
gegenüber
so angeordnet ist, dass der von der Rückseite durch die Apertur des
ersten Spiegels hindurch tretende optische Strahl auf den ersten
Spiegel reflektiert wird.
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Vorrichtungen
zum konfokalen optischen Abtasten von Objekten können in vielen technischen Bereichen
eingesetzt werden, in denen ein nahezu punktförmiges scannendes Abtasten
einer Oberfläche
erforderlich ist. Beispiele hierfür sind Bar-Code Leser, scannende
Displays, Detektionsvorrichtungen für Fingerabdrücke oder
auch die konfokale Bilderzeugung, bspw. bei der konfokalen Mikroskopie.
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Bei
einem konfokalen optischen Aufbau wird durch Fokussierung eines
optischen Strahls auf die Öffnung
einer Lochblende eine annähernd
punktförmige
Licht quelle bereit gestellt, die über ein optisches System auf
die Objektoberfläche
abgebildet wird. Der von der Objektoberfläche reflektierte Strahl wird
wiederum auf eine Lochblende abgebildet, hinter der das durch die
Lochblende hindurch tretende Licht detektiert werden kann. Nur Punkte
der Objektoberfläche, die
konfokal mit der punktförmigen
Lichtquelle sowie der detektorseitigen Lochblende liegen, tragen
wesentlich zum detektierten Licht bei. Über die Größe der Lochblendenöffnung wird
somit die Auflösung des
Systems bestimmt. Durch scannende Bewegung des auf das Objekt auftreffenden
optischen Strahls oder durch Bewegung des Objektes in dem Strahl kann
ein größerer Bereich
der Objektoberfläche
abgetastet werden.
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Eine
Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts ist
bspw. in der
US 6172789 B1 beschrieben.
Diese Vorrichtung umfasst einen Lichtwellenleiter, aus dem der optische
Strahl aus- und von der Rückseite
durch eine zentrale Apertur eines ersten Planspiegels hindurchtritt.
Die Austrittsfläche
der Lichtwellenleiterfaser repräsentiert
hierbei eine annähernd
punktförmige
Lichtquelle. Der Lichtstrahl trifft auf einen, dem ersten Spiegel
gegenüber angeordneten
zweiten Planspiegel, durch den er auf den ersten Spiegel reflektiert
wird. Über
eine Linse wird der vom ersten Spiegel reflektierte Lichtstrahl auf
eine zu untersuchende Objektoberfläche fokussiert. Der erste Spiegel
ist um eine oder zwei Achsen kippbar ausgebildet, so dass über eine
kontrollierte Verkippung dieses Spiegels ein größerer Objektbereich mit dem
Lichtstrahl abgetastet werden kann. Der Strahlengang eines Anteils
des von der Objektoberfläche
reflek tierten Lichtes entspricht identisch dem Strahlengang des
einfallenden optischen Strahls, so dass dieser reflektierte Lichtstrahl
wieder in die Lichtleitfaser eintritt. Über eine Glasfaserweiche kann
die Intensität
dieses reflektierten Lichtstrahls dann mit einem Detektor erfasst
werden.
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Die
Bereitstellung eines kippbaren Spiegels mit einer zentralen Apertur
ist herstellungstechnisch aufwendig, insbesondere wenn es sich bei
diesem Spiegel um einen Mikrospiegel handelt. Weiterhin können an
der fokussierenden Linse vor dem Objekt Reflektionen auftreten,
die den Nachweis der vom Objekt reflektierten Strahlung stören können.
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Aus
der
DE 195 03 675
C2 ist ein optisches Übertragungssystem
bekannt, bei dem ein Laserstrahl in eine optische Faser eingekoppelt
wird. Der Laserstrahl tritt dabei in einer Ausgestaltung des Systems
durch eine zentrale Öffnung
in einem festen Hohlspiegel hindurch und trifft auf einen drehbaren Planspiegel,
der ihn so auf den Hohlspiegel reflektiert, dass der Laserstrahl
unter einem gewünschten Winkel
auf die Eintrittsfläche
des Lichtwellenleiters fokussiert wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts anzugeben, die sich einfach
herstellen und sowohl zum scannenden Ausleuchten oder Beleuchten
eines Objekts als auch zum Nachweis des an der Objektoberfläche reflektierten
Lichts einsetzen lässt.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Vorrichtung lassen sich der nachfolgenden Beschreibung
sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
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Die
vorliegende Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines
Objekts umfasst eine optische Einrichtung zur Erzeugung eines ersten
Fokus oder eines Bereiches kleinen Strahlquerschnitts eines einge koppelten
optischen Strahls in einer ersten Ebene, einem ersten Spiegel mit
einer zentralen Apertur für
den Durchtritt des optischen Strahls von einer Rückseite des ersten Spiegels,
einem zweiten Spiegel, der dem ersten Spiegel gegenüber so angeordnet
ist, dass der von der Rückseite
durch die Apertur des ersten Spiegels hindurch tretende optische
Strahl auf den ersten Spiegel reflektiert wird, wobei der zweite
Spiegel ein um zumindest eine Achse kippbarer Spiegel ist, durch
dessen Verkippung über
die Reflexion am ersten Spiegel ein Bereich einer Objektebene mit
dem optischen Strahl abtastbar ist. Bei der vorliegenden Vorrichtung
ist der erste Spiegel als Hohlspiegel ausgebildet und die optische Einrichtung
und der Hohlspiegel sind so aufeinander abstimmbar, dass der optische
Strahl nach Reflektion am Hohlspiegel konfokal zum ersten Fokus
oder dem Bereich kleinen Strahlquerschnitts in der Objektebene einen
zweiten Fokus bildet. Unter einem Bereich kleinen Strahlquerschnitts
ist in diesem Zusammenhang ein Strahlquerschnitt zu verstehen, der
vergleichbar einem Fokus als eine annähernd punktförmige Lichtquelle
angesehen werden kann.
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Mit
der vorliegenden Vorrichtung lassen sich durch den konfokalen Aufbau
Objekte in der Objektebene punktförmig abtasten. Weiterhin lässt sich
bei entsprechender Ausgestaltung der optischen Einrichtung der auf
dem identischen Strahlengang zurücklaufende,
von der Objektoberfläche
reflektierte Strahl detektieren, so dass ein Abtastbild der Oberfläche, bspw.
für den
Bereich der konfokalen Mikroskopie, erhalten wird. Die Durchgangsöffnung bzw.
Apertur im Hohlspiegel lässt
sich einfacher herstellen als eine Apertur in einem kippbaren Mikrospiegel.
Durch die Ausbildung des ersten Spiegels als Hohlspiegel ist keine
weitere Linse zwischen dem kippbaren Spiegel und dem Objekt erforderlich,
so dass keine störenden Reflektionen
auftreten können.
Weiterhin bewirkt der Einsatz eines Hohlspiegels anstelle einer
Linse geringere Abbildungsfehler.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung setzt
sich die optische Einrichtung aus einer justierbaren Kondensoroptik
zusammen, bei der der eingekoppelte optische Strahl, der auch von
einer Lichtleitfaser herangeführt
werden kann, über
zumindest eine erste Kondensorlinse auf die erste Ebene fokussiert
wird und anschließend
mit zumindest einer zweiten Kondensorlinse so geformt wird, dass
in Abstimmung mit dem Hohlspiegel der zweite Fokus in der Objektebene
liegt. In der ersten Ebene ist eine Lochblende angeordnet, die außerhalb
des ersten Fokus propagierende Lichtstrahlung blockiert. Durch diesen
ersten Fokus in Verbindung mit der Lochblende wird somit durch die
optische Einrichtung eine zumindest annähernd punktförmige Lichtquelle
bereitgestellt, die konfokal zum zweiten Fokus in der Objektebene
liegt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung umfasst
die optische Einrichtung eine Lichtleitfaser mit einer vorgeschalteten
Kondensorlinse. Der in die Lichtleitfaser eingekoppelte optische
Strahl tritt aus der Ausgangsfläche
der Lichtleitfaser aus, die aufgrund des geringen Querschnitts der
Ausgangsfläche
eine annähernd
punktförmige Lichtquelle
darstellt. Mit Hilfe der nachgeschalteten Kondensor linse wird der
austretende optische Strahl in Abstimmung mit dem Hohlspiegel so
geformt, dass sich der zweite Fokus in der Objektebene bildet. Die Ausgangsfläche der
Lichtleitfaser liegt in der ersten Ebene konfokal zum zweiten Fokus.
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Für die Erzeugung
des optischen Strahls lassen sich unterschiedliche Lichtquellen
einsetzen, die eine Strahlformung mit entsprechenden Optiken zulassen.
Vorzugsweise wird aufgrund der besonderen Strahleigenschaften beim
Einsatz der Vorrichtung ein Laser eingesetzt.
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Der
kippbare zweite Spiegel ist vorzugsweise ein mikrosystemtechnisch
hergestellter Mikrospiegel, so dass die abtastbare Fläche des
Objektes durch diesen Spiegel nur unwesentlich abgeschattet wird.
Der Aufbau, die Herstellung sowie die Betriebsweise eines derartigen
Mikrospiegels sind dem Fachmann bekannt und können bspw. der
DE 19941363 A1 entnommen
werden, deren Offenbarungsgehalt im Hinblick auf diesen Mikrospiegel
Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung ist. Als Hohlspiegel wird
vorzugsweise ein Parabolspiegel eingesetzt.
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Für einen
Einsatz der vorliegenden Vorrichtung zum Nachweis der von der Objektoberfläche reflektierten
Strahlung muss die optische Einrichtung Mittel zur Trennung der
zurücklaufenden,
reflektierten Strahlung von der eingekoppelten Strahlung aufweisen.
Dies erfolgt in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit
Hilfe eines Strahlteilers im Strahlengang des eingekoppelten optischen
Strahls vor dem Eintritt in die Kondensoroptik. Bei Einsatz eines
polarisierenden Strahlteilerwürfels
kann durch Einsatz eines Polarisationsfilters vor dem Detektor, der
den zurücklaufenden,
durch den Strahlteilerwürfel
abgelenkten Strahl erfasst, eine höhere Nachweisempfindlichkeit
bei einem geringeren Anteil an störendem Streulicht erreicht
werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, bei der
die optische Einrichtung einen Lichtwellenleiter umfasst, kann die
Trennung bzw. Aufspaltung zwischen eingekoppeltem und zurücklaufendem
Strahl über
einen faseroptischen Koppler erreicht werden.
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Durch
Aufzeichnung der Intensität
des zurücklaufenden
Lichtstrahls als Funktion der Winkelstellungen der Kippachsen des
kippbaren Spiegels lässt
sich ein Abtastbild der Objektoberfläche erzeugen. Die Winkelstellungen
des kippbaren Spiegels können
dabei problemlos in kartesische Koordinaten der Bildebene umgerechnet
werden.
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Die
vorliegende Vorrichtung lässt
sich in allen technischen Bereichen einsetzen, in denen eine punktweise
scannende Abtastung einer Objektoberfläche mit Hilfe eines optischen
Strahls erforderlich ist. Dies betrifft sowohl Beleuchtungsaufgaben, bspw.
bei scannenden Displays, als auch den Bereich der Abbildung oder
Untersuchung der Objektoberfläche
durch Detektion des reflektierten Lichtes, wie bspw. bei der konfokalen
Mikroskopie. Auch zum Scannen von selbstleuchtenden oder durch andere Lichtquellen
beleuchteten Objekten lässt
sich die Vorrichtung einsetzen, wobei in diesem Fall kein optischer
Strahl eingekoppelt sondern lediglich der vom Objekt ausgehende
Lichtanteil in Abhängigkeit
von den Kippwinkeln aufgezeichnet wird.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein
erstes Beispiel für
einen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Darstellung;
und
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2 ein
zweites Beispiel für
einen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Darstellung.
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Wege
zur Ausführung
der Erfindung
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1 zeigt
beispielhaft einen möglichen Aufbau
der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Darstellung, wie er
bspw. in einem scannenden konfokalen Mikroskop zum Einsatz kommen
kann. Die Vorrichtung setzt sich aus der optischen Einrichtung 6,
dem Hohlspiegel 10 mit der zentralen Durchgangsöffnung 11 sowie
dem in zwei zueinander senkrechten Achsen kippbaren Mikrospiegel 12 zusammen.
Der Lichtstrahl 1, der in die optische Einrichtung 6 eingekoppelt
wird, kann durch eine Laserlichtquelle 15 erzeugt werden.
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Die
optische Einrichtung 6 setzt sich im vorliegenden Beispiel
aus einem Strahlteilerwürfel 2, einer
ersten Kondensorlinse 3, einer zweiten Kondensorlinse 4 sowie
der Lochblende 5 in der ersten Ebene 30 zusammen.
Der Strahlteilerwürfel 2 dient
der Auskopplung des vom Objekt reflektierten Lichtstrahls auf einen
Detektor 9, der die Intensität dieses Lichtstrahls in Abhängigkeit
von der Stellung des Mikrospiegels 12 erfasst.
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Der
in die Vorrichtung eingekoppelte Lichtstrahl
1 trifft zunächst auf
den Strahlteilerwürfel
2, von
dem er in einen nicht dargestellten reflektierten und einen transmittierten
Strahl aufgespalten wird. Der reflektierte Strahl spielt für die Funktion
der vorliegenden Vorrichtung keine Rolle. Mit dem Linsensystem aus
der ersten Kondensorlinse
3 und der zweiten Kondensorlinse
4 wird
der Lichtstrahl
1 derart aufbereitet, dass er einerseits
in der ersten Ebene
30 einen ersten Brennpunkt
13 innerhalb
der Öffnung der
Lochblende
5 aufweist und andererseits der über den
Hohlspiegel
10 erzeugte zweite Fokus
14 genau in
der Objektebene
20 liegt. Die beiden Linsen
3,
4 der
optischen Einrichtung
6 dienen dabei in erster Linie der
Strahlformung und lassen sich insbesondere hinsichtlich ihres Abstandes
sowie des Abstandes zum Hohlspiegel
10 justieren. Der aus
der optischen Einrichtung
6 austretende Strahl tritt durch
die Apertur
11 im Hohlspiegel
10 und trifft auf
den in zwei Achsen beweglichen Mikrospiegel
12, wie er
beispielsweise aus der bereits genannten
DE 19941363 A1 bekannt
ist.
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Selbstverständlich kann
an dieser Stelle auch jeder andere geeignete, in zwei Achsen verkippbare
Spiegel eingesetzt werden. Der Vorteil eines in zwei Achsen kippbaren
Mikrospiegels liegt darin, dass damit eine Fläche in der Objektebene 20 abgetastet
werden kann, ohne die Größe dieser
Fläche durch
Abschattung nennenswert zu verringern.
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Der über die
Apertur 11 einfallende Strahl wird von dem kippbaren Mikrospiegel 12 auf
die reflektierende Oberfläche
des Hohlspiegels 10, der vorzugsweise als Parabolspiegel
ausgebildet ist, umgelenkt. Anstelle eines Parabolspiegels kann
bspw. auch ein sphärischer
Spiegel eingesetzt werden. Die Kombination aus der zweiten Kondensorlinse 4 und dem
Hohlspiegel 10 mit einer geeigneten Brennweite definiert
eine Brennebene, die zugleich die Bild- bzw. Objektebene 20 ist,
in der die zu untersuchende Objektoberfläche liegt.
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Von
der Oberfläche
des zu untersuchenden Objekts in der Objektebene 20 werden
nur diejenigen Teilstrahlen über
die Kombination aus Hohlspiegel 10, kippbarem Spiegel 12 und
Apertur 11 für
den Nachweis erfasst, die von dem kippbaren Spiegel 12 wieder
durch die Lochblende 5 gelenkt werden. Der Durchmesser
der Apertur in der Lochblende 5 definiert somit die Auflösung des
Systems. Nach dem Durchgang durch die Linse 3 durchläuft das
Nachweislicht den Strahlteilerwürfel 2 und
wird von diesem im vorliegenden Beispiel der 1 nach unten
auf einen Detektor 9 reflektiert, der die Intensität des reflektierten
Strahls erfasst. Diese Intensität
ist proportional zur von der Objektoberfläche reflektierten Intensität und wird
in Abhängigkeit
vom Kippwinkel der beiden Achsen des kippbaren Spiegels 12 aufgezeichnet.
Diese Intensität
als Funktion der Kippwinkel der beiden Achsen des kippbaren Spiegels 12 lässt sich
unter Verwendung einer geeigneten Software als Bild darstellen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird ein polarisierender
Strahlteilerwürfel 2 eingesetzt.
Unter der Voraussetzung, dass das eingekoppelte Laserlicht linear
polarisiert ist (Polarisationsrichtung senkrecht zur Zeichenebene
der 1), kann in der Nachweisrichtung am Ausgang des Strahlteilerwürfels 2 vor
dem Detektor 9 ein entsprechendes lineares Polarisationsfilter
eingesetzt werden. Hierdurch wird zwar die Nachweisintensität um etwas
mehr als den Faktor 2 reduziert, jedoch werden gleichzeitig
alle Streuintensitäten
des linear polarisierten Laserlichts merklich reduziert. Zur weiteren Reduktion
dieses Streulichts können
alle optischen Oberflächen
der vorliegenden Vorrichtung für
die entsprechende Wellenlänge
des Laserlichts entspiegelt werden.
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Neben
der in der 1 dargestellten optischen Einrichtung
lässt sich
auch eine aus Lichtleitfasern gebildete optische Einrichtung 6 gemäß 2 einsetzen.
Hierbei wird das Licht von der Laserlichtquelle 15 in den
Lichtwellenleiter 7 eingekoppelt. An dessen Ausgang wird
eine Kondensorlinse 4 eingesetzt, die die Ausgangscharakteristik
des Laserlichts aus der Lichtleitfaser bzw. die Einkoppelcharakteristik
des Nachweislichts in die Faser anpasst. Die in der Ebene 30 liegende
Ausgangsfläche
des Lichtwellenleiters 7 stellt aufgrund ihres geringen
Querschnitts eine annähernd
punktförmige
Lichtquelle vergleichbar dem Fokus 13 innerhalb der Lochblende 5 der 1 dar.
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Der
weitere Strahlverlauf ist identisch dem der Vorrichtung der 1.
Auch hier werden die Linse 4 und der Hohlspiegel 10 entsprechend
aufeinander abgestimmt, um den Fokus 14 in der Bild- bzw. Objektebene 20 zu
erzeugen.
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Bei
Einsatz dieser Vorrichtung als Nachweissystem zur Untersuchung einer
Objektoberfläche kann
ein faseroptischer Koppler 8 für die Auskopplung des rücklaufenden
Nachweislichts in den Detektor 9 eingesetzt werden, wie
dies in der 2 veranschaulicht ist.
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- 1
- Lichtstrahl
- 2
- Strahlteilerwürfel
- 3
- erste
Kondensorlinse
- 4
- zweite
Kondensorlinse
- 5
- Lochblende
- 6
- optische
Einrichtung
- 7
- Lichtleitfaser
- 8
- faseroptischer
Koppler
- 9
- Detektor
- 10
- Hohlspiegel
- 11
- Apertur
- 12
- kippbarer
Mikrospiegel
- 13
- erster
Fokus
- 14
- zweiter
Fokus
- 15
- Laserlichtquelle
- 20
- Objekt-
bzw. Bildebene
- 30
- erste
Ebene