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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Lichtabtasteinrichtung, die insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich auf
dem Gebiet der Abtastmikroskopie und der Abtastendoskopie einsetzbar
ist.
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Ein
verfügbares
Abtastendoskop ist in der internationalen Patentanmeldung WO 99/04301
beschrieben. Dieses Mikroskop arbeitet mit einer Miniatur-Abstimmgabel, an
deren einer Zinke eine Lichtleiterquelle angebracht ist. Die Abstimmgabel
wird von Elektromagneten mit einer Frequenz von etwa 1000 Hz so
angetrieben, dass der Ausgang des Lichtleiters in Richtung der Schwingung
der Abstimmgabel abgetastet wird.
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Eine
andere Technik ist in den verwandten US-Patenten 6,172,789 und 6,057,952
beschrieben. Das in diesen Druckschriften beschriebene System enthält einen bewegbaren
Spiegel, einen festen Spiegel und eine Sammellinse. Der bewegbare
Spiegel hat in seiner Mitte eine Öffnung und ist um mindestens
eine Achse schwenkbar gehalten. Der feste Spiegel ist fest an einer
optisch transparenten Platte gehalten, deren Reflexionsfläche der
des bewegbaren Spiegels gegenüber
liegt. Licht wird aus dem Ende eines Lichtleiters durch die in der
Mitte des bewegbaren Spiegels vorhandene Öffnung durchgelassen und an
dem festen Spiegel auf den bewegbaren Spiegel reflektiert. Das Licht
wird dann an dem bewegbaren Spiegel auf die Sammellinse reflektiert,
die das Licht auf eine Objektfläche
fokussiert. Der bewegbare Spiegel wird mittels eines elektrostatischen Antriebs
oszillierend um eine Mittelachse geschwenkt. Durch die Reflexion
an dem bewegbaren Spiegel wird mit dem zugeführten Licht, das an dem festen
Spiegel auf den bewegbaren Spiegel reflektiert wird, so eine Abtastung
vorgenommen.
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In
vielen Anwendungen ist es jedoch wichtig, den Verlust an Schwingungsenergie
der schnell abtastenden Elemente zu minimieren. Einige aus dem Stand
der Technik bekannte Einrichtungen, die in kleiner oder miniaturisierter
Form vorliegen, haben leichte und schwingende Elemente, die einen
beträchtlichen
Teil ihrer Masse ausmachen. So kann eine Reaktionsbewegung der Umhüllung oder
des Gehäuses
solcher Einrichtungen in beträchtlicher Stärke auftreten.
Im Betrieb kann der Kontakt zwischen dem Gehäuse solcher Einrichtungen und
biologischem Gewebe zu einer mechanischen Dämpfung großer und variabler Stärke führen. Mit
technischen Begriffen ausgedrückt
bedeutet dies, dass der Gütefaktor „Q" dieser Systeme beträchtlich
verringert ist. Diese Dämpfung
kann auch dazu führen,
dass die Schwingung eines schnellen Abtastspiegels nur schwer aufrecht
zu erhalten ist oder dass sich die Schwingungsamplitude beträchtlich ändert.
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Als
separater Effekt kann die Kopplung der Schwingungsenergie eines
schnell resonanten Abtastspiegels oft zu einer unerwünschten
Schwingung anderer Komponenten in einem Abtastkopf führen. Eine
solche Schwingung kann schädliche
Auswirkungen haben.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung sieht deshalb eine Lichtabtasteinrichtung
zur Abtastung mit aus einer Lichtquelle stammendem Licht vor, wobei
die Lichtabtasteinrichtung umfaßt:
einen schwenkbar montierten Spiegel zum Empfangen von Licht aus der
Lichtquelle; ein Ausgleichsgewicht; und einen Antrieb zum gleichzeitigen
oszillatorischen Schwenken des Spiegels und des Ausgleichsgewichtes
in entgegengesetzte Richtungen zur Verringerung unkompensierter
Kräfte.
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So
können
in Anwendungen wie in der Endoskopie, in der eine solche Einrichtung
in einem optischen Kopf angeordnet sein würde, eine Schwingungen oder
andere unkompensierte Kräfte
verringert werden, die durch das Schwenken des Spiegels verursacht
werden, so dass die Übertragung
der Schwingung auf den optischen Kopf gemindert werden kann. Der
Antrieb wird eingesetzt, um den Spiegel zu schwenken, so dass mit
dem an dem Spiegel reflektierten Licht eine Abtastung vorgenommen
werden kann. Solche Anwendungen haben im allgemeinen zwei Abtastrichtungen,
nämlich
eine langsame, in Richtung einer y-Achse erfolgende oder vertikale Abtastung
und eine schnelle, in Richtung einer x-Achse erfolgende oder horizontale
Abtastung. Üblicherweise
wird die Erfindung auf die letztere (d. h. schnelle) Abtastung angewandt,
es besteht jedoch im Prinzip kein Grund, dass sie nicht auch auf
langsamere Abtastungen angewandt wird. Jedoch würden die Vorteile der Erfindung
im allgemeinen mit der Abtastrate abnehmen.
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Vorzugsweise
enthält
die Einrichtung einen Torsionsstab zum Halten des Spiegels. Der
Torsionsstab umfaßt
vorzugsweise ein Filament.
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Vorzugsweise
ist das Ausgleichsgewicht mechanisch mit dem Spiegel gekoppelt.
Die Einrichtung enthält
vorzugsweise einen Torsionsstab zum Halten des Spiegels und des
Ausgleichsgewichtes, wobei der Antrieb das Ausgleichsgewicht antreibt,
in dem er den Spiegel und dadurch das mechanisch gekoppelte Ausgleichsgewicht
antreibt.
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Das
Ausgleichsgewicht kann mehrere Ausgleichselemente umfassen. In einer
Ausführungsform
umfaßt
das Ausgleichsgewicht zwei Ausgleichselemente, die auf entgegengesetzten
Seiten des Spiegels angeordnet sind. In einer anderen Ausführungsform
umfaßt
das Ausgleichsgewicht eine ringförmige
Anordnung, die um den Spiegel herum positionierbar ist.
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In
einer Ausführungsform
sind der Spiegel und das Ausgleichsgewicht elektrostatisch oder
elektromagnetisch miteinander gekoppelt.
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Vorzugsweise
ist der Antrieb ein elektrostatischer Antrieb. In einer anderen
Ausführungsform
ist der Antrieb ein elektromagnetischer Antrieb.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist der Spiegel an einer ersten Halterung und das Ausgleichsgewicht
an einer zweiten Halterung angeordnet, wobei das Ausgleichsgewicht
hinter dem Spiegel angeordnet ist und dadurch die Lichtempfangsfläche des
Spiegels nicht verstellt.
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In
dieser Anordnung kann die Einrichtung schmaler ausgebildet sein,
da das Ausgleichsgewicht nicht neben dem Spiegel angeordnet ist.
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Vorzugsweise
hat die Einrichtung ein Gehäuse,
die eine druckreduzierten Atmosphäre enthält, so dass der Spiegel und
das Ausgleichsgewicht in dieser druckreduzierten Atmosphäre betrieben
werden.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Lichtabtastung
vor, umfassend:
Reflektieren des Lichtes an einem Spiegel;
Antreiben
des Spiegels derart, dass der Spiegel oszillatorisch geschwenkt
wird und dadurch eine Abtastung mit dem an dem Spiegel reflektiertem
Licht vorgenommen wird; und
Antreiben eines Ausgleichsgewichtes
derart, dass es als Gegengewicht für den Spiegel wirkt;
wobei
durch das Schwenken des Spiegels verursachte nicht kompensierte
Kräfte
mittels des Ausgleichsgewichtes verringert werden.
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In
einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Abtastmikroskop
oder -endoskop mit der oben beschriebenen Lichtabtasteinrichtung vor.
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Vorzugsweise
enthält
das Mikroskop oder das Endoskop einen oder mehrere Lichtleiter zum Übertragen
des einfallenden Lichtes auf das Mikroskop oder Endoskop, zum Übertragen
des von einer Probe zurückkehrenden
Lichtes oder sowohl zum Übertragen
des einfallenden Lichtes auf das Mikroskop oder Endoskop als auch
zum Übertragen
des von einer Probe zurückkehrenden
Lichtes.
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Das
Mikroskop oder Endoskop kann ein konfokales Mikroskop oder Endoskop
sein.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbalancieren
einer oben beschriebenen Lichtabtasteinrichtung vorgesehen, umfassend:
Montieren
des Spiegels und des Ausgleichsgewichtes auf einen oder mehrere
Sensoren zum Erfassen der in der Einrichtung in einer oder mehreren
Dimensionen auftretenden Schwingung;
Betreiben der Einrichtung
und Überwachen
der darin auftretenden Schwingung mittels der Sensoren; und
Einstellen
der Einrichtung derart, dass die darin auftretende Schwingung verringert
ist.
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Vorzugsweise
umfaßt
das Einstellen der Einrichtung das Abtragen eines Teils des Ausgleichsgewichtes
oder eines Teils des Spiegels oder aber das Abtragen von Teilen
sowohl des Ausgleichsgewichtes als auch des Spiegels.
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Vorzugsweise
erfolgt das Abtragen durch Laserablation.
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Vorzugsweise
wird das Abtragen in einer druckreduzierten Atmosphäre durchgeführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Um
die vorliegende Erfindung noch deutlicher zu machen, werden im Folgenden
beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1A eine schematische Ansicht
einer Lichtabtasteinrichtung nach einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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1B eine schematische Ansicht
einer Abwandlung der Lichtabtasteinrichtung nach 1A ist;
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1C eine schematische Ansicht
einer weiteren Abwandlung der Lichtabtasteinrichtung nach 1A ist;
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2 eine Ansicht des Abtastelementes
der Lichtabtasteinrichtung nach 1A ist;
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3A eine Querschnittsansicht
des Abtastelementes nach den 1A und 2 ist;
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3B eine Querschnittsansicht
des Abtastelementes nach den 1C und 2 ist;
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4 eine Ansicht ähnlich der
nach 2 eines Lichtabtastelementes
nach einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine Ansicht ähnlich der
nach 2 eines Lichtabtastelementes
nach einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 eine Teilquerschnittsansicht
des Abtastelementes nach 5 ist;
und
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7 eine Teilquerschnittsansicht
des Abtastelementes nach 5 im
Betrieb ist.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine
Lichtabtasteinrichtung nach der ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 1A zusammen
mit einem Lichtleiter 8 gezeigt und allgemein mit 2 bezeichnet.
Die Lichtabtasteinrichtung 2 enthält ein Abtastelement 14,
einen festen Planspiegel 16, der an einer transparenten
Platte 18 gehalten ist, und eine Sammellinse 20.
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Das
Abtastelement 14 umfaßt
einen schwenkbaren Planspiegel 22, dessen Reflexionsfläche der
Reflexionsfläche
des festen Spiegels 16 zugewandt ist. Der schwenkbare Spiegel 22 ist
von einem Ausgleichsgewicht flankiert, das Zwillingsausgleichselemente 24a, 24b umfaßt, die
beiderseits des schwenkbaren Spiegels 22 angeordnet sind.
Der schwenkbare Spiegel 22 und die Ausgleichselemente 24a und 24b sind
an einem Silicium-Torsionsstab 26 montiert.
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Der
schwenkbare Spiegel 22 hat eine zentrale, kreisförmige Öffnung 28,
die mit einer Spitze 30 des Lichtleiters 8 zusammenfällt, so
dass das von dem Lichtleiter 8 ausgesendete Licht ungehindert durch
die in dem schwenkbaren Spiegel 22 ausgebildete Öffnung 28 treten
kann. Der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung 28 ist
damit größer als
der des Lichtleiters 8, so dass die zentrale Öffnung 28 nicht als
Raumfilter für
das ausgesendete oder zurückkehrende
Licht wirkt. Das zurückkehrende
Licht kann entsprechend von der Spitze 30 des Lichtleiters 8 empfangen
werden, nach dem es durch die in dem schwenkbaren Spiegel 22 ausgebildete Öffnung 28 getreten
ist.
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Im
Gebrauch wird Licht aus einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt),
im allgemeinen einer Laserquelle, längs des Lichtleiters 8 zur
Spitze 30 übertragen
und von der Spitze 30 durch die kreisförmige, zentrale Öffnung 28 des
schwenkbaren Spiegels 22 auf den festen Spiegel 16 ausgesendet.
Dieses Licht wird an dem ersten Spiegel 16 auf den schwenkbaren
Spiegel 22 reflektiert und an dem schwenkbaren Spiegel 22 auf
die Sammellinse 20 reflektiert. In diesem Prozeß geht möglicherweise
etwas Licht durch Reflexion an dem festen Spiegel 16 zurück in die zentrale Öffnung 28 oder
in anderer Weise verloren.
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Das
Licht, das die Sammellinse 20 erreicht, wird auf einen
Punkt 18 gebündelt,
in dem eine Probe angeordnet wird. Entsprechend wird das von der
Probe (durch Reflexion oder Fluoreszenz) zurückkehrende Licht von der Sammellinse 20 gesammelt
und längs
des gleichen Strahlenganges zur Spitze 30 des Lichtleiters 8 zurück geführt. Durch
geeignete Strahlteilertechniken kann dann dieses zurückgeführte Licht – oder ein
Teil von ihm – auf
einen Detektor (nicht gezeigt) gerichtet werden.
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Obgleich
in 1A nicht gezeigt,
enthält
das Abtastelement 14 einen elektrostatischen Antrieb, um
den schwenkbaren Spiegel 22 oszillierend um den Torsionsstab 26 zu
schwenken, so dass das an dem schwenkbaren Spiegel 22 reflektierte
Licht (in der Ansicht nach 1A)
eine Abtastung in die Figurenebene hinein und aus dieser heraus
vornimmt. Die Ausgleichselemente 24a und 24b werden ebenfalls
geschwenkt, jedoch um 180° phasenverschoben zur
Bewegung des schwenkbaren Spiegels 22, um so für eine Ausgleichswirkung
zu sorgen.
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Eine
Abwandlung der Lichtabtasteinrichtung 2 ist in 1B wiederum zusammen mit
dem Lichtleiter 8 gezeigt und allgemein mit 4 bezeichnet.
Die Abtasteinrichtung 4 ist zwar größtenteils identisch mit der
Abtasteinrichtung 2 nach 1A,
enthält
jedoch einen Strahlenteiler 10, der das rückkehrende
Licht um 90° in
einen Rücklichtleiter 12 (der
an einen nicht gezeigten geeigneten Lichtdetektor angeschlossen ist)
umlenkt.
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Eine
weitere Abwandlung der Lichtabtasteinrichtung 2 ist in 1C wiederum zusammen mit dem
Lichtleiter 8 gezeigt und allgemein mit 6 bezeichnet.
Bei dieser Abwandlung ist die Spitze 30 des Lichtleiters 8 innerhalb
(oder optional geringfügig
vor) der zentralen Öffnung 28 der
Abtasteinrichtung 6 angeordnet. Die zentrale Öffnung 28 hat
in dieser Abwandlung einen etwas größeren Durchmesser als in den
in den 1A und 1B gezeigten Abwandlungen, so
dass der Lichtleiter 8 – auch dann, wenn der Spiegel 22 im
Gebrauch geschwenkt wird – untergebracht werden
kann, ohne die Bewegung des Spiegels 22 zu stören.
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In
einer weiteren Abwandlung der Abtasteinrichtung ist vorgesehen,
dass ein zweiter (Rück-Lichtleiter)
dem Lichtleiter 8 benachbart angeordnet ist und dass die
Abtasteinrichtung 2 ein zusätzliches optisches Element
enthält,
das entweder zwischen dem Abtastelement 14 und der Platte 18 oder
zwischen der Platte 18 und der Sammellinse 20 angeordnet
ist, um das von der Probe zurückkehrende
Licht geringfügig
zu zerstreuen. Dieses zurückkehrende
Licht wird deshalb nicht von dem Lichtleiter 8, sondern
von dem zweiten Lichtleiter gesammelt, wodurch es nicht erforderlich
ist, den Lichtleiter 8 mit einem Strahlteiler zu versehen,
um das zurückkehrende
Licht aus dem Lichtleiter 8 heraus und auf einen Detektor
zu richten.
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In
dieser Figur sind auch in Mikrobearbeitung aus Silikon gefertigte
Stützen 30a und 30b gezeigt, die
von der Rückwand 32 des
Rahmens 34 des Abtastelementes 14 zu dem Torsionsstab 26 reichen und
zwischen dem Spiegel 22 und dem Aus gleichselement 24a bzw.
dem Ausgleichselement 24b angeordnet sind. Die Stützen 30a und 30b sind
vorgesehen um zu verhindern, dass durch die Bewegung des Spiegels 22 und
der Ausgleichselemente 24a und 24b Wellen in dem
Torsionsstab 26 induziert werden.
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Da
es aus dem Lichtleiter 8 (nicht gezeigt) stammende Licht
wird in Richtung 36 durch die zentrale Öffnung 28 ausgesendet.
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Der
elektromagnetische Antrieb kann in einer beliebigen geeigneten Form
vorliegen, einschließlich
der, die in den US Patenten 6,057,952 und 6,172,789 beschrieben
sind. Ist letzteres der Fall, so kann die Reflexionsfläche 38 des
Spiegels 22 in Form eines aufgebrachten leitenden und reflektierenden
Materials vorliegen, das sowohl als Elektrode als auch als Reflektor
wirkt.
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Ein
anderer geeigneter, alternativer Antrieb umfaßt einen elektromagnetischen
Antrieb, der mit dem in WO 99/04301 beschriebenen vergleichbar ist.
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Die
Ausgleichselemente 24a und 24b sind so gestaltet,
dass sie ein präzises
Ausgleichsgewicht für den
Spiegel 22 bilden, um die Ankopplung nicht kompensierter
Kräfte
(entkoppelter Kräfte)
an den Rahmen 24 und von dort aus an welchen in der Einrichtung 2 auch
immer vorhandenen optischen Kopf zu minimieren. Die Ausgleichselemente 24a und 24b können auf
mindestens zwei Arten phasenverschoben zu dem Spiegel 22 angetrieben
werden. Zunächst
können
sie von einem den Spiegel 22 antreibenden elektrostatischen
Antrieb angetrieben werden, jedoch phasenverschoben zu dem Spiegel 22. Alternativ
kann der elektrostatische Antrieb eingesetzt werden, um den Antriebsspiegel 22 anzutreiben und
durch die mechanische Kopplung des Spiegels 22 und der
Ausgleichselemente 24a und 24b über die Torsionsstange 26 auch
die Ausgleichselemente 24a und 24b anzutreiben.
In beiden Fällen
treibt jedoch der Antrieb sowohl den Spiegel 22 als auch
die Ausgleichselemente 24a und 24b an.
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Der
Spiegel 22 und die Ausgleichselemente 24a und 24b werden
mit einer resonanten oszilatorischen Bewegung angetrieben, wie der
Fachmann erkennt. Das System hat einen hohen Q-Wert, so dass so
wenig Energie wie möglich
zugeführt
werden muss, um die Oszilation aufrecht zu erhalten. Die Abtasteinrichtung 2 ist
mit einem Lock-in-Sensor (nicht gezeigt) versehen, der im Zusammenwirken
mit dem Antrieb dafür
sorgt, dass der Spiegel 22 und die Ausgleichselemente 24a und 24b gleichbleibend
mit der Resonanzfrequenz angetrieben werden können.
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Die
Abtasteinrichtung 2 ist in einem Gehäuse oder einem optischen Kopf
(nicht gezeigt) so ausgebildet, dass sich der Spiegel 22 innerhalb
einer druckreduzierten Atmosphäre
befindet. Dadurch wird der Widerstand der Atmosphäre gegen
die Bewegung des Spiegels 22 und der Ausgleichselemente 24a und 24b verringert.
Ganz allgemein sorgt der abgedichtete optische Kopf dafür, dass
die in ihm enthaltenen Elemente weniger anfällig gegenüber einer Kontamination durch
Feuchtigkeit, Öl
oder Staub sind. Tatsächlich
ist in einer Ausführungsform
eine transparente Abdichtung über
der Sammellinse 20 angeordnet. Diese Abdichtung kann gereinigt
werden, ohne eine Beschädigung
der von Sammellinse 20 gebildeten Fokussieroptik zu riskieren.
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3A ist eine Querschnittsansicht
des Abtastelementes 14 in der Draufsicht, in der der Spiegel 22,
die Ausgleichselemente 24a und 24b, der Torsionsstab 26,
die Stützen 30a und 30b und
der Lichtleiter 8 zu sehen sind. Wie aus dieser Ansicht
hervorgeht, ist der Lichtleiter 8 innerhalb einer Öffnung 40 befestigt,
die sich in der Rückwand 32 des
Rahmens 34 des Abtastelementes 14 befindet. Die Öffnung 40 fluchtet
mit der zentralen Öffnung 28 des
Spiegels 22. Der Lichtleiter 8 ist optional zusätzlich gehalten, falls
dies erforderlich ist, z. B. durch einen Kragen, der von der Rückwand 32 zur
zentralen Öffnung 28 hin
absteht. Der Lichtleiter 8 erstreckt sich so weit wie möglich zur
zentralen Öffnung 28 hin,
ohne die Schwenkbewegung des Spiegels 22 zu stören.
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3B ähnelt 3A, zeigt jedoch das Abtastelement 14 in
der in 1C dargestellten
Abwandlung, d. h. mit einer etwas größeren zentralen Öffnung 28 zur
Aufnahme der Lichtleiters 8.
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Bei
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nach 4 ist
das Abtastelement im wesentlichen identisch mit dem in 2 gezeigten, hat jedoch
einen im wesentlichen kreisförmigen
Spiegel 122 und ein Ausgleichsgewicht in Form eines einzelnen
Ausgleichselementes 124, das ein Ringelement umfaßt, das
konzentrisch zu dem Spiegel 122 angeordnet ist und den
Spiegel 122 umgibt.
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Diese
Anordnung hat eine Reihe von Vorteilen: da das Ausgleichselement 124 den
Spiegel 122 umgibt, ist ein beträchtlicher Teil seiner Masse
weiter von der Torsionsstange 126 lokalisiert als der Spiegel 122 selbst.
Das Ausgleichselement 124 hat deshalb für seine Masse ein vergleichsweise
hohes Trägheitsmoment,
verglichen mit dem der Ausgleichselemente 24a und 24b nach
den 1 bis 3. Deshalb kann mit einer
vergleichsweise geringeren Masse durch das Ausgleichselement 124 die
gleiche Ausgleichswirkung erreicht werden, so dass das Abtastelement
insgesamt weniger massiv ausgebildet werden muss.
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In
dieser Ausführungsform
können
die in Mikrobearbeitung aus Silicium hergestellten Stützen auch
(in der Darstellung nach 4)
hinter dem Torsionsstab 126 zwischen dem Spiegel 122 und
dem Ausgleichselement 124 angeordnet sein.
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Das
Abtastelement nach der zweiten Ausführungsform ist ebenfalls mit
einem elektrostatischen Antrieb versehen, wie schematisch in 4 dargestellt ist. Der elektrostatische
Antrieb enthält zwei
Wechselspannungsquellen 142a und 142b, die jeweils
an eine Elektrode 144a bzw. 144b angeschlossen
und wie folgt an dem Spiegel 122 und dem Ausgleichselement 124 angebracht
sind.
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Die
Elektrode 144a erstreckt sich ausgehend von der Spannungsquelle 142a,
verläuft
längs des Torsionsstabs 126 weiter
zu dem Ausgleichselement 124, umrundet dann etwa in einem
Halbkreis das Ausgleichselement 124, bis es wieder den
Torsionsstab 126 erreicht, folgt dem Torsionsstab 126 zu
dem Spiegel 122 und läuft
etwa in einem von seinem Weg um das Ausgleichselement 124 abliegenden
Halbkreis um den Rand des Spiegels 122, bis es den Torsionsstab 126 erreicht.
Mittels der Spannungsquelle 142a können deshalb der (in der Dar stellung
nach 4) obere Teil des
Ausgleichselementes 124 und der untere Teil des Spiegels 122 gleichzeitig
geladen werden.
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Die
Elektrode 144b der Spannungsquelle 142b ist komplementär angeordnet,
so dass der (in der Darstellung nach 4)
untere Teil des Ausgleichselementes 124 und der obere Teil
des Spiegels 122 mittels der Spannungsquelle 142b gleichzeitig
geladen werden können.
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Im
Gebrauch sind die Ausgangssignale der Spannungsquelle 142a und
der Spannungsquelle 142b um 180° phasenverschoben zueinander.
Das Ausgangssignal der Spannungsquelle 142a ist zwischen
einem maximalen negativen Wert und 0 im wesentlichen sinusförmig, während das
Ausgangssignal der Spannungsquelle 142b positiv und zwischen
einem (kleineren) maximalen positiven Wert und 0 sinusförmig ist.
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Eine
Referenzelektrode (nicht gezeigt) befindet sich zwischen dem Spiegel 122 und
dem Ausgleichselement 124 innerhalb des Rahmens (ebenfalls
nicht gezeigt) des Elementes nach dieser Ausführungsform, und die Referenzelektrode
wird geladen gehalten, entweder auf +ve oder –ve.
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Legen
die Spannungsquelleen 142a und 142b die oben angegebenen
Spannungen zwischen den jeweiligen Elektroden 144a und 144b und
der Erdelektrode um 180° phasenverschoben
an, so sorgen die resultierenden elektrostatischen Kräfte zwischen
der Erdelektrode und den Elektroden 144a und 144b dafür, dass
der Spiegel 122 und das Ausgleichselement 124 gleichzeitig,
jedoch um 180° phasenverschoben
oszillierend um den Torsionsstab 126 geschwenkt werden,
so dass die unkompensierten Kräfte
minimiert werden.
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5 ist eine schematische
Explosionsansicht des Abtastelementes 214 nach einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Abtastelement 214 umfaßt einen
vorderen Rahmen 234, der einen schwenkbar an einem Torsionsstab 226 montierten
Spiegel 222 enthält.
Der Spiegel 222 hat eine kreisförmige, zentrale Öffnung 228.
Der Lichtleiter 208 ist mit seiner Austrittsspitze 230 (in
der Darstellung nach 5)
hinter und fluchtend mit der zentralen Öffnung 228 angeordnet.
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Der
Spiegel 222 wird mittels eines elektrostatischen oder elektromagnetischen
Antriebs (vgl. oben) oszillierend oder schwingend angetrieben.
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Das
Abtastelement 214 umfaßt
ferner einen hinteren Rahmen 250, der mittels vier Eckstützen 252 mechanisch
mit dem vorderen Rahmen 234 gekoppelt ist.
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Der
hintere Rahmen 250 ähnelt
größtenteils dem
vorderen Rahmen 234. Jedoch hat der hintere Rahmen 250 anstelle
eines schwenkbaren Spiegels ein ähnlich
angeordnetes schwenkbares, kreisförmiges Ausgleichsgewicht, das
an einem Torsionsstab montiert ist. Das Abtastelement 214 ist
jedoch so ausgebildet, dass das Ausgleichselement des hinteren Rahmens 250 um
180° phasenverschoben
zu dem Spiegel 222 angetrieben wird.
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Die
Anordnung der schwenkbaren Elemente (d. h. des Spiegels 250 und
des Ausgleichsgewichts) ist noch deutlicher in dem Teilquerschnitt
nach 6 gezeigt, aus
dem hervorgeht, dass sich hinter dem schwenkbaren Spiegel 222 das
schwenkbare Ausgleichsgewicht 254 befindet. Das Ausgleichsgewicht 254 hat
eine kreisförmige,
zentrale Öffnung 256,
die koaxial zur zentralen Öffnung 228 des
Spiegels 222 angeordnet ist. Die zentrale Öffnung 256 des
Ausgleichsgewichtes 254 hat einen größeren Durchmesser als die zentrale Öffnung 228 des
Spiegels 222, da der Lichtleiter 208 durch die
zentrale Öffnung 256 des
Ausgleichsgewichtes 254 geht, während er hinter der zentralen Öffnung 228 des
Spiegels 222 endet. Die zentrale Öffnung 256 des Ausgleichsgewichtes 254 hat
einen Durchmesser, der ausreichend groß ist, damit das Ausgleichsgewicht 254 nach
Bedarf schwenken kann, ohne in Kontakt mit dem Lichtleiter 208 zu
kommen.
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Wie
in 7 gezeigt, die eine
seitliche Querschnittsansicht ähnlich
der nach 6 ist, werden
im Betrieb der Spiegel 222 und das Ausgleichsgewicht 254 um 180° phasenverschoben
angetrieben, um die Übertragung
unkompensierter Kräfte
auf andere Komponenten zu minimieren.
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In
dieser Ausführungsform
ist das Abtastelement 214 vorzugsweise mit einem elektrostatischen Antrieb
versehen, der mit dem in 4 gezeigten vergleichbar
ist, wobei jedoch die Erdelektrode zwischen dem Spiegel 222 und
dem Ausgleichsgewicht 250 angeordnet ist. Die Positionierung
der Elektroden ist entsprechend eingestellt.
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In
jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen umfaßt das bevorzugte
technische Verfahren, nach dem das Ausgleichsgewicht (umfassend
ein oder mehrere Ausgleichselemente) so gefertigt wird, dass es
so genau wie möglich
den Spiegel ausbalanciert, die folgenden Schritte.
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Das
Ausgleichsgewicht wird zunächst schwerer
als erforderlich gefertigt und dann mittels progressiver Laserablation
so lange abgestimmt, dass es den Spiegel genau ausbalanciert. Dies
wird in der Weise geprüft,
dass das Abtastelement auf drei Piezo-Sensoren montiert und angetrieben
wird, während
das von den Piezo-Sensoren
ausgegebene Signal gemessen wird. Unkompensierte Kräfte in dem Abtastelement
können
dann von den Piezo-Sensoren erfasst werden, und das Ausgleichsgewicht
wird so lange der progressiven Laserablation unterzogen, bis kein
(oder ein vernachlässigbares)
Ausgangssignal aus den Piezo-Sensoren mehr erfasst wird.
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Dieser
Abstimmprozeß kann
auch in einer druckreduzierten Atmosphäre durchgeführt werden, um die letztendlich
vorliegenden, bevorzugten Betriebsbedingungen noch genauer zu simulieren.
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Ist
das Ausgleichsgewicht metallisch, so kann es mit einer leicht abtragbaren
Beschichtung versehen sein, so dass der Abstimmprozeß die Laserablation
der Beschichtung, nicht jedoch des Ausgleichsgewichts selbst vorsieht.
Alternativ kann in solchen Ausführungsformen
die Beschichtung auf den Spiegel oder andere ausbalancierte Elemente aufgebracht
und dann diese Beschichtung abgetragen werden.
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Der
Fachmann kann leicht Abwandlungen vornehmen, die innerhalb des Konzeptes
und des Schutzbereichs der Erfindung liegen. Die Erfindung ist deshalb
nicht auf die besonderen Ausführungsformen
beschränkt,
die vorstehend beispielhaft beschrieben sind.
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Außerdem sollen
die hier angegebenen Bezugnahmen auf den Stand der Technik nicht
implizieren, dass dieser Stand der Technik dem allgemeinen Fachwissen
zuzurechnen ist oder war.
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Zusammenfassung
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Beschrieben
ist eine Lichtabtasteinrichtung zur Abtastung mit aus einer Lichtquelle
stammendem Licht. Die Lichtabtasteinrichtung umfasst einen schwenkbar
montierten Spiegel zum Empfangen von Licht aus der Lichtquelle,
ein Ausgleichsgewicht und einen Antrieb zum gleichzeitigen oszillatorischen Schwenken
des Spiegels und des Ausgleichsgewichtes in entgegengesetzte Richtungen
zur Verringerung unkompensierter Kräfte.
(1A)