DE19632594A1 - Konfokales Mikroskop unter Anwendung von refraktiven Mikrolinsen-Feldern - Google Patents
Konfokales Mikroskop unter Anwendung von refraktiven Mikrolinsen-FeldernInfo
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Description
Das konfokale Prinzip wurde bereits 1957 in dem U. S. Patent Nr. 3,013,467 von M. Minsky
beschrieben. Durch die Abbildung nur jeweils eines Objektpunktes auf einen Punktdetektor
wird Streulicht von den Nachbarpunkten unterdrückt und der Kontrast erhöht. Zudem zeichnet
sich ein solches Verfahren dadurch aus, daß Ebenen, die voneinander geringfügig getrennt
sind, auch optisch getrennt dargestellt werden und somit ein 3-dimensionales Bild des
Objektes erzeugt werden kann. Ein Nachteil dieser Einzelpunkt-Beleuchtung ist, daß zu einer
bestimmten Zeit nur ein einziger Punkt gemessen werden kann. Deshalb muß ein konfokales
Mikroskop das Objekt Punkt für Punkt abrastern, was eine zeitaufwendige Messung mit sich
bringt.
Einige Möglichkeiten, wie diese zeitaufwendige Einzelpunktmessung vermieden werden
kann, sind z. B. in der Patentanmeldung mit dem Titel "Optische Abtastvorrichtung mit
konfokalem Strahlengang, in der Lichtquellen- und Detektormatrix verwendet werden"
(Veröffentlichungsnummer 0485 A1) aufgeführt.
Oben genanntes Verfahren (0485803 A1) benutzt einen konfokalen Strahlengang zur
3-dimensionalen Untersuchung eines Objektes, wobei ein Beleuchtungsraster in eine
Fokusebene abgebildet wird, die auf bzw. in der Nähe der Oberfläche des Objektes liegt.
Durch die Verwendung eines Beleuchtungsrasters werden gleichzeitig eine große Anzahl von
Punkten innerhalb einer Ebene detektiert, die benötigte Zeit zur 3-dimensionalen
Untersuchung eines Objektes wird somit stark reduziert.
Das Raster kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden, so wird z. B. die vielfache
Abbildung einer beleuchteten Blende mit einem Linsen-Array im obigen Patent angeführt.
Zudem besitzt die beschriebene Abtastvorrichtung die Möglichkeit, daß das
Beleuchtungsraster mit Hilfe eines Objektivs verkleinert auf das Objekt abgebildet wird. Das
Verfahren gestattet somit eine relativ schnelle und genaue 3-dimensionale Darstellung von
Objekten. Eine zusätzliche Information durch Einbeziehung der Phase ist mit dem
geschilderten Verfahren nicht möglich.
Durch den Einbau eines zusätzlichen Teilerspiegels in eine konfokale Anordnung, läßt sich
eine Referenzwelle einspiegeln, die mit der Objektwelle überlagert werden kann. Das
entstehende niederfrequente Interferenzbild enthält Informationen über die Phase des
verwendeten Lichtes. Das axiale Auflösungsvermögen kann dem Auflösungsvermögen von
Interferometern angenähert werden.
Die Erfindung soll zunächst an Hand zweier einfacher Beispiele erläutert werden, wobei das
Beleuchtungsraster durch ein refraktives Mikrolinsen-Array erzeugt wird; sie ist jedoch nicht
auf diese Art von Raster beschränkt.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
Fig. 1 die Anordnung für das Verfahren bei dem Spiegel und Strahlteiler des Interferometers
getrennt sind. Der Teilerspiegel befindet sich vor dem Mikrolinsen-Array, die
Referenzwelle wird nach dem 2. Blendensystem mit der Objektwelle vereinigt. Ein
optisches System im Objekt- und Referenzarm sorgt dafür, daß sich der Strahlteiler
im Fokus beider interferierender Bündel befindet. Das Blendenraster wird schließlich
durch eine weitere Linse großflächig auf den Detektor abgebildet.
Fig. 2 eine Anordnung gemäß Fig. 1, wobei das Linsen- und Blendenraster nach dem
Strahlteiler angebracht ist und dieses eine Rastersystem zweimal durchlaufen wird.
Eine aufwendige Justage der zwei Blendenraster zueinander kann somit umgangen
werden.
Fig. 3 eine Anordnung nach Prinzip eines Interferometers, bei dem die Aufteilung und
Zusammenführung der interferierenden Bündel am gleichen Teiler erfolgen. Als
Strahlteiler wird ein Polarisationsstrahlteiler verwendet, der zusammen mit leicht
geneigten λ/4-Plättchen Störreflexe vermeidet.
Fig. 4 eine Anordnung für den Durchlichtbetrieb.
Claims (10)
1. Verfahren und Anordnung zur konfokalen Mikroskopie, dadurch gekennzeichnet,
daß das Licht einer intensiven kohärenten Lichtquelle auf einen Strahlteiler fällt,
wodurch zum einen eine Referenzwelle ausgekoppelt wird und zum anderen eine
Objektwelle erzeugt wird, die mit Hilfe eines geeigneten Linsenrasters ein Lochraster
derart beleuchtet, daß das Lochraster in der Fokalebene des Linsenrasters liegt und daß
das Licht dort räumlich durch die Lochblenden weiter eingeengt wird und daß das
durchgehende Licht einen Strahlteiler passiert und durch ein nachfolgendes
Linsensystem auf ein Objekt abgebildet wird und daß das rückgestreute, reflektierte
Licht einer weiteren Lochmaske zugeführt wird und dort räumlich entsprechend dem
konfokalen Prinzip gefiltert wird und danach über ein weiteres Mikrolinsenraster in
eine ebene Welle umgewandelt wird, die mit der am ersten Strahlteiler erzeugten
Referenzwelle ein niederfrequentes Interferenzbild hervorruft, das dann über eine
geeignete Linsenkombination auf einen 2-dimensionalen und hochempfindlichen
Empfänger abgebildet, detektiert und in einem angeschlossenen Rechner gespeichert
und zu einem Bild verarbeitet wird, wobei die Intensitätsmodulation der einzelnen
Detektorelemente aufgrund der Phasenvariation als 3-dimensionale Information
genutzt wird, bzw. daß auch noch die lokale Phase mit phase shifting Methoden erfaßt
und zur Bilddeutung herangezogen wird.
2. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit linear
polarisiertem Licht gearbeitet wird und daß der zweite Strahlteiler als
Polarisationsstrahlteiler ausgeführt ist, wodurch das gesamte Licht ein und denselben
Ausgang verläßt und daß eine nachgestellte hinreichend geneigte λ/4-Platte das
rückgestreute Licht gegenüber dem einfallenden Licht um 90° dreht und daß so das
gestreute Licht zum komplementären Ausgang den Strahlteiler verläßt und zum
zweiten Blendenraster gelangt.
3. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
vom Linsenarray beleuchtete erste Blendenraster auch nach dem zweiten Strahlteiler
in den Strahlengang gebracht werden kann, wodurch es zweimal durchlaufen wird und
damit dem konfokalen Prinzip genügt und wodurch das auf den zweiten Strahlteiler
folgende Blendenraster entfällt.
4. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch
mit nur einem Strahlteiler, der als Polarisationsstrahlteiler ausgeführt ist, gearbeitet
werden kann, der das unpolarisierte Licht einerseits in eine Referenzwelle, die von
einem Spiegel reflektiert wird und dabei zweimal eine λ/4-Platte durchläuft und die
deswegen den Polarisationsstrahlteiler zum komplementären Ausgang verläßt, und
andererseits in eine Objektwelle trennt, die mit Hilfe eines geeigneten Linsenrasters
ein Lochraster derart beleuchtet, daß das Lochraster in der Fokalebene des
Linsenrasters liegt und daß das Licht dort räumlich durch die Lochblenden weiter
eingeengt wird und daß das durchgehende Licht durch ein nachfolgendes
Linsensystem auf ein Objekt abgebildet wird und daß das rückgestreute reflektierte
Licht dasselbe Lochraster und Mikrolinsen-Array durchläuft, wodurch es entsprechend
dem konfokalen Prinzip räumlich gefiltert wird und wobei es eine λ/4-Platte zweimal
durchläuft, so daß das am Objekt reflektierte Licht den Polarisationsstrahlteiler zum
selben Ausgang wie die reflektierte Referenzwelle verläßt und mit dieser zur
Interferenz gebracht wird und daß das entstehende Interferenzbild nach Anspruch 1
detektiert und ausgewertet wird.
5. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
für die phase shifting Methoden erforderlichen wohldefinierten Phasenverschiebungen
durch eine Veränderung der optischen Weglänge im Referenzarm realisiert werden.
6. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß
Licht unterschiedlicher Frequenz verwendet wird, wobei beide Frequenzen orthogonal
zueinander polarisiert sind und beide unabhängig voneinander moduliert werden und
daß der Aufbau so realisiert ist, daß der Referenzarm von nur einer Frequenz und der
Objektarm von der anderen Frequenz durchlaufen wird und daß beide überlagert
werden und daß Detektion und Auswertung des Signals nach den Methoden der
Heterodyn-Interferometrie erfolgen.
7. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
Licht unterschiedlicher Frequenz verwendet wird, wobei beide Frequenzen unabhängig
voneinander moduliert werden und daß der Aufbau so realisiert ist, daß beide
Frequenzen in beiden Armen laufen und daß die Referenzwelle nach dem Verlassen des Polarisationsstrahlteilers zum komplementären Ausgang um λ/2 verzögert wird und daß beide anschließend nach ihrer Trägerfrequenz getrennt und detektiert werden und die Auswertung unter Ausnützung der Schwebung beider Frequenzen erfolgt.
Frequenzen in beiden Armen laufen und daß die Referenzwelle nach dem Verlassen des Polarisationsstrahlteilers zum komplementären Ausgang um λ/2 verzögert wird und daß beide anschließend nach ihrer Trägerfrequenz getrennt und detektiert werden und die Auswertung unter Ausnützung der Schwebung beider Frequenzen erfolgt.
8. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
Licht unterschiedlicher Frequenz verwendet wird, wobei beide Frequenzen orthogonal
zueinander polarisiert sind und beide unabhängig voneinander moduliert werden und
daß der Aufbau so ausgeführt wird, daß anstatt des Polarisationsstrahlteilers ein
gewöhnlicher Strahlteiler Verwendung findet, so daß beide Frequenzen in beiden
Armen laufen, wobei die λ/4-Plättchen in den Armen entfallen und statt dessen ein
λ/4-Plättchen im Referenzarm das Referenzsignal um π/2 verzögert und daß sie
anschließend mit einem Polarisationsstrahlteiler getrennt und detektiert werden und
die Auswertung unter Ausnutzung der Schwebung beider Frequenzen erfolgt.
9. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis der Intensitäten auf Eins abgeglichen werden kann.
10. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, 2, 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verfahren auf Durchlichtbetrieb angewendet werden kann, indem der Strahlteiler
im Objektarm entfällt und statt dessen hinter dem Objekt ein weiteres Blendenraster in
den Strahlengang gebracht wird, das das Licht nach dem konfokalen Prinzip filtert und
daß das durchgehende Licht anschließend mit der Referenzwelle überlagert und nach
den vorhergehenden Ansprüchen detektiert und ausgewertet wird.
Priority Applications (1)
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DE1996132594 DE19632594A1 (de) | 1996-08-13 | 1996-08-13 | Konfokales Mikroskop unter Anwendung von refraktiven Mikrolinsen-Feldern |
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