DE19702752C2

DE19702752C2 - Ansteuersystem für einen Scannerantrieb

Info

Publication number: DE19702752C2
Application number: DE19702752A
Authority: DE
Inventors: Guenter Schoeppe; Sebastian Tille; Gunter Moehler
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: US6037583A; DE19702752A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ansteuersystem für einen Scannerantrieb, insbesondere für ein Laserscannmikroskop, mit einem Schwingmotor zum Antreiben eines Schwingspiegels, der zur linear oszillierenden Ablenkung eines Strahlenbün dels dient, mit einer Ansteuereinheit zur Speisung des Schwingmotors mit einem Erregerstrom, der hinsichtlich der Ansteuerfrequenz, der Frequenzkurve und der Amplitude ver änderbar ist, mit einem Funktionsgenerator, der mit der An steuereinheit verbunden ist und mit einem Meßwertaufnehmer zur Gewinnung einer Folge von Informationen über die Ab lenkpositionen des Schwingspiegels sowie mit einer Rechen einheit zur Ermittlung von Korrekturwerten für den Erreger strom aus einem Ist-Sollwertvergleich der Ablenkposition.

In der Technik sind optische Geräte mit Scanneinrichtungen, darunter Laserscannmikroskope, im Prinzip bekannt. Als Strahlungsquelle findet charakteristischerweise ein Laser Verwendung, der Licht entlang eines Strahlenganges auf ei nen kleinen Lichtpunkt, in der Regel als Pixel bezeichnet, in der Bildebene fokussiert. Auf diese Weise wird nahezu das gesamte Laserlicht zu diesem einzigen Zielpunkt ge führt.

Die Scannereinrichtung eines solchen Gerätes dient dazu, sowohl das vom Laser kommende als auch das von der Objekt ebene reflektierte Licht linear abzulenken und dabei den Lichtpunkt in der Bildebene bzw. in der Objektebene zu be wegen. Eine Rasterabtasteinrichtung, die synchron zu dem Scanner angesteuert wird, gibt das resultierende Detek torausgangssignal als Bildinformation aus.

Es ist bekannt, zur oszillierenden Ablenkung des Strahlen gang elektromechanisch angetriebene Spiegel vorzusehen und den Strahlengang so abzulenken, daß der Zielpunkt sich in Richtung einer Achse bewegt, die als X-Achse bezeichnet werden soll. Dabei kann der Spiegel das Laserbündel auf ei nen in gleicher Weise angetriebenen zweiten Spiegel lenken, der eine Bewegung des Zielpunktes in Richtung einer ortho gonalen Achse, der Y-Achse, veranlaßt.

Nachfolgend soll die Ablenkung in der X-Achse näher be trachtet werden. Obwohl die verwendeten Ablenkspiegel von geringer Größe und damit auch von geringer Masse sind, be stehen die Schwierigkeiten derartiger Scanneinrichtungen immer wieder darin, schnelle und genaue Spiegelbewegungen zum Zweck einer guten Bildlinearität bei kurzer Bildaufbau zeit zu erzeugen. Ursache dafür ist, daß die Spiegelbewe gung bzw. der Strahlengang dem von der Ansteuereinheit aus gegebenen Antriebssignal aufgrund verschiedener Störein flüsse nur mehr oder weniger getreu folgt. Für eine hochleistungsfähige Scanneinrichtung genügt das nicht; hier ist stets die Forderung nach einer hohen Abtastfrequenz zu erfüllen ebenso wie der Anspruch, daß der Zielpunkt eine konstante Geschwindigkeit über die gesamte Ablenkphase bei behält.

Um eine möglichst lineare Antriebscharakteristik für den Ablenkspiegel zu erhalten, wird in der Ansteuereinheit ein Ansteuersignal mit einer Dreieckwelle erzeugt. Die Phasen und die Amplitude eines solchen Antriebssignales bilden die Grundvoraussetzung dafür, daß die Ablenkung lineare Bewe gung des Zielpunktes in Abhängigkeit von der Zeit annähert. Zum Zweck der resultierenden Annäherung einer Dreieckwelle werden im bekannten Stand der Technik die harmonische Ana lyse, d. h. die Bestimmung von Fourierkoeffiziente, benutzt. Eine solche Scanneinrichtung mit zugehöriger Ansteu ereinheit ist z. B. beschrieben in der DE-OS 43 22 694. Hier werden Ansteuersignale auf der Grundlage von zwei der Fou rierkomponenten erzeugt, mit dem Ergebnis einer verhältnis mäßig guten resultierenden Annäherung an eine Dreieckwelle. Nachteiligerweise führt die hier dargestellte Art der An steuerung nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen, da die beiden Frequenzen vom Scanner nach Amplitude und Phase un terschiedlich behandelt werden. Das ist selbst dann der Fall, wenn weitere Harmonische der Grundfrequenz zur weite ren Korrektur genutzt werden. Anders formuliert heißt das, daß die hier vorgeschlagene Lösung nicht ausreichend ist, die gewünschte Linearisierung zu realisieren.

In der vorgenannten Veröffentlichung sind zur Ablenkung des Laserstrahles in der X-Achse zwei Resonanzscanner sowie ein Galvanometerscanner vorgesehen, wobei letzterer dazu be nutzt wird, eine Gleichstromschwenkbewegung auf die Reso nanzbewegung zu überlagern, welche die Resonanzscanner lie fern. Bekanntermaßen wird die Schwenkbewegung eines Reso nanzscanners weitgehend durch den Austausch von Energie zwischen der Bewegung einer Masse, insbesondere des Spie gels, und der Ablenkung eines elastischen Gliedes, etwa ei ner Feder, verursacht, an dem die Masse befestigt ist.

Abweichend von dem bisher beschriebenen Aufbau, nach dem innerhalb der Scanneinrichtung mehrere getrennte Scanner mit jeweils einer einzigen Resonanzfrequenz betrieben wer den, ist es bekannt, einen einzigen Scanner mit mehreren Resonanzfrequenzen zu betreiben. So ist beispielsweise in der US-PS 4 859 846 die Arbeitsweise eines Scanners be schrieben, der mit einem Spiegel arbeitet und für diesen Scanner durch ein entsprechendes Ansteuersystem mehrere Re sonanzfrequenzen erzeugt. Auch bei letzterem handelt es sich um ein Resonanzscannersystem. Auch diese Lösung ist nicht dazu geeignet, den Nachteil zu beseitigen, daß die tatsächliche Ablenkposition von der durch das Ansteuersi gnal vorgegebenen Position aufgrund verschiedener Störein flüsse, wie z. B. äußere Temperaturbeeinflussung, mate rialbedingte Einflußgrößen usw. verfälscht wird.

In einer Veröffentlichung der Zeitschrift Lasermagazin, Heft 3, Erscheinungsjahr 1986, ist ein Galvanometerscanner beschrieben, bei dem ein auf einer drehbar gelagerten Achse befestigter Spiegel durch magnetische Kräfte abgelenkt wird. Zum Zweck einer hohen Winkelauflösung werden von ei nem starr mit der Achse verbundenen Positionssensor die Istwerte der Winkelposition des Spiegels für einen Regel kreis bereitgestellt. Hier wird zwar ein Ist-Sollwertver gleich der Ablenkposition des Spiegels vorgenommen, aller dings ist das hier beschriebene Regelsystem unter Zugrunde legung der Meßergebnisse eines Positionssensors mit Fehlern behaftet und genügt insofern nicht den Genauigkeitsanforde rungen für die Anwendung in hochwertigen Laserscannmikro skopen.

Dies betrifft in gleicher Weise die Veröffentlichungen zur Scanneransteuerung von H. Vahldiek, "Elektronische Signal verarbeitung", Verlag Oldenbourg München 1977, Seiten 220 bis 221; die US-Patentschrift 4,800,270 und die Darstellun gen in GIT, Fachzeitschrift Lab. 28, Erscheinungsjahr 1984, Seiten 765-773.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das An steuersystem für einen Scannerantrieb der vorbeschriebenen Art so weiterzubilden, daß unter Beibehaltung der vorteil haften Erzeugung eines Ansteuersignales auf der Grundlage einer Dreieckwelle die Genauigkeit der tatsächlichen Ab lenkposition bzw. der Linearität der Ablenkung erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Recheneinheit Rechenschaltungen vorgesehen sind zur Umset zung der Informationen über die Ablenkpositionen des Schwingspiegels nach Amplitude und Phase des Scanners, be zogen auf eine Vielzahl von Ansteuerfrequenzen; zur Ermitt lung der Werte von k₁ . . . k_n und ϕ₁ . . . ϕ_n für die zu einer Ansteuerfrequenz gehörenden Fourierfrequenzen der Reihe

y = 4/π . [k₁sin(x + ϕ₁) - k₂sin(3x + ϕ₂)/3² + k₃sin(5x + ϕ₃)/5² - + . . .

mit y der Ablenkposition, mit k₁ bis k_n den Korrekturfakto ren, x dem Sollphasenwinkel und ϕ₁ bis ϕ_n den Antwortpha senwinkeln bei den Frequenzen der Fourierkoeffizienten und zur Modellierung einer korrigierten Ansteuerfunktion, die die Abweichungen beim Vergleich von tatsächlich erreichter Ablenkposition mit der gewünschten Ablenkposition berück sichtigt.

Mindestens ein Signalausgang des Funktionsgenerators sollte zwecks Übermittlung von Referenz- und Vergleichssignalen mit einem zugeordneten Signalausgang der Recheneinheit ver knüpft sein. Damit wäre gewährleistet, daß in der Rechen einheit auch die Ansteuerfrequenzen zur Verfügung stehen, die einem Vergleich mit der tatsächlichen Ablenkung des Spiegels bzw. mit der Antwort des Spiegels nach Amplitude und Phase auf die Ansteuerfrequenz zugrunde zulegen sind.

Die mit der ersten Rechenschaltung zur Umsetzung der Infor mationen über die Ablenkpositionen des Schwingspiegels nach Amplitude und Phase des Scannerantriebes ermittelten Ergebnisse können in Form eines Bode-Diagrammes dargestellt wer den.

Mit der zweiten Rechenschaltung ist es möglich, die Fou rierkoeffizienten k₁ bis k_n und die Antwortphasenwinkel bei den Frequenzen der Fourierkoeffizienten ϕ₁ bis ϕ_n aus dem Bodediagramm für beliebige Scanfrequenzen zu berechnen und daraus weiterhin die Ansteuerfunktion nach der oben angege benen Fourierreihe zu synthetisieren.

Die dritte Rechenschaltung zur Modellierung einer korri gierten Ansteuerfunktion aus dem Vergleich von tatsächlich erreichter Ablenkposition mit der gewünschten Ablenkpositi on erlaubt die Modellierung einer korrigierten Ansteuer funktion auf der Grundlage von Korrekturwerten, die aus diesem Vergleich abgeleitet werden. Dazu werden der Ansteu erfunktion bei kleinen Fehlern pixelweise die Fehler entge gengesetzt und bei großen Phasenfehlern für die einzelnen Fourierkoeffizienten die Abweichungen Δϕ₁ bis etwa Δϕ₅ ge genüber den zuvor berechneten aufgeschaltet.

Die unter Berücksichtigung der Korrekturwerte in der Re cheneinheit errechneten korrigierten Ansteuerbefehle werden zu entsprechenden Datensätzen zusammengestellt, an den Funktionsgenerator weitergeleitet und dort zunächst gespei chert. Mit dieser Berücksichtigung von Korrekturwerten für die 1. bis etwa 5. Frequenz der Fourierreihe ist eine hoch genaue Korrektur der Ansteuerfunktion gewährleistet.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Signalweg zwischen dem Meßwertauf nehmer und der Recheneinheit ein Analog-Digital-Wandler und im Signalweg zwischen dem Funktionsgenerator und der An steuereinheit zur Speisung des Schwingantriebes ein Digital-Analog-Wandler vorgesehen sind. Dabei kann die Aufgabe der Wandlung von einem digitalen Signalprozessor übernommen werden. Damit ist eine Wandlung der vom Meßwertaufnehmer abgegebenen analogen Signale in die von der Recheneinheit geforderten digitalen Signale und entsprechend eine Wand lung der vom Funktionsgenerator ausgegebenen digitalen An steuerfunktion eine Wandlung in analoge Signale zur Bereit stellung für die Ansteuereinheit gewährleistet.

Weiterhin sollten vorteilhafterweise die Recheneinheit, der Funktionsgenerator, der Analog-Digital-Wandler wie auch der Digital-Analog-Wandler jeweils mit einem Taktgenerator ver bunden sein. Damit ist es möglich, die vom Meßwertaufnehmer gelieferten Informationen der Antwortfrequenz an die Re cheneinheit sowie die Weitergabe der korrigierten Ansteuer befehle an den Funktionsgenerator und die Ansteuerbefehle für den folgenden Scannvorgang synchronisiert weiterzuge ben.

Als Schwingmotor sollte ein galvanischer Antrieb vorgesehen sein. Damit ist eine definierte, vom Erregerstrom vorgege bene Schwingbewegung des Schwingspiegels realisierbar. Als Meßwertaufnehmer sollte ein Winkelmeßsystem, beispielsweise mit kapazitiver oder optischer Grundfunktion, vorgesehen sein. Dieses Winkelmeßsystem sollte so ausgelegt sein, daß es zur Erfassung von Positionswerten des Schwingspiegels in beiden Scannrichtungen, d. h. sowohl für den Vor- als auch für Rücklauf des galvanischen Antriebes, ausgelegt ist. Daraus ergibt sich vorteilhaft, daß Vor- und Rücklauffunk tionen über den digitalen Signalprozessor am Eingang der Recheneinheit anliegen und so eine etwa halbierte Bildauf bauzeit im Vergleich zu einem Scannvorgang in nur einer Richtung realisierbar ist, d. h. Vor- und Rücklauf der Scan nerbewegung wird nutzbar; eventuell noch vorhandene kleinere Abweichungen können für den Vor- und Rücklauf identisch gemacht werden.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zei gen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen An steuersystems

Fig. 2 den Verlauf einer unkorrigierten Steuerspannung für eine Bildaufbauzeit < 1 s

Fig. 3 den Verlauf der korrigierten Steuerspannung für die Bildaufbauzeit < 1 s

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind in einem Scanner 1 ein galvanischer Antrieb 2, ein Schwingspiegel 3, der über eine mechanische Verbindung 9 mit dem galvanischen Antrieb 2 gekoppelt ist, eine Ansteuereinheit 4, deren Aus gang mit dem Steuereingang des galvanischen Antriebes 2 in Verbindung steht sowie ein kapazitives Winkelmeßsystem 7, das zur Ermittlung der phasenabhängigen Spiegelposition dient, vorgesehen. Weiterhin ist ein Funktionsgenerator 5 vorhanden, der über einen Signalweg 16 mit dem Signalein gang eines digitalen Signalprozessors 6 verbunden ist, wäh rend der Ausgang des Signalprozessors 6 über einen Signal weg 17 am Befehlseingang der Ansteuereinheit 4 anliegt. Ein erster Ausgang des kapazitiven Winkelmeßsystems 7 ist über eine Regelstrecke 8 mit einem Steuereingang der Ansteuer einheit 4 verbunden.

Die Ansteuereinheit 4 ist so ausgelegt, daß sie den galva nischen Antrieb 2 mit einem Erregerstrom speist, der hin sichtlich seiner Frequenz, seiner Schwingungsform und sei ner Amplitude variabel ist. Der Funktionsgenerator 5 ist so ausgelegt, daß er mehrere verschiedene Frequenzen ausgeben kann, die einzeln ausgewählt über den Signalweg 16, den di gitalen Signalprozessor 6 und den Signalweg 17 in der An steuereinheit 4 der Steuerspannung für den galvanischen An trieb 2 aufgeprägt werden können. Der Steuerspannung wird dabei eine synthetische Dreieckspannung (vgl. Fig. 2 und Fig. 3) zugrunde gelegt, die nur Frequenzen enthält, die der galvanische Antrieb 2 verarbeiten kann. Für den konkreten Fall sei beispielhaft angenommen, daß im Funktionsgenera tor 5 zweiundvierzig verschiedene Frequenzen bis zu max. 5 kHz zum Abruf bereitstehen.

Beim Betreiben dieser Anordnung überträgt der galvanische Antrieb 2 jede der im Erregerstrom bzw. in der Steuerspan nung enthaltene Frequenz über die mechanische Verbindung 9 auf den Schwingspiegel 3, da jeweils die Grundfrequenz und alle Oberwellen eine mit der zugehörigen Verstärkung und Phasenverschiebung veränderte Antwort hervorrufen, die sich in einer entsprechend geänderten Ablenkposition des Schwingspiegels 3 äußert, wobei die jeweilige Ablenkpositi on einer Position des Laserstrahles bei seinem Weg über ei ne in X-Richtung abgetastete Zeile entspricht. Beispielhaft sei angenommen, daß bei jedem Weg über die X-Richtung 1.200 Ablenkpositionen abzutasten sind, denen je ein Bildpunkt in der Objektebene zugeordnet ist.

Die jeweils vom Schwingspiegel 3 eingenommene Ablenkpositi on entspricht einem vom kapazitiven Winkelmeßsystem 7 dar gestellten Positionswert, der über die Regelstrecke 8 wie der der Ansteuereinheit 4 zugeführt und dort im Falle einer Soll-/Ist-Abweichung der Spiegelposition von der vorgegebe nen bzw. ideal gewünschten Ablenkposition sofort zur Kor rektur des Ansteuersignales für die folgende Ansteuerung des galvanischen Antriebes 2 genutzt wird. Dieser an sich bekannte Vorgang entspricht einer herkömmlichen Regelung.

Um nun sehr kurze Bildaufbauzeiten, insbesondere im Bereich von < 1 s, verwirklichen zu können, kommt es aber darauf an, daß die zur Verfügung gestellte und die Scannbewegung aus lösende synthetische Dreieckspannung weitestgehend dem Ant wortverhalten des Scanners nach Amplitude und Phase anzu passen ist, so daß aufgrund des Steuerspannungsverlaufes eine hochgenaue Ablenkung des Schwingspiegels 3 gewährlei stet wird. Das bedeutet, den Übertragungsfaktor der Ansteu erfunktion bezüglich der Antwortbewegung möglichst dem Wert 1 zu nähern und damit die Abweichung zwischen Ansteu erfunktion und Antwortbewegung auf ein Mindestmaß, etwa ≦ 0,5 Pixel, zu beschränken. Um das zu erreichen, wurde das bisher dargestellte Ansteuersystem, das auf einer Regelung der Ansteuerfrequenz beruht, erfindungsgemäß ergänzt mit einer Recheneinheit 13, deren Befehlseingang über den Signalweg 12, einen zweiten digitalen Signalprozessor 11 und den Signalweg 10 mit einem zweitem Ausgang des kapazi tiven Winkelmeßsystems 7 verbunden ist. Der Ausgang der Re cheneinheit 13 ist über einen Signalweg 14 mit einem An steuereingang des Funktionsgenerators 5 verbunden. Eine weitere Kopplung zwischen dem Funktionsgenerator 5 und der Recheneinheit 13 besteht durch den Signalweg 15 zur Über tragung von Referenz- und Vergleichssignalen vom Funktions generator 5 zur Recheneinheit 13. Außerdem ist ein Taktge nerator 18 vorgesehen, der über den Signalweg 19 mit dem zweiten digitalen Signalprozessor 11, über den Signalweg 20 mit der Recheneinheit 13, über den Signalweg 24 mit dem Funktionsgenerator 5 und über den Signalweg 21 mit dem er sten digitalen Signalprozessor 6 verbunden ist.

Vor der Aufnahme des eigentlichen Scannbetiebes, beispiel haft in einem Laserscannmikroskop, ist es mit dieser Schal tungsanordung zunächst möglich, das gesamte Ansteuersystem auf Systemfehler zu prüfen und unter Berücksichtigung von Systemfehlern so zu kalibrieren, so daß eine hochgenaue Ab lenkung des Schwingspiegels 3 in Abhängigkeit von der vor gegebenen Frequenz möglich ist. Zum Zweck dieses als Kali brierung bezeichneten Ablaufes werden zunächst nacheinander alle vom Funktionsgenerator 5 bereitgestellten 42 Frequen zen abgerufen und mit diesen Frequenzen Scannvorgänge aus gelöst. Die digitalen Signalprozessoren 6 und 11, der Funk tionsgenerator 5 sowie die Recheneinheit 13 werden dabei vom Taktgenerator 18 synchronisiert. Die von der Rechenein heit 13 aufgenommene Antwort wird ausgewertet und in Form eines Bode-Diagrammes analysiert, wobei das Bode-Diagramm für jede Frequenz der Fourierkoeffizienten die Ermittlung eines Phasenwinkels und eines zugeordneten Übertragungsfak tors ermöglicht. Auf der Grundlage der ermittelten Phasen winkel und der Übertragungsfaktoren ist die Synthese von Ansteuerfunktionen für Scannerfrequenzen in einem weiten Bereich (1/64 Hz . . . ≈ 600 Hz) möglich, die zu einer korri gierten Ansteuerfrequenz für den galvanischen Antrieb 2 mit der vom kapazitiven Winkelmeßsystem 7 genutzt werden. Die auf diese Weise sythetisierten Datensätze für eine Schwin gung der Dreieckwelle werden im Funktionsgenerator 5 abge legt und können von dort zyklisch abgerufen werden. Auf diese Weise stehen als Ergebnis des Kalibrierschrittes im Funktionsgenerator 5 Datensätze zur Verfügung, die die Ei genschaften des Scannsystemes berücksichtigen. Mit diesen Datensätzen ist festgelegt, wie der Scannantrieb angesteu ert werden muß, um die gewünschte hochgenaue periodische Ablenkung zu erhalten.

Mit dem nun möglichen genauen Scannbetrieb werden weiterhin für jeden einzelnen der 1.200 Ablenkpunkte des Laserstrah les durch Auswertung der Rückmeldung über das kapazitive Winkelmeßsystem 7, analog zu dem vorbeschriebenen Kali brierschritt, die Abweichungen zur idealen Ablenkposition ermittelt, daraus korrigierte Ansteuerbefehle gewonnen und im Funktionsgenerator abgelegt. Von dort erfolgt entspre chend der vom Taktgenerator vorgegebenen Taktfrequenz zy klisch die Abfrage und Weiterverarbeitung der korrigierten Ansteuer-Datensätze zur Erzielung hochgenauer Scannpositio nen.

In Fig. 2 ist die unkorrigierte Steuerspannung für ein kon kretes System in Form einer synthetischen Dreieckspannung für den Scannvorgang mit einer Bildaufbauzeit von 0,75 s dargestellt. Dabei zeigt die Länge z die Abmessung einer in X-Richtung abzutastenden Zeile. Außerdem ist die Dreieck welle 22 für die Ansteuerspannung und die Dreieckwelle 23 für die Antwortbewegung zu erkennen. Es ist ersichtlich, daß die Dreieckwelle 23 ihren Nulldurchgang nicht bei z/2 hat, d. h. der Schwingspiegel 3 und damit der abgelenkte Laserstrahl folgen nicht exakt der mit der Dreieckwelle 22 vorgegebenen Ansteuerspannung.

Fig. 3 zeigt die Situation nach erfolgter Korrektur. Die Dreieckwelle 23 der Antwortbewegung ist insbesondere an der Flanke nahe den Umkehrpunkten geglättet und hat außerdem ihren Nulldurchgang nunmehr genau bei z/2.

Mit dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind syn thetische Dreieckspannungen realisierbar, die eine hohe Spiegelsymmetrie aufweisen und demzufolge das bidirektiona le Scannen mit höchsten Genauigkeitsanforderungen ermögli chen.

Bezugszeichenliste

1

Scanner

2

Schwingantrieb

3

Schwingspiegel

4

Ansteuereinheit

5

Frequenzgenerator

6

erster digitaler Signalprozessor

7

kapazitives Winkelmeßsystem

8

Regelstrecke

9

mechanische Verbindung

10

Ausgang des Winkelmeßsystems

11

zweiter digitaler Signalprozessor

12

Signalweg

13

Logikeinheit

14

,

15

,

16

,

17

,

19

,

20

,

21

,

24

Signalwege

18

Taktgenerator

22

Dreieckwelle Ansteuerfrequenz

23

Dreieckwelle Antwortfrequenz
z Zeilenlänge

Claims

1. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb, insbesondere für ein Laserscannmikroskop,
mit einem Schwingmotor zum Antreiben eines Schwingspie gels, der zur linear oszillierenden Ablenkung eines Strahlenbündels dient,
mit einer Ansteuereinheit zur Speisung des Schwingmo tors mit einem Erregerstrom, der hinsichtlich der An steuerfrequenz, der Frequenzkurve und der Amplitude veränderbar ist,
mit einem Funktionsgenerator, der mit der Ansteuerein heit verbunden ist,
mit einem Meßwertaufnehmer zur Gewinnung einer Folge von Informationen über die Ablenkpositionen des Schwingspiegels sowie
mit einer Recheneinheit zur Ermittlung von Korrektur werten für den Erregerstrom aus einem Ist- Sollwertvergleich der Ablenkposition,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Recheneinheit (13) Rechenschaltungen vorgesehen sind
zur Umsetzung der Informationen über die Ablenkpositio nen des Schwingspiegels (3) nach Amplitude und Phase des Scanners (1), bezogen auf eine Vielzahl von Ansteu erfrequenzen,
zur Ermittlung der Werte von k₁ . . . k_n und ϕ₁ . . . ϕ_n für die zu einer Ansteuerfrequenz gehörenden Fourierfre quenzen der Reihe
y = 4/π . [k₁sin(x + ϕ₁) - k₂sin(3x + ϕ₂)/3² + k₃sin(5x + ϕ₃)/5² - + . . .]
mit y der Ablenkposition, mit k₁ bis k_n den Korrektur faktoren, x dem Sollphasenwinkel und ϕ₁ bis ϕ_n den Ant wortphasenwinkeln bei den Frequenzen der Fourierkoeffi zienten und
zur Modellierung einer korrigierten Ansteuerfunktion, die die Abweichungen beim Vergleich von tatsächlich er reichter Ablenkposition mit der gewünschten Ablenkposi tion berücksichtigt.

2. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung zur Modellierung der korrigierten Ansteuerfunktion so aus gelegt ist, daß der Ansteuerfunktion bei kleinen Pha senfehlern die Koeffizienten k₁ bis k₅ und/oder einzelne Funktionswerte und bei großen Phasenfehlern die Abwei chungen Δϕ₁ bis Δϕ₅ als Korrekturwerte aufgeschaltet werden.

3. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisausgabe der ersten Rechenschaltung in Form eines Bode-Diagramms vorgesehen ist.

4. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung zur Modellierung einer korrigierten Ansteuerfunktion über Schaltbausteine zur Ermittlung von Korrekturwerten für die 1. bis 20. Frequenz der Fourierkoeffizienten ver fügt.

5. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalweg zwischen dem Meßwertaufnehmer und der Rechen einheit (13) ein Analog-Digital-Wandler und im Signal weg zwischen dem Funktionsgenerator und der Ansteuer einheit zur Speisung des Schwingmotors ein Digital- Analog-Wandler vorgesehen sind.

6. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Analog-Digital- Wandler ein digitaler Signalprozessor (11) vorgesehen ist.

7. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß so wohl die Recheneinheit (13), der Funktionsgenerator (5), der Analog-Digital-Wandler wie auch der Digital- Analog-Wandler jeweils mit einem Taktgenerator (18) verbunden sind.

8. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingmotor ein galvanischer Antrieb (2) vorgesehen ist.

9. Ansteuersystem für einen Scannerantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer zur Gewinnung von Informationen über die Ablenkpositionen des Schwingspiegels als ein kapa zitives Winkelmeßsystem (7) zur Erfassung von Positi onswerten des Schwingspiegels in bidirektionaler Scann richtung, d. h. für Vor- und Rücklauf des galvanischen Antriebes (2), ausgebildet ist und die bidirektionalen Positionswerte über den digitalen Signalprozessor (11) am Eingang der Recheneinheit (5) anliegen.