DE20207817U1

DE20207817U1 - Scanmikroskop und Strahlablenkeinrichtung

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Publication number: DE20207817U1
Application number: DE20207817U
Authority: DE
Original assignee: Leica Microsystems Heidelberg GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2002-05-18
Filing date: 2002-05-18
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2012-05-19
Also published as: US20030214707A1

Description

B 3200 DE
14.05.2002

Scanmikroskop und Strahlablenkeinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Scanmikroskop mit einer Lichtquelle, die einen Lichtstrahl zur Beleuchtung einer Probe erzeugt und mit einer Strahlablenkeinrichtung mit der der Lichtstrahl über die Probe führbar ist, wobei die Strahlablenkeinrichtung mindestens eine drehbare Einheit mit mindestens einem Umlenkspiegel beinhaltet.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strahlablenkeinrichtung für ein Scanmikroskop, mit der ein Lichtstrahl über eine Probe führbar ist, wobei die Strahlablenkeinrichtung mindestens eine mit einem Antrieb drehbare Einheit mit mindestens einem verstellbaren und auf einem Träger befestigten Umlenkspiegel beinhaltet.

In der Scanmikroskopie wird eine Probe mit einem Lichtstrahl beleuchtet, um das von der Probe emittierte Detektionslicht, als Reflexions- oder Fluoreszenzlicht, zu beobachten. Der Fokus eines Beleuchtungslichtstrahles wird mit Hilfe einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung, im Allgemeinen durch Verkippen zweier Spiegel, in einer Probenebene bewegt, wobei die Ablenkachsen meist senkrecht aufeinander stehen, so daß ein Spiegel in x-, der andere in y-Richtung ablenkt. Die Verkippung der Spiegel wird beispielsweise mit Hilfe von Galvanometer-Stellelementen bewerkstelligt. Die Leistung des vom Objekt kommenden Detektionslichtes wird in Abhängigkeit von der Position des Abtaststrahles gemessen. Üblicherweise werden die Stellelemente mit Sensoren zur Ermittlung der aktuellen Spiegelstellung ausgerüstet.

Speziell in der konfokalen Scanmikroskopie wird ein Objekt mit dem Fokus eines Lichtstrahles in drei Dimensionen abgetastet.

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Ein konfokales Rastermikroskop umfasst im allgemeinen eine Lichtquelle, eine Fokussieroptik, mit der das Licht der Quelle auf eine Lochblende - die sog. Anregungsblende - fokussiert wird, einen Strahlteiler, eine Strahlablenkeinrichtung zur Strahlsteuerung, eine Mikroskopoptik, eine Detektionsblende und die Detektoren zum Nachweis des Detektions- bzw. Fluoreszenzlichtes. Das Beleuchtungslicht wird über einen Strahlteiler eingekoppelt. Das vom Objekt kommende Fluoreszenz- oder Reflexionslicht gelangt über die Strahlablenkeinrichtung zurück zum Strahlteiler, passiert diesen, um anschließend auf die Detektionsblende fokussiert zu werden, hinter der sich die Detektoren befinden. Detektionslicht, das nicht direkt aus der Fokusregion stammt, nimmt einen anderen Lichtweg und passiert die Detektionsblende nicht, so daß man eine Punktinformation erhält, die durch sequentielles Abtasten des Objekts mit dem Fokus des Beleuchtungslichtstrahles zu einem dreidimensionalen Bild führt. Meist wird ein dreidimensionales Bild durch schichtweise Bilddatennahme erzielt.

In der Deutschen Offenlegungsschrift DE 4322694 A1 ist ein konfokales Mikroskop beschrieben, das eine Scanneranordnung enthält, in der die Ablenkanordnung entlang der x-Achse zwei Resonanz-Scanner enthält, die um parallele Achsen bei unterschiedlichen Frequenzen oszillieren, von denen eine eine Harmonische der anderen ist. Als Folge davon kann die Abtastung entlang der x-Achse nahezu linear durchgeführt werden, obwohl sie in Verbindung mit einer Resonanz auftritt, und deshalb Vorteile entsprechend der Schnelligkeit von Resonanzsystemen erzielt werden können. Ein Galvanometer dreht das Gehäuse eines der Resonanz-Scanner um dessen Achse, um eine x-Achse-Schwenkfunktion zu erzielen.

Die Deutsche Patentschrift DE 19654210 C2 offenbart eine optische Anordnung zum Scannen eines Strahls in zwei im wesentlichen senkrecht zueinander liegenden Achsen, insbesondere zur Anwendung bei konfokalen Laserscanmikroskopen. Die optische Anordnung, die zwei mittels jeweils eines Antriebs um senkrecht zueinander liegende Achsen - x-Achse und y-Achse - drehbaren Spiegel aufweist, ist zur Vermeidung gravierender Abbildungsfehler dadurch gekennzeichnet, dass einem der beiden Spiegel ein

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weiterer Spiegel in einer vorgegebenen Winkelposition drehfest zugeordnet ist, so dass die einander zugeordneten Spiegel - erster und zweiter Spiegel gemeinsam um die y-Achse drehen und dabei den Strahl um einen Drehpunkt drehen, der auf der Drehachse - x-Achse - des alleine drehenden dritten Spiegels liegt.

Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 4205725 A1 offenbart ein Galvanometer, das einen zylindrischen magnetischen Rotor umfasst, der in zwei im wesentlichen halb-zylindrische Pole auf gegenüberliegenden Seiten seiner Achse polarisiert ist. Ein Rotor ist gezeigt, der eine dünnwandige drehmomentaufnehmende Hülse umfasst, die zumindest einen Teil des Magneten umgibt und mit der Abtriebswelle und dem Magneten verbunden ist. Ein Befestigungsmittel verankert den Spulenkörper an der Schale, um eine relative Drehung dazwischen zu verhindern.

Die bekannten Scanmikroskope weisen insbesondere bei hohen Abtastraten den Nachteil auf, dass durch die Trägheit der bewegten Bauteile der Strahlablenkeinrichtung störende Vibrationen und mechanische Schwingungen von dort auf das Scanmikroskop und auf die Probe übertragen werden. Dies führt einerseits zu Verschlechterungen bei der Bildaufnahme und andererseits bei Verwendung von in die Probe ragenden Mikroinstrumenten, wie Mikropipetten, Mikroelektroden oder Patch-Clamps, zu Zerstörungen in der Probe.

Galvanometer, wie beispielsweise das, aus der bereits erwähnten DE 4205725 A1 bekannte Galvanometer, weisen eine (möglichst träge) Hülse auf, die das von dem Rotor erzeugte Drehmoment aufnehmen soll. Dies reicht jedoch nicht aus, wenn an dem Rotor weitere ausladende träge Elemente befestigt sind. Insbesondere Anordnungen zur Strahlablenkung, wie sie aus der bereits zitierten Deutschen Patentschrift DE 19654210 C2 bekannt sind, sind angesichts des weit von der Drehachse ausladenden Spiegelträgers nicht für höhere Zeilenabtastraten einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Scanmikroskop anzugeben bei dem durch die Strahlablenkeinrichtung verursachte

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mechanische Störungen und Vibrationen vermieden oder zumindest reduziert sind.

Obige Aufgabe wird durch ein Scanmikroskop gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Kompensationselement, das eine zur drehbaren Einheit gegengleiche Bewegung ausführt, derart angeordnet ist, dass es das Trägheitsmoment der drehbaren Einheit zumindest teilweise kompensiert.

Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Strahlablenkeinrichtung für ein Scanmikroskop anzugeben, die weitgehend keine störenden mechanischen Auslenkungen oder Vibrationen an das Scanmikroskop überträgt.

Diese Aufgabe wird durch eine Strahlablenkeinrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationselement, das eine zur drehbaren Einheit gegengleiche Bewegung ausführt, derart angeordnet ist, dass es die Trägheitsmomente der anderen beweglichen Bauteile zumindest teilweise kompensiert.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Gefahr von Zerstörungen der Probe verringert sind und dass auch bei hohen Abtastraten eine gute Bildqualität gewährleistet ist.

In einer bevorzugen Ausgestaltung ist der Umlenkspiegel um einer erste Achse kippbar oder schwenkbar. An der Drehwelle des Antriebs ist in einer anderen Ausgestaltung ein Gehäuse angebracht innerhalb dessen der Umlenkspiegel positioniert ist. Es kann auch ein Schwenkarm vorgesehen sein. Die drehbare Einheit kann beispielsweise ein Spiegelsubstrat, aber auch ein aufwendigerer Halter, Träger oder Haltearm beinhalten.

In einer bevorzugen Ausgestaltung kompensiert das Kompensationselement das Trägheitsmoment weiterer beweglicher Bauteile zumindest teilweise. Die weiteren beweglichen Bauteile können u.a. Antriebselemente des Scanmikroskops oder der Strahlablenkeinrichtung, beispielsweise eines Galvanometers oder Motors, oder Bauteile zur Kraftübertragung sein.

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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung schwenkt der Antrieb einen, auf einem Schwenkarm angeordneten ersten Umlenkspiegel um eine Drehachse. Ein zweiter Umlenkspiegel, der mit einem eigenen Antrieb versehen ist und um eine zur Drehachse senkrechte weitere Drehachse schwenkbar ist, dient bei mäanderförmiger Abtastung der Probe zum Abtasten der Rasterpunkte innerhalb der Zeilen (x-Ablenkung), während der erste Umlenkspiegel zum Abtasten der Zeilen (y-Ablenkung) dient. Auf der Drehwelle des Antriebs ist über ein weitgehend spielfreies Getriebe mit dem Kompensationselement verkoppelt, dass z.B. als Vollzylinder ausgeführt ist und dasselbe Trägheitsmoment aufweist, wie der erste und der zweite Umlenkspiegel samt ihrer Halterungen und Schwenkarme. Das Kompensationselement dreht durch die Verkopplung gegengleich um eine zweite Achse die parallel zur ersten Achse ist. Das Kompensationselement kann auch als Schwenkanker ausgeführt sein, der um die zweite Achse schwenkt.

In einer bevorzugen Ausgestaltung sind das Kompensationselement und der und die drehbare Einheit mit Bändern, die Antriebsenergie übertragen, mechanisch miteinander verkoppelt sind. Diese Ausgestaltung ist besonders effizient, weil die Kraftübertragung weitgehend spielfrei erfolgt, was insbesondere bei Umkehr der Bewegungsrichtung von Vorteil ist. In dieser Form treibt der Antrieb auch das Kompensationselement an. Es ist auch möglich, dass der die drehbare Einheit bzw. der Umlenkspiegel und das Kompensationselement verschiedene beispielsweise elektronisch aufeinander synchronisierte Antriebe aufweisen.

In einer anderen Ausführungsvariante ist das Kompensationselement ein Bestandteil des Antriebs.

Als Antrieb sind Motore aller Art, wie beispielsweise Elektromotore oder Schrittmotore und insbesondere Galvanometerantriebe verwendbar.

In einer bevorzugen Ausgestaltung ist das Scanmikroskop ein konfokales Scanmikroskop.

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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und
wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleich wirkende
Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäßes Scanmikroskop,

Fig. 2 eine Strahlablenkeinrichtung für ein Scanmikroskop und

Fig. 3 eine Illustration der mechanischen Kopplung des

Kompensationselements innerhalb einer Strahlablenkeinrichtung.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Scanmikroskop 1, das als konfokales Scanmikroskop ausgeführt ist, mit einer Lichtquelle 3, die einen Lichtstrahl 5 zur Beleuchtung einer Probe 7 emittiert. Der Lichtstrahl 5 wird auf ein Beleuchtungspinhole 9 fokussiert und wird anschließend von einem dichroitischen Strahlteiler 11 und einem nachfolgenden Umlenkspiegel 13 zur Strahlablenkeinrichtung 15 reflektiert, die den Lichtstrahl 5 über die Scanoptik 17, die Tubusoptik 19 und durch die Mikroskopoptik 21 hindurch über bzw. durch die Probe 7 führt. Der von der Probe 7 ausgehende Detektionslichtstrahl 23 gelangt durch die Mikroskopoptik 21 hindurch und über die Tubusoptik 19 und die Scanoptik 17, und über Strahlablenkeinrichtung 15 zum dichroitischen Strahlteiler 11, passiert diesen und das folgende Detektionspinhole 25 und gelangt schließlich zum Detektor 53, der als Photomultiplier ausgeführt ist. Im Detektor 53 werden elektrische, zur Leistung des vom Objekt ausgehenden Detektionslichtstrahls 23 proportionale Detektionssignale erzeugt. Die Probe wird schichtweise abgetastet, um aus den Detektionssignalen ein dreidimensionales Bild der Probe 7 zu erzeugen.

Die Strahlablenkeinrichtung 15 beinhaltet eine um eine erste Achse 27 drehbare Einheit 29, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen 31, 33 nämlich eine erste Reflexionsfläche 31 und eine zweite Reflexionsfläche 33 beinhaltet, und die den Lichtstrahl 5 empfängt und an eine dritte Reflexionsfläche 35 weiterleitet, die um eine zweite Achse 37 (in der Figur senkrecht zur Papierebene), die senkrecht zur ersten Achse 27 verläuft, drehbar ist. Im Bereich zwischen dem Umlenkspiegel 13 und der ersten Reflexionsfläche 31 verläuft der Lichtstrahl 5 entlang der ersten Achse 27. Die

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drehbare Einheit 29 weist eine zu der ersten Reflexionsfläche 31 und zu der zweiten Reflexionsfläche 33 ortsfeste weitere Reflexionsfläche 39 auf, die den Lichtstrahl von der ersten Reflexionsfläche 31 empfängt und zur zweiten Reflexionsfläche 33 reflektiert. Die drehbare Einheit 29 ist von einem Galvanometer 41 angetrieben. Die dritte Reflexionsfläche 35 ist auf ein drittes Spiegelsubstrat 43 aufgedampft; das Substrat ist von einem in der Figur nicht gezeigten Galvanometer angetrieben. Die erste Reflexionsfläche 31 ist auf einem ersten Spiegelsubstrat 45, die zweite Reflexionsfläche 33 auf einem zweiten Spiegelsubstrat 47 und die weitere Reflexionsfläche 39 auf einem weiteren Spiegelsubstrat 49 aufgedampft. Die drehbare Einheit 29 weist ein Gehäuse 51 auf, das die Reflexionsflächen umschließt und vor Verschmutzung schützt. Weggelassen sind in der Figur wegen der besseren Anschaulichkeit einige optische Elemente zur Führung und Formung der Lichtstrahlen. Diese sind einem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann hinlänglich bekannt.

Das Galvanometer 41 schwenkt die drehbare Einheit 29 um die erste Achse 27. Die Kraftübertragung erfolgt über eine Antriebswelle 67. Auf der Antriebswelle 67 ist eine Mitnehmerscheibe 55 montiert, die über ein flaches, flexibles Band 57 derart mit dem Kompensationselement 59 verkoppelt ist, dass dieses gegensinnig zur drehbaren Einheit 29 um eine dritte Achse 61 schwenkt. Das Kompensationselement 59 ist ein Zylinder, der bezüglich der dritten Achse 61 dasselbe Trägheitsmoment aufweist, wie die drehbare Einheit 29 einschließlich der übrigen bewegten Bauteile bezüglich der ersten Achse 27. Das Galvanometer 41 könnte auch so angeordnet sein, dass es primär das Kompensationselement 59 antreibt und die drehbare Einheit 29 über die Mitnehmerscheibe angetrieben ist.

Fig. 2 zeigt eine Strahlablenkeinrichtung 15 für ein Scanmikroskop in perspektivischer Ansicht. Die Strahlablenkeinrichtung 15 beinhaltet eine um eine erste Achse 27 drehbaren Einheit 29, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen 31, 33 -nämlich eine erste Reflexionsfläche 31 und eine zweite Reflexionsfläche 33 - beinhaltet, und die den Lichtstrahl 5 empfängt und an eine dritte Reflexionsfläche 35 weiterleitet, die um eine zweite Achse

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37, die senkrecht zur ersten Drehachse 27 verläuft, drehbar ist. Die drehbare Einheit 29 weist eine zu der ersten Reflexionsfläche 31 und zu der zweiten Reflexionsfläche 33 ortsfeste weitere Reflexionsfläche 39 auf, die den Lichtstrahl von der ersten Reflexionsfläche 31 empfängt und zur zweiten Reflexionsfläche 33 reflektiert. Die dritte Reflexionsfläche 35 ist auf ein drittes Spiegelsubstrat 43 aufgedampft; das Substrat ist von einem resonanten Galvanometer 65 über eine weitere Antriebswelle 67 angetrieben. Die erste Reflexionsfläche 31 ist auf einem ersten Spiegelsubstrat 45, die zweite Reflexionsfläche 33 auf einem zweiten Spiegelsubstrat 47 und die weitere Reflexionsfläche 39 auf einem weiteren Spiegelsubstrat 49 aufgedampft. Die drehbare Einheit 29 weist ein Gehäuse 51 auf, das die Reflexionsflächen umschließt und vor Verschmutzung schützt. Zusätzlich ist ein Umlenkspiegel 13 vorgesehen, der den Lichtstrahl 5 auf die erste Drehachse 27 reflektiert.

Die drehbare Einheit 29 ist indirekt angetrieben. Ein Galvanometer 41 schwenkt ein Kompensationselement 59, das über ein flaches, flexibles Band, das in dieser Figur nicht gezeigt ist, über eine Mitnehmerscheibe 55 und über eine Antriebswelle 67 derart mit der drehbaren Einheit 29 mechanisch verkoppelt ist, dass diese gegensinnig zum Kompensationselement 59 schwenkt. Auf diese Weise kompensieren sich die Drehimpulse der schwenkenden Bauteile weitgehend, so dass nahezu keine Antriebsenergie auf das umliegende Scanmikroskop übertragen wird.

Fig. 3 illustriert eine Möglichkeit der mechanischen Kopplung des Kompensationselements 59 mit der drehbaren Einheit 29 innerhalb einer Strahlablenkeinrichtung 15 mit einem flachen Band 57, das an einem Ende im Zentralbereich einen Schlitz 69 aufweist, durch den das verjüngte andere Ende 71 geführt ist. Das Band 57 umschlingt das Kompensationselement 59 und ist an den Enden um die drehbare Einheit 29 - oder um eine mit dieser verkoppelte Mitnehmerscheibe - gelegt und an dieser befestigt. Auf diese Weise ist eine besonders spielfreie Kopplung realisiert.

Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und

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Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

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Bezugszeichenliste:

	1	Scanmikroskop
	3	Lichtquelle
5	5	Lichtstrahl
	7	Probe
	9	Beleuchtungspinhole
	11	Strahlteiler
	13	Umlenkspiegel
10	15	Strahlablenkeinrichtung
	17	Scanoptik
	19	Tubusoptik
	21	Mikroskopoptik
	23	Detektionslichtstrahl
15	25	Detektionspinhole
	27	erste Achse
	29	drehbare Einheit
	31	erste Reflexionsfläche
	33	zweite Reflexionsfläche
20	35	Reflexionsfläche
	37	zweite Achse
	39	weitere Reflexionsfläche
	41	Galvanometer
	43	drittes Spiegelsubstrat
25	45	erstes Spiegelsubstrat

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47	zweites Spiegelsubstrat
49	weiteres Spiegelsubstrat
51	Gehäuse
53	Detektor
55	Mitnehmerscheibe
57	Band
59	Kompensationselement
61	dritte Achse
65	resonantes Galvanometer
67	Antriebswelle
69	Schlitz
71	verjüngtes Ende

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Claims

1. Scanmikroskop (1) mit einer Lichtquelle (3), die einen Lichtstrahl (5) zur Beleuchtung einer Probe (7) erzeugt und mit einer Strahlablenkeinrichtung (15) mit der der Lichtstrahl (5) über die Probe (7) führbar ist, wobei die Strahlablenkeinrichtung (15) mindestens eine drehbare Einheit (29) mit mindestens einem Umlenkspiegel (13) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationselement (59), das eine zur drehbaren Einheit (29) gegengleiche Bewegung ausführt, derart angeordnet ist, dass es das Trägheitsmoment der drehbaren Einheit (29) zumindest teilweise kompensiert.

2. Scanmikroskop (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (59) das Trägheitsmoment weiterer beweglicher Bauteile zumindest teilweise kompensiert.

3. Scanmikroskop (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (13) um einer erste Achse (27) kippbar ist.

4. Scanmikroskop (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (13) um eine erste Achse (27) schwenkbar ist.

5. Scanmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (59) um eine zweite Achse drehbar ist, die parallel zur ersten Achse (27) ist.

6. Scanmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (59) um eine dritte Achse (61) schwenkbar ist, die parallel zur ersten Achse (27) ist.

7. Scanmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (59) und die drehbare Einheit (29) mit mindestens einem Band (57), das Antriebsenergie überträgt, mechanisch miteinander verkoppelt sind.

8. Scanmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb die Strahlablenkeinrichtung (15) antreibt.

9. Scanmikroskop (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb auch das Kompensationselement (59) antreibt.

10. Scanmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement ein Bestandteil des Antriebs ist.

11. Scanmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein Galvanometer ist.

12. Scanmikroskop (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (59) einen weiteren Antrieb aufweist, der zu dem Antrieb der Strahlablenkeinrichtung (15) synchronisiert ist.

13. Scanmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Scanmikroskop (1) ein konfokales Scanmikroskop ist.

14. Strahlablenkeinrichtung (15) für ein Scanmikroskop (1), mit der ein Lichtstrahl (5) über eine Probe (7) führbar ist, wobei die Strahlablenkeinrichtung (15) mindestens eine drehbare Einheit (29) mit mindestens einem Umlenkspiegel (13) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationselement (59), das eine zur drehbaren Einheit (29) gegengleiche Bewegung ausführt, derart angeordnet ist, dass es das Trägheitsmomente der drehbaren Einheit (29) zumindest teilweise kompensiert.

15. Strahlablenkeinrichtung (15) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (59) das Trägheitsmoment weiterer beweglicher Bauteile zumindest teilweise kompensiert.