DE3905348A1 - Arrangement for measuring the irradiation power occurring in a laser scanning microscope or the light power reflected and diffusely scattered on the irradiated object or the difference between the two powers - Google Patents
Arrangement for measuring the irradiation power occurring in a laser scanning microscope or the light power reflected and diffusely scattered on the irradiated object or the difference between the two powersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der an einem Laser-Rastermikroskop auftretenden Bestrahlungslei stung oder der am bestrahlten Objekt reflektierten und diffus gestreuten Lichtleistung oder der Differenz beider Leistungen. Die Laser-Rastermikroskopie umfaßt eine Gruppe zerstörungsfreier Abbildungsverfahren auf Basis lokaler Unterschiede optischer und optisch angeregter Wechselwir kungsprozesse und ermöglicht die Untersuchung lateraler Strukturen technischer und biologischer Mikroobjekte.The invention relates to an arrangement for measuring the a laser radiation microscope or reflected on the irradiated object and diffused light output or the difference between the two Services. Laser scanning microscopy comprises one group non-destructive imaging processes based on local Differences in optical and optically stimulated interactions processes and enables the examination of lateral Structures of technical and biological micro objects.
Bei den bekannten Laser-Rastermikroskopen werden die am Objekt reflektierte Laserleistung (z. B. Wilke, V.: Scanning 7, 1985, 89-96) und/oder die primär eingestrahlte Lichtleistung analog zu einem in der DE-PS 21 40 335 be schriebenen Gleichlichtphotometer mit separaten photoelek trischen Meßwandlern, wie Photoelementen, Photodioden oder Photovervielfachern gemessen, wobei die Trennung der Lei stungsanteile mit Hilfe optischer Strahlteiler so erfolgt, daß jeder Meßwandler nur von der reflektierten bzw. nur von der primären Laserstrahlung getroffen wird. Eine Be stimmung der Differenz aus primär eingestrahlter und re flektierter Lichtleistung, die bei streuarmen nichttrans parenten Objekten der absorbierten Strahlungsleistung ent spricht und speziell in der photoakustischen und photother malen Laser-Raster-Mikroskopie zur Separation einerseits thermischer und thermoelastischer und andererseits rein optischer Kontraste benötigt wird, kann entweder durch Subtraktion der elektrischen Ausgangsgrößen der entsprechen den Photoempfänger oder unter der Voraussetzung einer kon stanten Laserleistung durch Bildung des zum Reflexionssig nal komplementären Signals erfolgen. Da hierbei besonders bei der Untersuchung stark reflektierender Objekte im Vergleich zu den Ausgangsgrößen kleine Differenzen gebildet werden, ist ein sehr genauer Empfindlichkeitsabgleich der Photoempfänger erforderlich. Hierbei ist nachteilig, daß der Transmissions grad der Abbildungsoptik zwischen Strahlteiler und Objekt die Empfindlichkeiten beider Photoempfänger bzw. bei kon stantgehaltener Laserleistung die Empfindlichkeit des Re flexlichtdetektors und die am Objekt eintreffender primäre Strahlungsleistung in unterschiedlichem Maße beeinflußt, so daß Transmissionsgradänderungen bei Objektivwechsel oder durch Verschmutzung optischer Flächen die Meßgenauigkeit für die absorbierte Strahlungsleistung stark beeinträchtigen bzw. einen erneuten Abgleich erfordern.In the known laser scanning microscopes, the most Object reflected laser power (e.g. Wilke, V .: Scanning 7, 1985, 89-96) and / or the primary irradiated Light output analogous to be in DE-PS 21 40 335 written constant light photometer with separate photoelek trical transducers, such as photo elements, photodiodes or Measured photomultipliers, the separation of the Lei shares with the help of optical beam splitters, that each transducer is only from the reflected or only is hit by the primary laser radiation. A Be the difference between the primary irradiated and the right inflected light output, which is not trans Parent objects of the absorbed radiation power ent speaks and specifically in the photoacoustic and photother paint laser scanning microscopy for separation on the one hand thermal and thermoelastic and on the other hand pure Optical contrasts can be achieved either by Subtraction of the electrical output quantities of the corresponding the photo receiver or provided a con constant laser power by forming the reflection sig nal complementary signal. Because here in particular the investigation of highly reflective objects in comparison small differences to the output quantities are formed a very precise sensitivity adjustment of the photoreceivers required. The disadvantage here is that the transmission degree of imaging optics between beam splitter and object the sensitivities of both photo receivers or at con constant laser power the sensitivity of the Re flex light detector and the primary arriving at the object Radiant power affected to different degrees, so that transmittance changes when changing lenses or due to contamination of optical surfaces, the measuring accuracy for severely impair the absorbed radiation power or require a new adjustment.
Ein weiterer Nachteil der bekannten nichtkonfokalen Anord nungen liegt im hohen Untergrundsignal bei einer Abbildung im reflektierten Licht, das aus Reflexionen an allen zwischen Strahlteiler und Objekt befindlichen Glas-Luft-Grenzflächen resultiert. Da Strahlteiler zur Einhaltung vertretbarer Bild fehler jedoch nur im telezentrischen oder schwach konvergen ten bzw. divergenten Strahlengang eingesetzt werden können, ist zumindest der vom Objektiv verursachte Reflexlichtanteil bei den bekannten Anordnungen prinzipiell nicht zu beseitigen. Another disadvantage of the known non-confocal arrangement voltage lies in the high background signal in an image in reflected light that comes from reflections on everyone between Beam splitter and object-located glass-air interfaces results. Because beam splitter to maintain acceptable picture however, errors only converge in telecentric or weakly th or divergent beam path can be used, is at least the amount of reflected light caused by the lens in principle not to be eliminated in the known arrangements.
Das Ziel der Erfindung besteht in einer Erhöhung der Meß genauigkeit und Erleichterung der Handhabung eines Laser- Rastermikroskop, besonders bei der Bestimmung der absor bierten Strahlungsleistung hochreflektierender Objekte so wie in einer Kontrastverbesserung in der nichtkonfokalen Auflicht-Laser-Rastermikroskopie.The aim of the invention is to increase the measurement accuracy and ease of handling a laser Scanning microscope, especially when determining the absorber radiated power of highly reflective objects like a contrast enhancement in the non-confocal Scanning light laser scanning microscopy.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Laser- Rastermikroskop den Einfluß von durch Verschmutzung opti scher Flächen zwischen Lichtquelle und Objektiv oder bei Objektivwechsel auftretenden Transmissionsgradänderungen auf den Empfindlichkeitsabgleich besonders bei der Messung des Absorptionsgrades zu vermeiden und den Streulichtunter grund im Reflexionsbetrieb zu senken.The invention has for its object in a laser Scanning microscope the influence of opti surfaces between light source and lens or at Changes in transmission occurring lens changes on the sensitivity adjustment especially when measuring the degree of absorption to avoid and the stray light below reason to lower in reflection mode.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Messung der an einem Laser-Rastermikroskop auftretenden Bestrahlungslei stung oder der am bestrahlten Objekt reflektierten und dif fus gestreuten Lichtleistung oder der Differenz beider Lei stungen, bestehend aus zwei streuarmen bei der verwendeten Laserwellenlänge hinreichend transparenten oder hinreichend gut reflektierenden Sperrschicht-Photoelementen 1 und 2 so wie gegebenenfalls einem gewichtet summierenden Strom/Span nungs-Wandler 3 gelöst, wobei erfindungsgemäß die Photoele mente 1 und 2 so angeordnet sind, daß das Licht im optischen Strahlengang zwischen Lichtquelle und Objekt die Photoelemen te entweder beide durchstrahlt oder an ihnen reflektiert wird oder ein Photoelement durchstrahlt und am anderen reflektiert wird, daß die lichtempfindlichen Flächen beider Photoelemente die auftreffenden Strahlenbündel vollständig einschließen und daß entweder beide Photoelemente elektrisch antiparallel zu einem Zweipol zusammengeschaltet sind oder beide Photoele mente elektrisch einseitig mit je einem Eingang des gewich tet summierenden Strom/Spannungs-Wandler 3 verbunden sind, während ihre Gegenelektroden jeweils auf einem konstanten Bezugspotential liegen. This object is achieved by an arrangement for measuring the radiation radiation occurring on a laser scanning microscope or the light output reflected and diffusely scattered on the irradiated object, or the difference between the two services, consisting of two scattering layers which are sufficiently transparent or sufficiently reflective at the laser wavelength used -Photoelements 1 and 2 as well as optionally a weighted summing current / voltage converter 3 solved, according to the invention the Photoele elements 1 and 2 are arranged so that the light in the optical beam path between the light source and the object either passes through the photo elements or both is reflected from them or a photo element is shone through and is reflected at the other that the light-sensitive surfaces of both photo elements completely enclose the incident beams and that either both photo elements are electrically connected antiparallel to a two-pole or he two photo elements are electrically connected on one side to each input of the weighted summing current / voltage converter 3 , while their counter electrodes are each at a constant reference potential.
Vorteilhafterweise sind die Photoelemente miteinander ver bunden oder zumindest eines von ihnen ist mit einem im La ser-Rastermikroskop vorhandenen optischen Element fest zu einer Baueinheit verbunden.The photo elements are advantageously ver together tied or at least one of them is in La with one this scanning microscope firmly existing optical element connected to a unit.
Mit Vorteil sind die Photoelemente als hinreichend trans parente Dünnschichtsysteme auf Linsenflächen eines Mikro skopobjektivs abgeschieden.The photo elements are advantageously sufficiently trans Parent thin-film systems on the lens surfaces of a micro lens attached.
In der erfindungsgemäßen Anordnung kann zumindest eines der Photoelemente als optische Spiegelfläche in einem Spiegel- oder Spiegel-Linsen-Objektiv angeordnet sein.In the arrangement according to the invention, at least one of the Photo elements as an optical mirror surface in a mirror or mirror lens objective can be arranged.
Vorteilhafterweise sind beide Photoelemente und zumindest zwei die Wichtungsfaktoren beeinflussende Widerstände, die funktionelle Bestandteile des gewichtet summierenden Strom/ Spannungs-Wandlers sind, mit demselben Mikroskopobjektiv zu einer Baueinheit verbunden und das Mikroskopobjektiv trägt gegebenenfalls auf seiner Außenfläche elektrische Kontakt flächen, die mit den Photoelememten und gegebenenfalls mit dem gewichtet summierenden Strom/Spannungs-Wandler bzw. sei nen in das Objektiv integrierten Bestandteilen verbunden sind.Advantageously, both are and at least two resistances influencing the weighting factors, the functional components of the weighted summing current / Voltage converters are too, with the same microscope objective connected to a unit and carries the microscope objective if necessary, electrical contact on its outer surface surfaces with the photo elements and if necessary with the weighted summing current / voltage converter or components integrated in the lens are.
Durch die Anordnung beider Photoelemente im beleuchtenden Strahlengang wird erreicht, daß sie das am Objekt reflek tierte Licht ebenfalls wieder trifft, so daß sich ihre Photo ströme I 1 und I 2 entsprechend den Beziehungen I 1 = E 1 P + E 2 PR und I 2 = E 3 P + E 4 PR mit den auf die am Objekt meßbare Bestrah lungsleistung P des Lasers bzw. auf die am Objekt reflektierte Lichtleistung PR bezogenen Stromempfindlichkeiten E 1, E 2, E 3 und E 4 der Photoelemente und dem Reflexionskoeffizienten R der Objektoberfläche im Fokus jeweils aus einem der primär eingestrahlten und einem der am Objekt reflektierten Licht leistung proprortionalen Anteil zusammensetzen, wobei infolge der Lichtschwächung durch die Photoelemente die Ungleichung E 2 E 3 < E 1 E 4 gilt. Die Photoelemente können hierbei elektrisch sowohl im Kurzschluß betrieben als auch in Sperrichtung vorge spannt sein.The arrangement of both photo elements in the illuminating beam path ensures that they also meet the light reflected on the object again, so that their photo currents I 1 and I 2 correspond to the relationships I 1 = E 1 P + E 2 PR and I 2 = E 3 P + E 4 PR with the current sensitivities E 1 , E 2 , E 3 and E 4 of the photo elements and the reflection coefficient R of the object surface based on the irradiation power P of the laser that can be measured on the object or the light power PR reflected on the object in focus each from one of the primary incident and one of the reflected light power on the object proportional portion, whereby due to the weakening of light by the photo elements, the inequality E 2 E 3 < E 1 E 4 applies. The photo elements can be operated electrically both in the short circuit and pre-tensioned in the reverse direction.
Da in den Ausdrücken I 1 (P, PR) und I 2 (P, PR) die relativen An teile der primär eingestrahlten und reflektierten Leistung aufgrund der Ungleichung unterschiedlich hoch sind, ist es stets möglich, eine Linearkombination α I 1 + β I 2 mit den rationalen Konstanten α und β zu bilden, die nur der Bestrahlungsleistung P oder nur der reflektierten Lei stung PR oder der Differenz beider Leistungen P (1 - R) pro portional ist.Since in expressions I 1 (P, PR) and I 2 (P, PR) the relative proportions of the primary radiated and reflected power are different due to the inequality, it is always possible to use a linear combination α I 1 + β I 2 to form with the rational constants α and β , which is proportional only to the radiation power P or only the reflected power PR or the difference between the two powers P (1 - R) .
Hierzu dient gegebenenfalls der gewichtet summierende Strom/Spannungs-Wandler, dessen Ausgangsspannung U = α I 1 + β I 2 sich zu U = (α E 1 + β E 3) P + (α E 2 + β E 4) PR ergibt. Man erhält eine der Bestrahlungsleistung proportionale Spannung, wenn β = -α E 2/E 4 gilt, eine der reflektierten Leistung pro portionale Spannung für β = -α E 1/E 3 und eine der Differenz beider Leistungen proportionale Spannung unter der Bedingung α E 1 + β E 3 = -(α E 2 + β E 4) bzw. β = -α (E 1 + E 2)/(E 3 + E 4). Bei Verwendung eines Strom/Spannungs-Wandlers, der mehrere entsprechend den obenstehenden Beziehungen unterschiedlich gewichtete Linearkombinationen der Eingangssignale bildet, können die genannten Leistungsanteile auch parallel gemessen werden. Bei direkter Antiparallelschaltung der Photoelemente subtrahieren sich die einzelnen Photoströme voneinander, so daß sich der Gesamtstrom zu I = I 1 - I 2 = (E 1 - E 3) P + (E 2 - E 4) PR ergibt. Für E 2 = E 4 ist dieser Strom der Bestrah lungsleistung P proportional, für E 1 = E 3 der reflektierten Leistung und für E 1 + E 2 = E 3 + E 4 der Differenz beider Lei stungen. Hierbei müssen die Empfindlichkeiten der Photoele mente einmalig so aufeinander abgestimmt werden, daß sich die gewünschte Proportionalität ergibt. Diese Abstimmung ist an einen festen Transmissionsgrad der Photoelemente und des op tischen Weges zwischen ihnen sowie an eine bestimmte Licht durchlässigkeit der Strecke zwischen Photoelementen und Ob jekt gebunden. Deshalb eignet sich diese Variante besonders zur Integration der Photoelemente in das verwendete Objektiv oder zum Aufbau einer vom Mikroskop unabhängigen Meßsonde in Form einer transparenten planparallelen Platte als Träger bei der Photoelemente, die an beliebiger Stelle zwischen Lichtaus trittsöffnung des Mikropskops und Objekt eingefügt ist. Die Handhabung der Meßanordnung wird besonders einfach, wenn neben den Photoelementen gegebenenfalls auch der gewichtet sum mierende Strom/Spannungs-Wandler oder die Wichtungsfaktoren bestimmende Teile davon in das verwendete Objektiv inte griert und auf eine für alle Objektive gleiche Standard empfindlichkeit am Ausgang abgeglichen sind. Bei Verwen dung derartig präparierter Objektive in einem Objektiv wechsler ist dieser vorteilhaft mechanisch mit einem elek trischen Umschalter gekoppelt, der das gerade im Strahlen gang befindliche Objektiv bzw. dessen elektrische Baugrup pen kontaktiert.The weighted summing current / voltage converter may serve this purpose, the output voltage U = α I 1 + β I 2 resulting in U = ( α E 1 + β E 3 ) P + ( α E 2 + β E 4 ) PR . A voltage proportional to the irradiation power is obtained when β = - α E 2 / E 4 , a reflected power per proportional voltage for β = - α E 1 / E 3 and a voltage proportional to the difference between the two powers under the condition α E 1 + β E 3 = - ( α E 2 + β E 4 ) or β = - α (E 1 + E 2 ) / (E 3 + E 4 ). When using a current / voltage converter which forms several linear combinations of the input signals which are weighted differently in accordance with the above relationships, the power components mentioned can also be measured in parallel. With direct anti-parallel connection of the photo elements, the individual photocurrents subtract from one another, so that the total current results in I = I 1 - I 2 = (E 1 - E 3 ) P + (E 2 - E 4 ) PR . For E 2 = E 4 this current is proportional to the irradiation power P , for E 1 = E 3 the reflected power and for E 1 + E 2 = E 3 + E 4 the difference between the two services. Here, the sensitivities of the Photoele elements must be matched once so that the desired proportionality results. This coordination is tied to a fixed transmittance of the photo elements and the optical path between them and to a certain light transmission of the distance between the photo elements and the object. Therefore, this variant is particularly suitable for integrating the photo elements into the lens used or for building a measuring probe independent of the microscope in the form of a transparent plane-parallel plate as a support for the photo elements, which is inserted at any point between the light aperture of the microscope and the object. The handling of the measuring arrangement is particularly simple if, in addition to the photo elements, the weighted sum current / voltage converter or the weighting-determining parts thereof are integrated into the lens used and are adjusted to a standard sensitivity that is the same for all lenses at the output. When using such prepared lenses in a lens changer, this is advantageously mechanically coupled to an elec trical switch which contacts the lens currently in the beam path or its electrical assemblies.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen gegen über dem Stand der Technik darin, daß durch Minimierung des optischen Weges zwischen Objekt und photoelektrischen Strah lungsmeßwandlern eine Unabhängigkeit des Meßsignals gegen über Transmissionsgradänderungen des gesamten vorgelagerten Lichtweges erreicht wird, die zu höherer Stabilität und zu einer zu niedrigeren Werten verschobenen Nachweisgrenze bei der Messung der absorbierten Lichtleistung sowie zu einer wesentlichen Verringerung des Untergrundsignals und damit zu einem erweiterten Dynamikbereich bei der Messung der re flektierten Lichtleistung führt und daß weiterhin bei Inte gration der Photoelemente in Mikroskopobjektive und festen Abgleich auf eine vorgegebene Standard-Meßempfindlichkeit bzw. bei Einfügen der Photoelemente zwischen Objektiv und Objekt ein Nachgleichen bei Objektivwechsel entfällt und da mit der Bedienungsaufwand verringert wird.The advantages of the arrangement according to the invention exist against over the prior art in that by minimizing the optical path between object and photoelectric beam lungsmeßwandlern against independence of the measurement signal about changes in transmittance of the entire upstream Light path is achieved, leading to greater stability and too detection limit shifted to lower values the measurement of the absorbed light output as well as a substantial reduction in the background signal and thus to an expanded dynamic range when measuring the re inflected light output and that continues with Inte gration of the photo elements in microscope lenses and solid Adjustment to a specified standard measuring sensitivity or when inserting the photo elements between the lens and There is no need to compare objects when changing lenses and there with the operating effort is reduced.
In den Zeichnungen wird die erfindungsgemäße An ordnung in verschiedenen Varianten dargestellt.In the drawings, the invention order shown in different variants.
Fig. 1 zeigt die Photoelemente 1 und 2, den gewichtet sum mierenden Strom/Spannungs-Wandler 3, die Glasplatte 4, das Objektiv 5 und das Objekt 6. In Fig. 1 shows the photo elements 1 and 2 , the weighted sum-current / voltage converter 3 , the glass plate 4 , the lens 5 and the object 6th In
Fig. 2 sind die Photoelemente 1 und 2 sowie das Objekt 6 und die Linse 7 dargestellt. Fig. 2, the photoelements 1 and 2 and the object 6 and the lens 7 are shown.
Fig. 3 zeigt die Photoelemente 1 und 2, das Objekt 6, die Metallspiegel 8 und 9, den Differenz-Strom/Spannungs-Wandler 10 und die Spannungsquelle 11. Fig. 3 shows the photo-elements 1 and 2, the object 6, the metal mirror 8 and 9, the differential-current / voltage converter 10 and the voltage source 11.
Fig. 1 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit der erfindungs gemäßen Anordnung. Hierbei sind die Si-Photoelemente 1 und 2 als großflächig homogene Dünnschichtsysteme auf beiden Sei ten einer planparallelen Glasplatte 4 abgeschieden, wobei die Schichtdicken so gering sind, daß die optische Transpa renz über 50% liegt. Die Glasplatte ist zwischen Mikroskop objektiv 5 und Objekt 6 als optisches Fenster in einem spe ziellen Probenhalter zur Durchführung photothermaler Untersu chungen so angeordnet, daß sie vom konvergenten Lichtbündel des Laser-Rastermikroskops ohne Begrenzungseffekte in ihrer lichtempfindlichen Fläche durchstrahlt wird. Sie besitzt die Dicke und Brechkraft eines normalen Deckglases, so daß bei Verwendung eines entsprechend korrigierten Mikroskopobjektivs keine zusätzlichen Abbildungsfehler entstehen. Fig. 1 shows a possible implementation of the arrangement according to the Invention. Here, the Si photo elements 1 and 2 are deposited as large-area homogeneous thin-film systems on both sides of a plane-parallel glass plate 4 , the layer thicknesses being so small that the optical transparency is above 50%. The glass plate is arranged between the microscope objective 5 and object 6 as an optical window in a special sample holder for carrying out photothermal examinations so that it is irradiated by the convergent light beam of the laser scanning microscope without limiting effects in its light-sensitive area. It has the thickness and refractive power of a normal cover glass, so that no additional aberrations occur when using a correspondingly corrected microscope objective.
Da beide Photoelemente sowohl vom zum Objekt hinlaufenden als auch vom dort reflektierten Licht getroffen werden, setzen sich ihre Photoströme I 1 und I 2 entsprechend den Beziehungen I 1 = E 1 P + E 2 PR und I 2 = E 3 P + E 4 PR mit den auf die am Objekt meß bare Bestrahlungsleistung P bezogenen Empfindlichkeiten E 1 und E 3 und den auf die vom Objekt ausgehende reflektierte bzw. dif fus gestreute Lichtleistung PR bezogenenen Empfindlichkeiten E 2 und E 4 jeweils aus einem der primär eingestrahlten und einem der am Objekt reflektierten Strahlungsleistung proportionalen Anteil zusammen, wobei infolge der Lichtschwächung beim Durch gang durch die Photoelemente E 2/E 1 < E 4/E 3 gilt. Die Photo ströme beider Photoelemente werden, wie in Fig. 1 ersichtlich, mit entgegengesetzter Polarität in die Eingänge des gewichtet summierenden Strom/Spannungs-Wandlers 3 mit den einstellbaren Wichtungsfaktoren K 1, K 2, l 1, l 2, m 1, m 2 eingespeist, so daß sich an dessen Ausgängen die Spannungen U 1 = K 1 I 1 - K 2 I 2 = (K 1 E 1 - K 2 E 3)P + (K 1 E 2 - K 2 E 4)PR, U 2 = l 1 I 1 - l 2 I 2 = (l 1 E 1 - l 2 E 3)P + (l 1 E 2 - l 2 E 4)PR und U 3 = m 1 I 1 - m 2 I 2 = (m 1 E 1 - m 2 E 3)P + (m 1 E 2 - m 2 E 4)PR einstellen.Since both photo elements are hit by both the light running towards the object and the light reflected there, their photocurrents I 1 and I 2 settle in accordance with the relationships I 1 = E 1 P + E 2 PR and I 2 = E 3 P + E 4 PR with the sensitivities E 1 and E 3 related to the measurable radiation power P on the object and the sensitivities E 2 and E 4 related to the reflected or diffusely scattered light output PR emanating from the object each from one of the primary irradiated and one of the objects reflected radiation power proportional proportion, whereby due to the weakening of light when passing through the photo elements E 2 / E 1 < E 4 / E 3 applies. The photo currents of both photo elements are, as can be seen in Fig. 1, with opposite polarity in the inputs of the weighted summing current / voltage converter 3 with the adjustable weighting factors K 1 , K 2 , l 1 , l 2 , m 1 , m 2 fed in, so that the voltages U 1 = K 1 I 1 - K 2 I 2 = (K 1 E 1 - K 2 E 3 ) P + (K 1 E 2 - K 2 E 4 ) PR , U 2 = l 1 I 1 - l 2 I 2 = (l 1 E 1 - l 2 E 3 ) P + (l 1 E 2 - l 2 E 4 ) PR and U 3 = m 1 I 1 - m 2 I 2 = (m 1 E 1 - m 2 E 3 ) P + (m 1 E 2 - m 2 E 4 ) PR set.
Zur Messung der primär eingestrahlten Leistung wählt man K 1 und K 2 entsprechend der Bedingung K 2 = K 1 E 2/E 4 und erhält eine Meßempfindlichkeit U 1/P = K 1 (E 1 - E 2 E 3/E 4). Zur Messung der re flektierten Leistung wählt man l 1 und l 2 entsprechend der Bedingung l 2 = l 1 E 1/E 3 und erhält eine Meßempfindlichkeit U 2/PR = l 1 (E 2 - E 1 E 4/E 3). Zur Messung der Differenz aus pri mär eingestrahlter und reflektierter Leistung wählt man m 1 und m 2 entsprechend der Bedingung m 2 = m 1 (E 1 + E 2)/E 3 + E₄) und erhält eine Meßempfindlichkeit U 3/P(1 - R) = m 1 (E 1 E 4 - E 2 E 3)/E 3 + E 4).To measure the primary radiated power, K 1 and K 2 are selected in accordance with the condition K 2 = K 1 E 2 / E 4 and a measurement sensitivity U 1 / P = K 1 (E 1 - E 2 E 3 / E 4 ) is obtained. To measure the reflected power, one chooses l 1 and l 2 according to the condition l 2 = l 1 E 1 / E 3 and obtains a measuring sensitivity U 2 / PR = l 1 (E 2 - E 1 E 4 / E 3 ). To measure the difference between the primary radiated and reflected power, select m 1 and m 2 according to the condition m 2 = m 1 (E 1 + E 2 ) / E 3 + E ₄) and obtain a measuring sensitivity U 3 / P (1 - R) = m 1 (E 1 E 4 - E 2 E 3 ) / E 3 + E 4 ).
Zur Bestimmung von E 1 und E 3 bestrahlt man die Anordnung in ihrer üblichen Benutzungsrichtung und mißt die transmittier te Leistung P und die Photoströme I 1 und I 2. Verhindert man, daß die Anordnung von reflektiertem Licht getroffen wird, er hält man I 11 = E 1 P und I 21 = E 3 P bzw. E 1 = I 11/P und E 3 = I 21/P. Bestrahlt man nun die Anordnung entgegengesetzt zur normalen Strahlrichtung mit einer Bestrahlungsleistung P und verhindert wieder, daß die Anordnung von reflektiertem Licht getroffen wird, entspricht das dem rücklaufenden Strahl in der üblichen Benutzungsrichtung und man erhält die Photoströme I 12 = E 2 P und I 22 = E 4 P bzw. E 2 = I 12/P und E 4 = I 22/P. Mit den Beispielwerten E 1 = 1,25 mA/W, E 2 = 0,8 mA/W, E 3 = 1,25 mA/W, E 4 = 1 mA/W, K 1 = 4 V/µA, l 1 = 5 V/µA und m 1 = 9 V/µA und Wahl von K 2, l 2 und m 2 entsprechend den obenstehen den Bedingungen erhält man K 2 = 3,2 V/µA, l 2 = 5 V/µA und m 2 = 8,2 V/µA und damit die Meßempfindlichkeiten U 1/P = 1 V/mW, U 2/PR = -1 V/mW und U 3/P(1 - R) = 1 V/mW. Hiermit sind alle genann ten Strahlungsanteile unabhängig von dem zur Abbildung be nutzten optischen System des Laser-Raster-Mikroskops gleich zeitig parallel meßbar und man erhält außerdem den Reflexions koeffizienten R und den Absorptionskoeffizienten A = 1 - R für eine beliebige eingestrahlte Laserleistung als Quotienten der entsprechenden Ausgangsspannungen des gewichtet summierenden Strom/Spannungs-Wandlers. Die Meßanordnung ist durch die inte grale Lichtdetektion unabhängig von Fokussierungsschwankungen und besitzt durch die enge thermische Kopplung der Photoele mente eine minimale Temperaturdrift. Da sich zwischen Meßan ordnung und Objekt keine weiteren Glas-Luft-Grenzflächen be finden, ist die Entstehung eines Untergrundsignals durch uner wünschte Reflexionen ausgeschlossen. To determine E 1 and E 3 , the arrangement is irradiated in its normal direction of use and the transmitted power P and the photocurrents I 1 and I 2 are measured. To prevent the arrangement from being hit by reflected light, it is kept I 11 = E 1 P and I 21 = E 3 P or E 1 = I 11 / P and E 3 = I 21 / P. If you now irradiate the arrangement in the opposite direction to the normal beam direction with an irradiation power P and again prevent the arrangement from being hit by reflected light, this corresponds to the returning beam in the usual direction of use and the photocurrents I 12 = E 2 P and I 22 = are obtained E 4 P or E 2 = I 12 / P and E 4 = I 22 / P. With the example values E 1 = 1.25 mA / W, E 2 = 0.8 mA / W, E 3 = 1.25 mA / W, E 4 = 1 mA / W, K 1 = 4 V / µA, l 1 = 5 V / µA and m 1 = 9 V / µA and choice of K 2 , l 2 and m 2 according to the above conditions gives K 2 = 3.2 V / µA, l 2 = 5 V / µA and m 2 = 8.2 V / µA and thus the measuring sensitivities U 1 / P = 1 V / mW, U 2 / PR = -1 V / mW and U 3 / P (1 - R) = 1 V / mW. This means that all the named radiation components can be measured simultaneously, regardless of the optical system of the laser scanning microscope used for imaging, and you also get the reflection coefficient R and the absorption coefficient A = 1 - R for any irradiated laser power as quotients of the corresponding one Output voltages of the weighted summing current / voltage converter. The measuring arrangement is independent of focusing fluctuations due to the integral light detection and has a minimal temperature drift due to the close thermal coupling of the photo elements. Since there are no further glass-air interfaces between the measuring arrangement and the object, the formation of a background signal due to undesired reflections is excluded.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Anordnung zur Messung der vom Untersuchungsobjekt absorbierten Strahlungsleistung in einem Laser-Rastermikroskop, bei der die Si-Photoelemente 1 und 2 übereinander als großflächig homogene, hinreichend transparente Dünnschichtsysteme auf der Frontlinse 7 eines Mikroskopobjektivs abgeschieden sind. Sie sind elektrisch antiparallel geschaltet, so daß sich der außen meßbare Pho tostrom als Differenz beider Einzelströme ergibt. Da sie bei einer Bestrahlung des Objekts wie im Beispiel 1 sowohl vom hinlaufenden als auch vom reflektierten Licht getroffen wer den, ergeben sich die individuellen Photoströme mit den Be zeichnungen des Beispiel 1 zu I 1 = E 1 P + E 2 PR und I 2 = E 3 P + E 4 PR bzw. der resultierende Gesamtstrom zu I = I 1 - I 2 = (E 1 - E 3)P + (E 2 - E 4)PR. Ein der im Objekt absorbierten Strah lungsleistung P(1 - R) proportionales Signal ergibt sich für E 1 - E 3 = E 4 - E 2 und man erhält I = (E 1 - E 3)P(1 - R). Die obenste hende Bedingung kann durch Aufbringen einer zusätzlichen lichtschwächenden Schicht mit dem Transmissionsgrad T auf der objektzugewandten Seite der Anordnung erfüllt werden. Hier durch erfolgt eine Modifizierung der Empfindlichkeiten zu E′ 1 = TE 1, E′ 3 = TE 3, E′ 2 = E 2/T und E′ 4 = E 4/T und es ergibt sich damit (E′ 4 - E′ 2)/(E′ 1 - E′ 3) = (E 4 - E 2)/T 2 (E 1 - E 3-). Wegen 0 < T 2 < 1 ist die Bedingung E′ 4 - E′ 2 = E′ 1 - E′ 3 für die modifizier ten Empfindlichkeitskonstanten immer erfüllbar, wenn die ur sprüngliche Schichtpräparation der Bedingung 0 < (E 4 - E 2)/ (E 1 - E 3) < 1 genügt. Die notwendige zusätzliche Lichtschwächung bleibt dabei umso geringer, je dichter an 1 der Quotient (E 4 - E 2)/(E 1 - E 3) bereits liegt. Fig. 2 shows a variant of the arrangement for measuring the absorbed by the examination object radiation power in a laser-scanning microscope, in which the Si-photoelements 1 and 2 over each other as large-area homogeneous, sufficiently transparent thin-film systems, on the front lens 7 of a microscope objective are deposited. They are electrically connected antiparallel, so that the externally measurable photocurrent results as the difference between the two individual currents. Since they are hit by both the incoming and the reflected light when the object is irradiated as in Example 1, the individual photocurrents with the descriptions of Example 1 result in I 1 = E 1 P + E 2 PR and I 2 = E 3 P + E 4 PR or the resulting total current to I = I 1 - I 2 = (E 1 - E 3 ) P + (E 2 - E 4 ) PR . A signal proportional to the radiation power absorbed in the object P (1 - R) results for E 1 - E 3 = E 4 - E 2 and one obtains I = (E 1 - E 3 ) P (1 - R) . The above condition can be met by applying an additional light-reducing layer with the transmittance T on the side of the arrangement facing the object. Here the sensitivities are modified to E ′ 1 = TE 1 , E ′ 3 = TE 3 , E ′ 2 = E 2 / T and E ′ 4 = E 4 / T, and the result is (E ′ 4 - E ′ 2 ) / (E ′ 1 - E ′ 3 ) = (E 4 - E 2 ) / T 2 (E 1 - E 3 -). Because of 0 < T 2 <1, the condition E ′ 4 - E ′ 2 = E ′ 1 - E ′ 3 for the modified sensitivity constants can always be met if the original layer preparation meets the condition 0 < (E 4 - E 2 ) / (E 1 - E 3 ) <1 is sufficient. The closer the light is to 1, the closer the quotient (E 4 - E 2 ) / (E 1 - E 3 ) is.
Eine auf diese Weise einmalig abgeglichene, in ein Mikroskop objektiv integrierte Meßanordnung erzeugt im Kurzschlußbe trieb einen Ausgangsstrom der unabhängig von eingestrahlter Lichtleistung, Reflexionsgrad des Objektes und Veränderungen im optischen Strahlengang zwischen Lichtquelle und Objektiv der Differenz aus eingestrahlter und reflektierter bzw. rück gestreuter Lichtleistung und damit der absorbierten Strah lungsleistung proportional ist. Vorteile der Anordnung sind ihre durch die integrale Lichtmessung erreichte Unempfind lichkeit gegenüber Fokussierungsschwankungen und die geringe Temperaturdrift aufgrund der engen thermischen Kopplung der Photoelemente.A one-off matched in this way into a microscope Objectively integrated measuring arrangement generated in the short circuit drove an output current which is independent of radiated Light output, reflectance of the object and changes in the optical beam path between light source and lens the difference between irradiated and reflected or back scattered light output and thus the absorbed beam power is proportional. Advantages of the arrangement are their insensitivity achieved by the integral light measurement sensitivity to fluctuations in focus and the low Temperature drift due to the tight thermal coupling of the Photo elements.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Anordnung zur Mes sung der vom Untersuchungsobjekt absorbierten Strahlungslei stung in einem Laser-Rastermikroskop, bei der zwei Si-Photo elemente 1 und 2 gleichartig als großflächig homogene Dünn schichtsysteme auf den als rückwärtige Elektroden fungieren den Metallspiegeln 8 und 9 eines Spiegelobjektivs so abge schieden sind, daß ihre teiltransparenten Deckelektroden gleichzeitig die optisch wirksamen Spiegelflächen des Ob jektivs bilden. Ihre Deckelektroden sind mit gleicher Pola rität an die beiden Eingänge eines gewichteten Differenz- Strom/Spannungs-Wandlers 10 und zugleich an zwei ebenfalls im Spiegelobjektiv integrierte Widerstände angeschlossen, die funktionell Bestandteile des Differenz-Strom/Spannungs- Wandlers sind und dessen für die beiden Photoströme wirksamen Strom/Spannungs-Wandlungsfaktoren bestimmen, während die Rückelektroden gemeinsam mit einer Spannungsquelle 11 ver bunden sind, deren zweiter Anschluß auf dem Bezugspotential des Strom/Spannungs-Wandlers 10 liegt und deren Polarität so gewählt ist, daß die Photoelemente in Sperrichtung vor gespannt sind. Da die Photoelemente auch wieder sowohl vom hinlaufenden als auch vom reflektierten Licht getroffen wer den und durch das gewählte Schaltungsprinzip ebenfalls eine Subtraktion der Photoströme stattfindet, wird zur näheren Er läuterung der Funktionsweise und zur Bestimmung der mit Hilfe der im Objektiv integrierten Widerstände festgelegten benö tigten Wichtungsfaktoren für beide Photoströme auf Beispiel 1 verwiesen. Die Kontaktierung der Photoelemente und Wider stände erfolgt im Beispiel durch einen Mehrfachsteckverbinder. Fig. 3 shows a further variant of the arrangement for measuring the radiation absorbed by the object under examination in a laser scanning microscope, in which two Si photo elements 1 and 2 similarly as large-area homogeneous thin-layer systems on which act as rear electrodes, the metal mirrors 8 and 9 of a mirror lens are so abge that their partially transparent cover electrodes simultaneously form the optically effective mirror surfaces of the lens. Your cover electrodes are connected with the same polarity to the two inputs of a weighted differential current / voltage converter 10 and at the same time to two resistors which are also integrated in the mirror lens and which are functional components of the differential current / voltage converter and its for the two photocurrents Determine effective current / voltage conversion factors, while the back electrodes are connected to a voltage source 11 , the second terminal of which is at the reference potential of the current / voltage converter 10 and whose polarity is selected such that the photo elements are biased in the reverse direction. Since the photo elements are again hit by both the incoming and the reflected light and the subtraction of the photocurrents also takes place due to the selected circuit principle, a more detailed explanation of the mode of operation and the determination of the necessary weighting factors determined with the help of the resistors integrated in the lens for both photocurrents refer to Example 1. The contacting of the photo elements and resistors is done in the example by a multiple connector.
Im Ergebnis liefert die Anordnung nach Festlegung der Wich tungskoeffizienten eine Ausgangsspannung, die unabhängig von eingestrahlter Lichtleistung, Reflexionsgrad des Objekts und Veränderungen im optischen Strahlengang zwischen Lichtquelle und Objektiv der Differenz aus eingestrahlter und reflek tierter bzw. rückgestreuter Lichtleistung und damit der ab sorbierten Strahlungsleistung proportional ist. Sie ist in folge der integralen Lichtmessung ebenfalls unempfindlich gegenüber Fokussierungsschwankungen und ermöglicht außerdem den Einsatz undurchsichtiger Photoelemente mit konventionel len semitransparenten metallischen Deckelektroden und damit eine höhere Transmission des Gesamtobjektivs. Außerdem ver meidet die Anordnung bei konventioneller Beobachtung stören des Fremdlicht, das bei einer Durchstrahlung ungenügend ent spiegelter Photoelemente entsteht.As a result, the arrangement delivers after determining the weight an output voltage that is independent of radiated light output, reflectance of the object and Changes in the optical beam path between the light source and lens the difference between irradiated and reflect tated or backscattered light output and thus the sorbed radiation power is proportional. It is in follow the integral light measurement also insensitive against fluctuations in focus and also enables the use of opaque photo elements with conventional len semi-transparent metallic cover electrodes and thus a higher transmission of the overall lens. In addition ver avoids disrupting the arrangement with conventional observation of extraneous light, which is insufficient when transmitted mirrored photo elements.
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DD31351188A DD269906A1 (en) | 1988-03-09 | 1988-03-09 | ARRANGEMENT FOR MEASURING THE RADIATION POWER ARISING FROM A LASER RASTER MICROSCOPE OR THE LIGHTING POWER RENDERED ON THE IRRADIATED OBJECT AND DIFFUSED, OR THE DIFFERENCE OF TWO PERFORMANCE |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
WO2008037358A1 (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-03 | Carl Zeiss Microimaging Gmbh | Laser scanning microscope and laser scanning microscopy method for measuring diffusely reflected illuminating radiation |
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1989
- 1989-02-22 DE DE19893905348 patent/DE3905348A1/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004053816B4 (en) * | 2004-11-04 | 2017-10-05 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Apparatus and method for examining microscopic samples |
WO2008037358A1 (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-03 | Carl Zeiss Microimaging Gmbh | Laser scanning microscope and laser scanning microscopy method for measuring diffusely reflected illuminating radiation |
Also Published As
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DD269906A1 (en) | 1989-07-12 |
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