DE4113279A1 - Verfahren und vorrichtung zum abbilden eines objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Abbilden eines Objekts, wobei einzelne Punkte des Objekts sukzessiv durch mindestens eine Punktlicht­ quelle konfokal beleuchtet werden.

Es sind sogenannte konfokale optische Raster-Mikroskope in Form von Laserscannern bekannt (KLS - Konfokaler La­ ser-Scanner), bei denen die Objekte von einem fein fokus­ sierten Laserstrahl Punkt für Punkt abgetastet werden. Das vom Objekt zurückgestreute (Auflicht) wird detektiert, beispielsweise von Fotomultipliern und dient zur Ansteue­ rung eines zur Laser-Rasterbewegung synchronisierten Bild­ schirms. Dort entsteht ein Bild des Objekts. Der Laser­ strahl wird durch ein Mikroskopobjektiv auf das Objekt bzw. in eine Objektebene (konfokal) abgebildet. Die Rasterung bzw. das Scannen kann zum einen dadurch erfolgen, daß das Objekt selbst, z. B. mit Hilfe eines Scan-Tisches, in der Ebene senkrecht zur optischen Achse bewegt wird, so daß optische Parameter als Funktion des Ortes gemessen werden können. Stattdessen kann zwischen Lichtquelle, wie Laser oder Sekundärlichtquelle, wie ein von einem Laser beleuch­ tetes sehr kleines Loch bzw. eine sehr kleine Blende (Pin­ hole) eine Scan-Anordnung vorgesehen ist, die den Laser­ strahl senkrecht zur optischen Achse über das ruhende Ob­ jekt bewegt. Dies geschieht mittels Galvanometerspiegeln, die von einem Rastergenerator angesteuert werden. In den meisten Fällen werden zwei Spiegel verwendet, deren Bewe­ gung über unterschiedliche gerichtete Achsen erfolgen, so daß der eine Spiegel Zeilen abtastet, der andere den Zei­ lenvorschub bewirkt. In jedem Falle wird also das Bilden der einzigen Lichtquelle - eventuell die Lochblende als Sekundärlichtquelle - (auf dem Objekt) durch mechanische Bewegungen - des Objekttisches oder Teilen der Scan-Anord­ nung - relativ zum Objekt im Raume bewegt.

Darüber hinaus kann beim Stande der Technik nicht im Durchlicht unter Einsatz eines Pinholes, d. h. nicht kon­ fokal, nicht detektiert werden, die Abbildungen (D_ÿ) sich an verschiedenen Stellen "zeigen", so daß sie also nicht durch Einsatz eines einzigen Pinholes detektiert werden können. Da zur dreidimensionalen Rekonstruktion von Objekten geringe Abbildungs-Tiefenschärfen nötig sind, sind heutige Systeme im Durchlicht für die Herstel­ lung dreidimensionaler Bilder absolut ungeeignet.

Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist, daß zwi­ schen der Lichtquelle und dem Objekt, einschließlich desselben, mechanisch bewegliche Teile vorhanden sind, nämlich entweder das Objekt selbst oder aber die Abtast­ spiegel, was aufgrund der Trägheit der bewegten Teile, durch äußere Erschütterungen etc. zu Fehlern und Störun­ gen führt; die erforderliche hohe Abtastgeometrie wird dejustiert, so daß keine reproduzierbare Abtastgeometrie gegeben ist. Tatsächlich führt wiederholtes Abtasten ein und desselben unveränderlichen Gegenstandes zu unter­ schiedlichen Bildern. Die bekannten Vorrichtungen müssen aufwendig und voluminös sein, um zumindest eine noch ver­ tretbare Genauigkeit zu erhalten. Es ist in jedem Fall eine aufwendige Elektronik erforderlich, obwohl sich her­ ausgestellt hat, daß die Benutzer in vielen Fällen neben dem klassischen Bild nur das Mikroskopbild von einzelnen Objektebenen visuell betrachten oder fotographisch bzw. mit einem Videosystem (als Bilderfolgen einzelner Ebenen) aufnehmen wollen, ohne daß eine Weiterverarbeitung erfor­ derlich ist. In diesem Falle ist dann sogar für den Benut­ zer ein erhöhter Aufwand erforderlich, da zunächst das Bild optoelektrisch aufgenommen und dann elektrooptisch wiedergegeben werden muß. Selbst nachdem der Laser-Raster- Scanner über einen Strahlenteiler oder Spiegel dem Objek­ tiv eines herkömmlichen Mikroskops zugeordnet wird, kön­ nen keine visuellen Beobachtungen über Laser-Raster-Scan­ ner durchgeführt werden, ohne eine Signalverarbeitung einzusetzen. Ein großer Nachteil ist, daß eine konfoka­ le Detektion an Durchlicht überhaupt nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt daher zunächst die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die unter Vermeidung der genannten Nachteile, die eine Vereinfachung der herkömmlichen konfokalen Raster-Mikroskopie und ins­ besondere auch ein Arbeiten im Durchlicht ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Ver­ fahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Objekt durch eine Detektor-Matrix mit mehreren Blen­ den (Pinholes) betrachtet wird. Auch hierdurch wird schon eine hohe Strahlungsstabilität bei gesicherter konfokaler Detektion erreicht. Soweit allerdings nur eine Detektor- Matrix verwendet wird, ergeben sich Umsymmetrien, die insofern nur begrenzte Anwendungen erlauben.

Um universelle Einsatzmöglichkeiten zu erlauben und Stö­ rungen und Fehler aufgrund mechanischer Bewegungen völ­ lig auszuschließen und eine hohe absolute Strahlungssta­ bilität zu gewährleisten, sieht daher eine äußerst bevor­ zugte Ausgestaltung vor, daß das Objekt sukzessiv durch eine Vielzahl von Punktlichtquellen einer Punktlichtquel­ len-Matrix beleuchtet wird und durch eine Detektor-Matrix mit jeweils den Punktlichtquellen zugeordneten Blenden beobachtet wird, wobei das Objekt sowie sämtliche opti­ schen Elemente im Strahlengang zwischen diesem und der Punktlichtquellen-Matrix sowie der Detektor-Matrix, ein­ schließlich beider, in Richtungen senkrecht zur optischen Achse der Anordnung beim Auftreffen des Lichts auf das Objekt relativ zueinander festgehalten werden. Eine Vor­ richtung zur Lösung der Aufgabe zeichnet sich dadurch aus, daß zur Beleuchtung des Objekts eine Punktlichtquellen- Matrix mit einer Vielzahl einzelner Punktlichtquellen vorgesehen ist, daß Einrichtungen zum sukzessiven Ein­ schalten der Punktlichtquellen vorgesehen sind, daß im vom Objekt ausgehenden Strahlengang eine Detektor-Matrix angeordnet ist und daß das Objekt und sämtliche optischen Elemente zwischen Punktlichtquellen-Matrix und Detektor- Matrix einschließlich derselben in Ebenen senkrecht zur optischen Achse des Objekt-Tisches fest und unbeweglich angeordnet sind.

Durch die zum Objekt in Richtungen senkrecht zur opti­ schen Achse - der das Objekt treffenden Lichts - feste Anordnung von Punktlichtquellen, die einzeln sukzessiv angesteuert, d. h. zum Leuchten gebracht werden sowie ei­ ner ebenfalls fest angeordneten der Punktlichtquellen­ Matrix korrespondierenden Detektor-Matrix wird zwischen den Punktlichtquellen und über das Objekt zu der Detektor- Matrix eine feste reproduzierbare Abtastgeometrie im Rah­ men eines absoluten Koordinatensystems und damit eine absolute Strahlungsstabilität geschaffen. Weder das Ob­ jekt noch optische Elemente zwischen Objekt und Punkt­ lichtquellen- bzw. Detektor-Matrix werden mechanisch be­ wegt. Die einzelnen Punktlichtquellen der Matrix, die gegebenenfalls Sekundärlichtquellen sein können, werden lediglich sukzessiv ein- und ausgeschaltet. Es werden demnach zeitlich verschoben, also sukzessiv die einzel­ nen starren oder festen Punktlichtquellen der Matrix auf das Objekt abgebildet. Das vom Objekt gestreute Licht wird über den gleichen Lichtweg (konfokal) auf entspre­ chende matrixartig angeordnete Punktdetektoren gerichtet.

Die Erfindung vermeidet die durch die Ablenkung des La­ serstrahls bzw. die Verschiebung des Objektivs beim Stan­ de der Technik bedingten Fehler; auch die wellenoptische Qualität des Strahls wird dadurch verbessert, daß zwischen Lichtquelle und Objekt keine beweglichen Ablenkelemente, wie Ablenkspiegel und dazugehörige Optik, angeordnet sind. Durch das absolute Koordinatensystem wird eine reproduzier­ bare Abtastgeometrie gesichert. Die optischen Komponenten können verringert werden; es ist eine Geräteverkleinerung erreichbar. Die Integration mit klassichen Geräten ist einfach. Die (elektronische) Hardware kann - je nach Ein­ satz - wesentlich reduziert werden.

Die Erfindung kann insbesondere im Bereich der Halblei­ terprüfung und -Fertigung, bei Oberflächen- und Struktur­ messungen, im Bereich der biologischen und medizinischen Mikroskopie, wie bei der Zellforschung, eingesetzt werden.

Es wird ein konfokaler strahlungsgangstabiler Laserscan­ ner bzw. ein entsprechendes Mikroskop geschaffen. Die Punktlichtquellen der Punktlichtquellen-Matrix werden durch ein Mikroskopobjektiv konfokal auf das Objekt bzw. eine Objektebene abgebildet. Zwischen den Punktlicht­ quellen und dem Mikroskopobjektiv können gegebenenfalls weitere optische Elemente, nämlich Linsen, auch Strah­ lungsteiler oder Filter und Polarisatoren, vorgesehen sein, die sämtlich zueinander in einer fest vorgegebenen Beziehung stehen und keinen Relativbewegungen senkrecht zur optischen Achse zugänglich sind. Es kann lediglich vorgesehen sein, daß zur Verstellung der zu beobachten­ den Objektebene in die Fokusebene des Objektivs der Ob­ jektträger in Richtung der optischen Achse (Z-Achse) zu­ gestellt wird, dies geschieht aber nicht während des Scannens oder Abtastens einer Objektebene in Richtungen senkrecht zur optischen Achse, sondern jeweils zwischen Abtastvorgängen, so daß auch diese Einstellbewegung keine Störung oder Beeinträchtigung hinsichtlich der Auflösung oder Qualität der Bildabbildung bewirkt.

Die Punktlichtquellen-Matrix kann in einfachster Aus­ führung eine Laserdioden-Anordnung (Laserdioden-Array -LDA) sein, vorausgesetzt, daß die Lichtintensität in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse kreisförmig ist und eine Gauß-Verteilung aufweist. Derartige licht­ emitierenden Laser-Matrixstrukturen sind an sich bekannt.

Die Erfindung erlaubt insbesondere nicht nur das Arbei­ ten im Auflicht, sondern insbesondere auch im Durchlicht.

Wenn, wie verbreiteter, die Laserdioden-Anordnung "recht­ eckige" Laserdioden mit einer anderen als der vorgenann­ ten Intensitätsverteilung aufweist, so bilden diese vor­ zugsweise nicht die Punktlichtquellen im Sinne der Erfin­ dung, sondern sind vielmehr vor einer Sekundärlichtquel­ len-Matrix, im einfachsten Fall einer Loch-Matrix bzw. einem Lochraster (also relativ zum Objekt auf der gegen­ überliegenden Seite dieser Matrix) angeordnet und beleuch­ ten die Sekundärlichtquellen-Matrix (das Lochraster), so daß von den einzelnen Löchern, die dann wellenoptisch (selbst) als Sekundärlichtquellen für das Objekt wirken, das Licht ausgeht. Die Kohärenz des Lichts der genannten Lichtquellen ist im übrigen wichtig für die Qualität der Abbildung.

Statt durch Laser- oder Leuchtdioden-Matrizen kann auch die Beleuchtung einer solchen Sekundärlichtquellen-Matrix (Lochraster) durch einen einzelnen Laser erfolgen. Des­ sen Strahl kann zunächst aufgeweitet werden, so daß er die gesamte Matrix beleuchtet. In diesem Falle muß ent­ weder zwischen dem Laser und der Sekundärlichtquellen- Matrix eine Schalteinrichtung vorgesehen sein oder aber die Sekundärlichtquellen-Matrix als solche ausgebildet sein, die bewirkt, daß die einzelnen Sekundärlichtquel­ lenpunkte nicht gleichzeitig, sondern sukzessiv auf­ leuchten. Im einfachsten Fall kann dies eine zwischen Laserstrahl und dessen Aufweiteoptik sowie der Sekundär­ lichtquellen-Matrix in Form eines Lochrasters angeord­ nete bewegliche Lochscheibe sein, die sich vorzugsweise dreht und sukzessiv den Lichtweg zu einzelnen Punkten der Lochmatrix freigibt. Stattdessen kann aber auch eine elektrooptische Schalt-Matrix vorgesehen sein oder aber die Sekundärlichtquellen-Matrix nicht als Lochraster oder -matrix, sondern vielmehr als elektrooptische Schalt-Matrix ausgebildet sein, bei der einzelne Punk­ te zum Durchlaß bzw. Sperren des Lichts angesteuert werden können.

Die Loch-Matrix (Pinhole-Matrix) kann ebenfalls in unter­ schiedlicher Weise hergestellt sein, beispielsweise durch mechanisches oder Laser-Bohren oder aber durch lithographi­ sche Bearbeitung von Glas- oder Quarzplatten. Auch andere Materialien und Verfahren zur Herstellung der Matrix sind möglich, wie z. B. die Mikrostrukturtechnik.

Die sukzessive Ansteuerung der einzelnen Sekundärlicht­ quellen (Pinholes der Loch-Matrix) kann aber auch durch Abtasten der Löcher mittels des Laserstrahls erfolgen und zwar zunächst in der unter Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Weise mittels Galvanometerspiegeln, wobei grundsätzlich auch statt zwei Spiegel ein Spiegel, der um zwei nicht übereinstimmende Achsen verschwenkbar ist, vorgesehen sein kann. Obwohl dann ebenfalls mecha­ nisch bewegliche Teile vorgesehen werden, bedingen die­ se keinerlei störenden Einfluß, wie dies bei den bekann­ ten konvokalen Laserscan-Mikroskopen der Fall ist. Dies liegt darin begründet, daß die mechanisch beweglichen Teile nicht zwischen der vom Objekt gesehenen Lichtquel­ le und dem Objekt angeordnet sind, sondern vor den vom Objekt gesehenen punktförmigen Sekundärlichtquellen der Punktlichtquellen-Matrix, die eben aus den genannten elektrooptischen Gründen selbst als (Sekundär-)Licht­ quellen wirken. Auf diese haben mechanische Storungen der Scannereinheit, die im Lichtweg vor ihnen angeord­ net ist, keinen Einfluß. In bevorzugter Ausgestaltung kann darüber hinaus vorgesehen sein, daß zwischen der (Sekundär-)Punktlichtquellen-Matrix und dem Objekt ein Strahlteiler, vorzugsweise in Form eines halbdurchlässi­ gen Spiegels, zum Abtrennen eines Lichtanteils der ein­ zelnen Strahlen als Referenzstrahlen und Detektoranord­ nung für diese Referenzstrahlen vorgesehen sind.

Neben der genannten galvanischen Abtastung mittels Gal­ vanometerspiegeln kann die Abtastung auch mittels Dreh­ prismen, d. h. durch piezoelektrische Materialien erfolgen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnah­ me auf die Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt bzw. zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte erfindungsge­ mäße Weiterbildung der konfo­ kalen Laser-Raster-Mikroskopie;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Erfindungsgegenstandes;

Fig. 3a-e verschiedene Einsatzmöglichkei­ ten der Erfindung;

Fig. 4 Optik und Strahlengang für ei­ ne konkrete Ausführung der Er­ findung;

Fig. 5-9 konkrete Ausgestaltungen für die Beleuchtung bzw. die Reali­ sierung der Punktlichtquellen- Matrix;

Fig. 10-12 prinzipielle Darstellungen zur Realisierung der Empfängerein­ richtung im Rahmen der Erfin­ dung.

Fig. 13 eine Darstellung zur Erhöhung der Punktlichtquellen- bzw. De­ tektordichte über die an sich geometrisch mögliche;

Fig. 14 eine grundsätzliche schemati­ sche Darstellung des Erfindungs­ gegenstands mit verschiedenen Möglichkeiten der Beleuchtung sowie der Beobachtung des Ob­ jekts; Bei der in Fig. 1 dargestellten schematischen Vorrich­ tung ist mit Q eine einzige Lichtquelle, wie ein Laser oder dergleichen bezeichnet. Zur Strahlablängung ist ein XY-Scanner, wie beispielsweise eine Anordnung von Galva­ nometerspiegeln vorgesehen (hierzu auch Fig. 5). Dem XY-Scanner folgt in der dargestellten Ausführungsform unmittelbar ein Mikroskop-Objektiv MO, das zu der Licht­ quelle Q auch eine Objektebene O_oo, O_ÿ abbildet (grundsätzlich können zwischen Scanner und Mikroskop-Ob­ jektiv auch weitere Linsen oder Abbildungsspiegel vorge­ sehen sein). Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs­ form erfolgt die Betrachtung in Durchlicht. Demgemäß sind auf der dem Mikroskop-Objektiv MO gegenüberliegenden Sei­ te der Objektebene O_oo, O_ÿ ein weiteres Mikroskop- Objektiv MO′ nachgeordnet, dem eine Detektorebene mit einer Detektor-Matrix D_oo, D_ÿ folgt (auch hier kön­ nen zwischen MO′ und der Detektor-Matrix weitere Abbil­ dungselemente angeordnet sein). Es ist ersichtlich, daß, wenn statt der Detektor-Matrix D_oo, D_ÿ lediglich eine (Pinhole-)Öffnung (am Ort von D_oo) vorhanden wa­ re, der Objektpunkt O_ÿ hierdurch nicht (konfokal) de­ tektiert werden könnte, da die Abbildungen der Objekt­ punkte (O_oo, O_jj) sich in der Detektorebene an ver­ schiedenen Stellen "zeigen". Durch die Anordnung der De­ tektor-Matrix D_oo, D_ÿ mit der der Anzahl der Scan­ punkte bzw. der Anzahl der abgetasteten Objektpunkte O_oo, O_ÿ entsprechenden Anzahl von Durchbrüchen D_oo, D_ÿ kann eine konfokale Detektion der Objektebene erfolgen. Grundsätzlich kann die Anordnung der Fig. 1 mit einer Lichtquelle Q, einem herkömmlichen XY-Scanner und einer Detektor-Matrix D_oo, D_ÿ auch in Auflicht-Anordnung vorgesehen sein. Hierzu muß dann im Strahlenweg zwischen Objekt O_oo, O_ÿ und einerseits Lichtquelle Q sowie XY-Scanner, andererseits Detektor Matrix D_oo, D_ÿ ein halbdurchlässiger Spiegel unter 45° zur Objektebene angeordnet sein, der beispielsweise die einfallenden Strahlen auf das Objekt reflektiert und die vom Objekt gestreuten Strahlen zur Detektorebene durchläßt oder vice versa.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten Vorrichtung zum Ab­ bilden eines Objekts ist ein Objektträger T, wie ein Mikroskop-Tisch, vorgesehen, auf dem sich das zu beobach­ tende Objekt befindet. Vor dem Objekt ist ein (Mikroskop-) Objektiv MO angeordnet. Mit Abstand zum Objektiv MO unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse A des Objektivs MO bzw. der gesamten Anordnung ist ein halbdurchlässiger Spiegel ST vorgesehen, durch den einerseits das Objekt O von einer Punktlichtquellen-Matrix Q mit in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse A angeordneten Punktlicht­ quelle Q_OO, Q_ÿ beleuchtet wird und von dem anderer­ seits von dem Objekt O gestreutes Licht einer Detektor- Matrix D zugeführt wird. Das Objekt O wird durch die Punktlichtquellen Q_ÿ konfokal beleuchtet, diese wer­ den also auf das Objekt O abgebildet. Es wird jeweils die Objektebene senkrecht zur optischen Achse A betrach­ tet, auf die der Strahl der Punktlichtquellen Q_ÿ fo­ kussiert ist. Um mehrere senkrecht zur optischen Achse A stehenden Objektebenen zu betrachten, kann der Abstand zwischen Objektiv MO und Objekt verändert werden, bei­ spielsweise durch Bewegen des Objektträgers T in Rich­ tung der optischen Achse A. Wesentlich ist, daß die Punktlichtquellen-Matrix Q und die Detektor-Matrix D in Richtungen senkrecht zur optischen Achse relativ zum Objekt O fest angeordnet sind, d. h. die optische Anord­ nung aus Punktlichtquellen-Matrix, Detektor-Matrix und Objektiv fest ist und keine mechanisch beweglichen Ele­ mente aufweist, genauso wenig wie der Tisch, wie gesagt, in der Ebene senkrecht zur optischen Achse A, also ei­ ner beobachteten Objektebene beweglich ist und dement­ sprechend auch nicht bewegt wird.

Dies führt dazu, daß bei der Beobachtung einer Objekt­ ebene keinerlei mechanisch bewegliche Teile zu Störun­ gen führen können, beispielsweise aufgrund ihres mecha­ nischen Antriebs, ihrer Trägheit etc.

Die Position von Punktlichtquellen-Matrix Q und Detek­ tor-Matrix D in der Fig. 2 kann grundsätzlich auch ver­ tauscht sein (Fig. 3a).

Statt der Betrachtung mit Auflicht, wie in den Fig. 2 und 3a dargestellt, kann auch eine Betrachtung in Durch­ licht erfolgen (Fig. 3b). Während grundsätzlich die Beobachtung durch die Detektor-Matrix unmittelbar op­ tisch erfolgen kann, kann im Rahmen der Erfindung auch zusätzlich ein klassisches Mikroskop vorgesehen sein, wie dies schematisch in der Fig. 3c bei einem durch­ sichtigen Objekt unter Einsatz von Doppelauflicht er­ folgt. Grundsätzlich kann auch bei den Ausgestaltungen der Fig. 3a und b durch Einsatz eines (weiteren) teildurchlässigen Spiegels eine Betrachtung mittels über ein klassisches Mikroskop erfolgen.

Die in den Fig. 3d und e dargestellten Doppelauflicht­ methoden dienen insbesondere zum Vergleich zweier Objek­ te.

Die Fig. 4 zeigt den konkreten optischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Punktlichtquellen- Matrix Q sowie die Detektor-Matrix D sind - unter Zwi­ schenschaltung des halbdurchlässigen Spiegels ST - in der Brennebene eines ersten Objektivs O1 angeordnet. Demgemäß werden die von den Punktlichtquellen ausgehen­ den Strahlen parallelisiert. Die Strahlen der Punktlicht­ quellen Q_OO, Q_ÿ werden dann über ein weiteres Objektiv O₂ sowie das Mikroskopobjektiv als Punkte Q′_OO, Q′_ÿ auf die zu untersuchende Objektebene abgebildet. Das von dort gestreute Licht wird durch die Linse O₂ wieder parallelisiert und durch die Linse O₁ auf die Ebene der Detektor-Matrix D abgebildet.

Bei einer ersten Ausgestaltung zur Realisierung der Punkt­ lichtquellen-Matrix Q (Fig. 5) der erfindungsgemäßen Vor­ richtung wird der Strahl eines Lasers L über Linsen O_a, O_b OG mittels Scanner-Spiegeln S₁, S₂ über die Punkt­ lichtquellen-Matrix Q geführt. Die Punktlichtquellen-Matrix Q ist dabei eine Lochplatte mit regelmäßig matrixangeord­ neten Löchern (Pinholes) Q_OO, Q_ÿ. Die Platte kann dabei eine Platte aus üblichem Material sein, die bis auf die Löcher Q_OO, Q_ÿ nicht transparent ist, so kann es sich um eine Metallplatte handeln, in welche die Löcher Q_OO, Q_ÿ als Durchbrüche eingebracht sind, beispiels­ weise durch Bohren. Es kann sich um eine Glasplatte han­ deln, bei der in lithographischer Weise die Loch-Matrix ge­ schaffen wurde. In jedem Fall wirken die Löcher Q_OO, Q_ÿ als Sekundär-Punktlichtquelle, werden also auf­ grund der oben beschriebenen Anordnung vom Objekt als Punktlichtquellen gesehen. Dies ist auch der Grund, daß Ungenauigkeiten der Scanner-Spiegel S₁, S₂ unbeachtlich sind und das Meßergebnis nicht beeinflussen. Im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel sind zwei Scanner-Spiegel S₁, S₂ vorgesehen, die jeweils um eine von zueinander orthogena­ len Achsen verschwenkbar sind, so daß der vom Laser L ausgehende Lichtstrahl senkrecht zur Ebene der Punkt­ lichtquellen-Matrix über diese von einem Loch derselben zu einem anderen bewegt werden kann. Die Scanner-Spie­ gel S₁, S₂ können in beliebiger an sich bekannter Weise ausgebildet bzw. angetrieben sein. Es kann sich um fein positionierbare Galvanometerspiegel handeln. Die Spie­ gel können als drehende Polygone ausgebildet sein. Es können piezo-elektrische oder elektrooptische Ablenk­ einheiten vorgesehen sein. Statt zweier Ablenkeinheiten, wie in der Fig. 4 dargestellt, kann auch eine Ablenk­ einheit S_XY vorgesehen sein, die alleine den Strahl über eine Ebene senkrecht zur optischen Achse vor der Punktlichtquellen-Matrix Q scannen kann (Fig. 6).

Während des Abtastens der Sekundärlichtquellen-Matrix Q in Form der Lochscheibe kann auch vorgesehen sein, daß ein Lichtstrahl, wie ebenfalls der Strahl eines Lasers, durch eine geeignete Optik O_c, O_d aufgeweitet wird, so daß er die gesamte Fläche der Loch-Matrix beleuchtet (Fig. 6). Da das Objekt O gleichzeitig nur von einem Lichtstrahl eines Loches und nacheinander von sämtlichen getroffen werden soll, muß eine Schalteinheit SCH vorgesehen sein, die die Beleuchtung nur eines Loches Q_OO, Q_ÿ der Sekundärlichtquellen-Matrix Q freigibt, die anderen Lö­ cher aber abdeckt. Hierzu kann zusätzlich vor der Sekun­ därlichtquellen-Matrix Q eine angeordnete, bewegliche, bei­ spielsweise sich drehende Lochscheibe U vorgesehen sein, die jeweils nur die Beleuchtung eines Loches der Sekundär­ punktlichtquellen-Matrix Q gestattet, die anderen Durch­ brüche der Matrix aber abdeckt. Beidseitig der Lochschei­ be U sind Linsen-Matrizen L angeordnet, die das durch die Linsen O_c, O_d aufgeweitete Laserlicht auf die Durchbrüche sowohl der beweglichen Lochscheibe U als auch der Sekun­ därpunktlichtquellen-Matrix Q abbilden (Fig. 7).

Statt dieser Ausgestaltung kann auch statt der Loch-Ma­ trix als Sekundarpunktlichtquellen-Matrix Q oder aber zusätzlich zu dieser und dann statt der Lochscheibe U eine geeignete elektrooptische Matrixanordnung vorgese­ hen sein, mittels der einzelne Durchlaßpunkte derart an­ steuerbar sind, daß sie das aufgeweitete Laserlicht hin­ durchlassen, während andere geschlossen sind.

Eine andere Ausgestaltung ist in der Fig. 8 dargestellt. Hier erfolgt die Beleuchtung der Loch-Matrix U durch ei­ ne Laserdioden-Anordung (Laserdioden-Array LDA), bei der die einzelnen Laserdioden einzeln zum Leuchten ansteuer­ bar sind. Zwischen der Laserdioden-Anordnung LDA und der Punktloch-Matrix Q ist eine Strahlumform-Matrix SUA vor­ gesehen, die im wesentlichen ebenfalls eine Linsen-Matrix entsprechend der bei der Fig. 6 erwähnten aufweist, bei­ spielsweise ein mit einer Vielzahl kleiner Linsen gepreß­ tes Teil oder lithographisch bzw. holographisch herge­ stelltes Linsen-Array für die kohärente Bildübertragung sein kann. Durch dieses wird der von einer Laserdiode LD_OO, LD_ÿ jeweils ausgehende Strahl auf das entspre­ chende Loch Q_OO, Q_ÿ der Punktloch-Matrix Q fokussiert.

Dies ist notwendig, da die von einem herkömmlichen La­ serdioden-Array ausgehenden Strahlen in der Regel keine kreissymmetrische Intensitätsverteilung aufweisen, son­ dern vielmehr im Schnitt senkrecht zur Strahlrichtung eher Rechteckform zeigen.

Bei neueren Laserdioden-Arrays, mit kreissymmetrischer Intensitätsverteilung der aus den Laserdioden austretenden Strahlen kann die Umformoptik SUA sowie eine separate Loch- Matrix entfallen. In diesem Falle werden die Punktlicht­ quellen Q_OO, Q_ÿ durch die Austrittsöffnungen der La­ serdioden LD_OO, LD_ÿ, der Laserdioden-Anordnung LDA selbst gebildet (Fig. 9).

Die Detektor-Matrix ist im einfachsten Fall (Fig. 10) eine Fotodioden-Matrix DA.

Stattdessen kann die Detektor-Matrix D ebenfalls eine Loch- Matrix mit Durchbrüchen D_OO, D_ÿ sein, die in gleicher Weise wie die Loch-Matrix Q (mechanisches, Laser-Bohren; lithographisch) hergestellt wurde. In diesem Falle ist hinter der Detektor-Matrix D eine Empfangsoptik aus Linsen O_e, O_f (Fig. 11) (oder eine Lichtwellen-Leiteranordnung) mit einem Lichtempfänger D vorgesehen. Letzterer kann zu­ nächst eine Foto-, Video- oder CCD-Kamera sein. Der Licht­ empfänger kann ein einzelner Detektor D_e sein, in diesem Falle ist eine Datenverarbeitung notwendig, die die zu einem Zeitpunkt empfangene Lichtintensität dem entspre­ chenden Abtastpunkt bzw. der einzelnen Punktlichtquelle der Punktlichtquellen-Matrix zuordnet. Wenn das Abtasten bzw. das Scannen mit hinreichender Geschwindigkeit erfolgt, so kann die Empfängeroptik auch ein herkömmliches Okular zur detekten Beobachtung aufweisen. In diesem Falle ist die Abtastfrequenz lediglich so hoch zu wählen, daß das Auge nicht mehr einzelne angezeigte Bildpunkte unter­ scheiden kann, es soll sich eine Bildwiederholfrequenz von mehr als 50 Hertz ergeben. Bei den elektronischen Aufnahmeverfahren kann zur direkten oder unmittelbaren Beobachtung der aufgenommene Bildpunkt in elektronischer Weise hinreichend festgehalten werden, so daß dem Betrach­ ter immer ein vollständiges Bild gezeigt wird, selbst wenn die Abtastfrequenz geringer liegt. Bei einer Fotokamera kann die Belichtung so lange erfolgen, bis sie bei der gegebenen Filmempfindlichkeit ausreichend ist.

Statt einer Empfängeranordnung mit einer Fotodioden-Ma­ trix, einem einzelnen Detektor (mit zeitlicher und nicht geometrischer Diskriminierung der einzelnen Meßpunkte), einer Video- oder CCD-Kamera können auch matrixartig an­ geordnete einzelne Detektoren D^O, D^ÿ vorgesehen wer­ den. In diesem Falle ist lediglich die Optik O_e, O_f oder Lichtwellen-Leiter hinter der Detektor-Matrix D derart zu wählen, daß sie den durch die einzelnen De­ tektoren D^O, D^ÿ gegebenen Abstände derselben gerecht wird (Fig. 12).

Es kann wünschenswert sein, die Löcher (Pinholes) der Sekundärlichtquellen-Matrix Q bzw. der Detektor-Matrix D hinsichtlich ihrer Größe und ihres Abstandes so zu wäh­ len, daß ihr Durchmesser gleich oder größer des gewünsch­ ten Mittelpunktabstandes ist. Dann wären auf einem der­ artigen Lochblendenträger keine diskreten Löcher mehr nebeneinander anordbar. Es können sich auch andere Si­ tuationen aus praktischen Gründen ergeben, bei denen die Punktlöcher (Pinholes) nicht mit der gewünschten Dichte nebeneinander anordbar ist. Für diesen Fall schlägt die Erfindung die schematisch in Fig. 13 dargestellte Aus­ führung vor. Diese zeigt zur besseren Veranschaulichung leidiglich eine Auftrennung der Löcher von Sekundärlicht­ quellen-Matrix Q und Detektor-Matrix D in einer Richtung senkrecht zu den auf die Punktlöcher auffallenden Strah­ len. Da die Punktlöcher auf den Matrizen zweidimensional angeordnet sind, müssen auch die senkrecht zu der Blatt­ ebene der Fig. 12 nebeneinander angeordneten Punktlöcher in der noch zu beschreibenden Weise aufgelöst bzw. ge­ trennt werden. Dies kann durch halbdurchlässige Spiegel (wie sie noch erläutert werden) geschehen, die unter ei­ nem Winkel von 45° zur Blattebene der Zeichnung angeord­ net sind.

Der Fig. 13 ist zu entnehmen, daß der von einer Pri­ mär-Lichtquelle, wie einem Laser kommende Strahl S, mag er in der oben beschriebenen Weise aufgespalten oder ab­ gelenkt sein (Fig. 3 bis 6) über die Linse O_g zu­ nächst auf einen halbdurchlässigen Spiegel ST1 gerich­ tet wird. Unter Winkeln von 45° zu diesem und damit un­ ter einem Winkel von 90° zueinander sind zwei Sekundär­ lichtquellen-Matrizen Q1, Q2 angeordnet, deren Lochab­ stand (in der dargestellten Richtung) doppelt so groß ist, wie der der gewünschten eigentlichen Sekundärlicht­ quellen-Matrix Q, wobei die Löcher jeweils um die Hälfte des Abstandes jeder der Matrizen Q1, Q2 versetzt sind.

In der Richtung senkrecht zur Papierebene erfolgt bei der realen Ausgestaltung einer solchen Anordnung selbst­ verständlich ebenfalls eine solche Lochabstandverände­ rung in ähnlicher Weise, wie schon vorstehend erwähnt. Dies führt dazu, daß beispielsweise der Strahl S1 durch ein Loch der Matrix Q1 gerichtet wird, während der Strahl S2, der zu einem späteren Zeitpunkt auf dem (Objekt- Tisch OT) gerichtet werden soll, durch ein Loch der Ma­ trix Q2 fällt. Anschließend werden die Strahlen (die selbstverständlich tatsächlich nicht gleichzeitig, son­ dern sukzessiv nacheinander auf das Objekt gerichtet wer­ den) wieder vereinigt, so daß sie als Parallelstrahl auf das Objekt O fallen (wie in Fig. 13 ersichtlich ist). Die Detektor-Matrix D kann in gleicher Weise aus Teil- Matrizen D1, D2, . . . (auch hier ist die zweidimensio­ nale Anordnung der Punktlöcher zu berichtigen) bestehen, wobei auch hier wiederum ein halbdurchlässiger Spiegel ST2 sowie Spiegel SP und SP4 verwendet werden, um die vom Objekt gestreuten Strahlen trotz des Durchgangs durch die unterschiedlichen Matrizen D1, D2, . . . wieder zu vereinen, so daß sie gegebenenfalls auf einen einzigen Detektor fallen können. Insgesamt wird also durch diese Ausgestaltung eine größere Dichte der optischen bzw. Lichtrasterpunkte erreicht, als dies aus mechanischen Gründen möglich wäre, wenn man lediglich eine einzige Sekundärlichtquellen-Matrix bzw. Detektor-Matrix verwen­ den würde.

Bei der gegebenen Anordnung kann ein vom halbdurchlässi­ gen Spiegel ST1 ausgehender Halbstrahl HS als Referenz­ strahl für Vergleichszwecke verwendet werden.

Es ist möglich, auf eine Vereinigung der von Spiegel SP3 und SP4 ausgehende Strahlen zu verzichten. In diesem Fall sind zwei Detektoren erforderlich.

In der Fig. 14 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit verschiedenen Beleuchtungsverfahren und verschiedenen Detektormethoden noch einmal schematisch dargestellt. Die Beleuchtung kann von einem Laser (mittels A) durch Aufweitung oder über einem X-Y-Scanner Sc in den be­ schriebenen Ausgestaltungen erfolgen. Es kann eine Be­ leuchtung durch ein Laserdioden-Array LDA vorgesehen sein. In beschriebener geeigneter Weise erfolgt eine Strahltransformation (über SCH) derart, daß das Objekt lediglich durch eine Punktlichtquelle der Punktlicht­ quellen-Matrix Q beleucht wird. Diese wird dann über den halbdurchlässigen Spiegel ST sowie das Mikroskopobjek­ tiv MO auf das Objekt O abgebildet. Der von diesem ge­ streute Strahl tritt durch die Detektor-Matrix D, unter­ liegt gegebenenfalls ebenfalls einer Strahltransforma­ tion und kann dann in geeigneter Weise aufgenommen wer­ den, nämlich direkt über ein Okular, eine Fotokamera, eine Video- oder CCD-Kamera, einen Detektor D oder eine Detektoranordnung DA.

Bei den bevorzugten Ausgestaltungn ist wesentlich, daß zwischen der Punktlichtquellen-Matrix Q (und der Detek­ tor-Matrix D) einerseits sowie dem Objekt O bzw. dem Ob­ jektträger OT während des Abtastens, das in der Ebene senkrecht zur optischen Achse A erfolgt, eben in dieser Ebene keine mechanischen Bewegungen durchgeführt werden, so daß zwischen Punktlichtquellen-Matrix Q (und Detektor- Matrix) und Objekt ein stabiler konvokaler Strahlengang gegeben ist. Zur konfokalen Detektion sind (Blenden-) Öffnungen auf der Detektionsseite erforderlich, auf die abgebildet wird. Diese Öfnungen können im Spezialfall (Fig. 10) identisch mit eigenen Detektoren sein. Es reicht insbesondere nicht ein Objekt konfokal zu be­ leuchten, sondern es kommt darauf an, daß eine konfoka­ le Detektion gesichert ist, die eine dreidimensionale Rekonstruktion ermöglicht.

Claims (26)

1. Verfahren zum Abbilden eines Objekts, wobei einzel­ ne Punkte das Objekts sukzessiv durch mindestens eine Punktlichtquelle konfokal beleuchtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt durch eine Detektor- Matrix mit mehreren Blenden (Pinholes) betrachtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt sukzessiv durch eine Vielzahl von Punktlichtquellen einer Punktlichtquellen-Matrix beleuchtet wird und durch eine Detektor-Matrix mit jeweils den Punktlichtquellen zugeordneten Blenden beobachtet wird, wobei das Objekt sowie sämtliche optischen Elemente im Strahlengang zwischen diesem und der Punktlichtquellen-Matrix sowie der Detektor- Matrix, einschließlich beider, in Richtungen senk­ recht zur optischen Achse der Anordnung beim Auf­ treffen des Lichts auf das Objekt relativ zueinander festgehalten werden.

3. Vorrichtung zum Abbilden eines Objekts mit einem Objektiv, wobei einzelne Punkte des Objekts sukzes­ siv durch mindestens eine Lichtquelle konfokal be­ leuchtet werden, gekennzeichnet durch eine Detek­ tor-Matrix (D) mit einer Vielzahl von Detektor- Blenden (Pinholes) in vom Objekt (O) ausgehenden Lichstrahlengang.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Beleuchtung des Objekts (O) eine Punkt­ lichtquellen-Matrix (Q) mit einer Vielzahl einzelner Punktlichtquellen (Q_OO, Q_ÿ) vorgesehen ist, daß Einrichtungen zum sukzessiven Einschalten der Punkt­ lichtquellen vorgesehen sind, daß im vom Objekt (O) ausgehenden Strahlengang eine Detektor-Matrix (D) angeordnet ist und daß das Objekt (O) und sämtliche optischen Elemente zwischen Punktlichtquellen-Matrix (Q) und Detektor-Matrix (D) einschließlich derselben in Ebenen senkrecht zur optischen Achse (A) des Ob­ jektivs (UO) fest und unbeweglich angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Punktlichtquellen-Matrix (D) eine Laser­ dioden-Anordnung (Laserdioden-Array - LDA) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Punktlichtquellen-Matrix (D) eine Sekun­ därlichtquellen-Matrix ist, daß auf der dem Objekt abgewandten Seite eine Anordnung zur gleichzeiti­ gen flächigen Beleuchtung der Sekundärlichtquellen- Matrix vorgesehen ist und daß der Einrichtung zur flächigen Beleuchtung der Sekundärlichtquellen­ Matrix eine Schalteinrichtung (SCH) zum sukzessiven Einschalten einzelner Sekundärlichtquellen nachgeord­ net ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schalteinrichtung (SCH) zwischen der Einrichtung zur vollflächigen Beleuchtung der Se­ kundärlichtquellen-Matrix und dieser angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sekundärlichtquellen-Matrix als Schalt­ einrichtung zum Durchschalten einzelner Sekundär­ lichtquellen ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (SCH) eine matrixförmige individuell schaltbare elektrooptische Schalteinrichtung ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Punktlichtquellen-Matrix (Q) eine Se­ kundärlichtquellen-Matrix in Form mindestens eines Lochrasters ist und daß dieser Matrix (Q) eine Licht­ quelle (L) sowie eine Abtasteinrichtung zum sukzes­ siven Ansteuern der einzelnen Löcher des Lochrasters vorgeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Abtasteinrichtung mindestens einen Drehspiegel (S) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spiegel in zwei zueinander orthogona­ len Richtungen verschwenkbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Laser und Lochraster zwei Spiegel angeordnet sind, die je­ weils um eine Achse verschwenkbar sind, wobei dieeAchsen nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spiegel galvanisch bewegt werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ablenkeinrichtung eine piezo-elektri­ sche Ablenkeinrichtung ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strahlablenkeinrichtung eine elektro­ optische Ablenkeinrichtung ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strahlablenkeinrichtung ein Dreh­ prisma ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sekundärlichtquellen- Matrix (Q) durch zwei, vier oder mehrere Lochraster (Q1, Q2 . . .) gebildet wird, wobei die Löcher je­ weils eines Lochrasters (Q1) zu denen jeweils eines anderen Lochrasters (Q2) derart versetzt angeordnet sind, daß aufeinanderfolgende Strahlen jeweils suk­ zessiv durch ein Loch jeweils eines Rasters (Q1, Q2) hindurchtreten.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektor-Matrix (D) eine Fotodioden-Matrix (Foto-Dioden-Array - DA) ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Matrix (D) ein Lochraster ist, dem eine Empfangsoptik nachge­ ordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die Detektor-Matrix (D) durch vier oder mehrere Lochraster (D1, D2 . . .) gebildet wird, wobei die Löcher jeweils eines Lochrasters (D1) zu denen jeweils eines anderen Lochrasters (D2) derart versetzt angeordnet sind, daß aufeinander­ folgende Strahlen jeweils sukzessiv durch ein Loch jeweils eines Rasters (D1, D2) hindurchtreten.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Empfangsoptik ein Okular auf­ weist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Empfangsoptik eine Kamera aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Empfangsoptik einen einzelnen oder mehrere Detektor(en) aufweist, der mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Empfangsoptik eine matrixför­ mige Anordnung einzelner Detektoren aufweist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Detektor- Matrix über einen Strahlteiler ein konventionelles Mikroskop-Okular vorgesehen ist.