DE60028813T2

DE60028813T2 - Autofokus-z-tisch

Info

Publication number: DE60028813T2
Application number: DE60028813T
Authority: DE
Inventors: R. Matthew Saint Paul ATKINSON; B. Orlin Saint Paul KNUDSON
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: US6548795B1; AU4228900A; JP2003512655A; WO2001029836A1; EP1234304A1; US20030197112A1; US6717124B2; DE60028813D1; JP4199455B2; EP1234304B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft automatische Fokussiersysteme und insbesondere das besonders schnelle Fokussieren optischer Abtastsysteme.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Mit der Entwicklung kombinatorischer Chemie- und Bioanalysen erlangt das automatische Abbilden besondere Bedeutung. Mit solchen Systemen, wie sie etwa in der WO 99/08233 und der WO 98/47006 offenbart werden, lässt sich eine große Vielfalt von Tests durchführen. Einige dieser Tests, insbesondere solche, die auf Fluoreszenz und reflektiertem Licht basieren, benutzen konfokale Systeme, wie etwa die in der US 5,900,949 offenbarten. Bei einem solchen System wird Licht durch die Optik des Systems gelenkt, um eine Probe dazu anzuregen, zu fluoreszieren oder zu phosphoreszieren oder schlicht das Licht zu reflektieren. Die Erfassung des resultierenden emittierten, reflektierten oder gestreuten Lichts erfolgt dann entweder durch ein separates optisches System seitlich der Lichtquelle, wie in der US 5,900,949 gezeigt, oder durch Reflexion oder Emission zurück durch dasselbe ursprüngliche optische System wie die Lichtquelle, mittels eines halbdurchlässigen Spiegels oder eines dichroitischen Strahlteilers.
Bei einem typischen Abtastsystem (in 1 veranschaulicht) bewegt sich ein fokussierter Lichtstrahl über eine Probe, und das resultierende Reflex- oder Fluoreszenzlicht wird erfasst. Ein Fluoreszenzsystem umfasst typischerweise eine Lichtquelle 10 mit der passenden Wellenlänge λ_anr, um die Probe oder einen Farbstoff in der Probe anzuregen. Dieses Licht wird durch die Quellenoptik 12 fokussiert und von dem Spiegel 14 über die Abtastlinse 26 auf die Probe 16 abgelenkt. Licht, das fluoresziert oder von der Probe reflektiert wird, kehrt über den halbdurchlässigen Spiegel oder den dichroitischen Strahlteiler 15 zur Erfassungsoptik 18 zurück.
Alternativ hierzu kann das Emissions- oder Fluoreszenzlicht von der Seite des Systems aus erfasst werden, wie in der US 5,900,949 gezeigt. Licht, das durch die Erfassungsoptik 18 läuft, wird dann unter Verwendung eines CCD oder eines dazu äquivalenten Elements 20 erfasst, dessen Ausgabe dem Computer 22 zur Analyse bereitgestellt wird. Der Motor 24 wird benutzt, um den Spiegel 14 zu bewegen, um die Probe 16 mit dem Anregungsstrahl zu überstreichen. Der Anregungsstrahl, der Motor, die Optik und der Rest des Systems werden dann von dem Computer 22 gesteuert, um relevante Abschnitte der Probe 16 zu überstreichen.
Bei einem echten konfokalen System weist das System Licht ab, das nicht im Wesentlichen fokussiert ist. Wie in 2 veranschaulicht ist, wird das Licht in einem solchen konfokalen System typischerweise von dem Spiegel 14 durch die Abtastlinse 26 abgelenkt. Ein konfokales System weist typischerweise eine sehr geringe Schärfentiefe d auf, wie in 2 veranschaulicht ist. Die Probe 16 befindet sich für eine den Abtastbereich überstreichende Abtastung der Probe 16 im Abtastfeld 29, das heißt auf der Schärfentiefe d. Die Brennweite des Systems ist f, und die relativen Größen der Werte lauten f >> d >> λ. Der Abtastbereich kann abhängig vom System von einigen Dutzend Mikrometern bis zu Zentimetern variieren.
Für eine wirklich flache und ebene Oberfläche wird bei einem konfokalen System keine weitere Fokussierung entlang der positiven oder negativen z-Achse (nach oben oder unten, wie in 2 gezeigt) mehr benötigt, nachdem das Sammelsystem und die Linse in Fokus gebracht worden sind. Beim Durchfahren des Lichtstrahls wird davon ausgegangen, dass das System dergestalt konstruiert ist, dass Drehungen des Spiegels 14 den Lichtstrahl nicht aus der nominalen Fokusebene herausbewegen, d.h., dass das Abtastfeld 29 in dem Bereich, in dem sich die Probe befindet, im Wesentlichen eben ist.
Offensichtlich muss die Probe während einer Abtastung kontinuierlich im Fokus gehalten werden. Ein Verfahren hierfür bringt die Probe nur einmal automatisch oder manuell unter einem stationär fokussierten Strahl in Fokus und überstreicht anschließend die Probe, indem es diese auf einer x-y-Translationsplattform bewegt. Der Abstand zwischen Probe und Objekt bleibt dann konstant, da sich die Probe während der Abtastung nicht nach oben oder unten bewegt. Dieses Verfahren wird von mehreren Herstellern von Abbildungssystemen benutzt.
Autofokussysteme für optische Abtaster benutzen oftmals ein halbseitig blockiertes Verfahren oder Verdeckungsverfahren, um die Probe in Fokus zu bringen, wie es in 3a bis 3c gezeigt ist und im Einzelnen im Abschnitt 31.4 des „Handbook of Optics", Bd. 1, der Optical Society of America, veröffentlicht von McGraw Hill (1996, auf CD-ROM), beschrieben wird. Bei einem solchen System läuft Licht 41, das von der Probe 16 reflektiert oder emittiert wird, durch eine Linse 26. Das meiste die Linse 26 durchlaufende Licht wird dann zur Analyse zur Erfassungsoptik geleitet, doch ein wenig Licht wird, wie in 1 gezeigt, von einem Strahlteiler 40 mit geringem Reflexionsgrad zu dem Autofokussiersystem 42 geleitet, das in den oberen Abschnitten von 3a, 3b, 3c näher gezeigt ist. (Der Übersichtlichkeit halber wurde der Strahlteiler 40 aus den 3a, 3b, 3c weggelassen.)
Falls sich die Probe 16, wie in 3b gezeigt, im Fokus befindet, wird das Licht 41 kollimiert, so dass das die Linse 46 durchlaufende Licht 47 korrekt auf den Brennpunkt 49 fokussiert wird. Falls sich die Probe 16 zu weit von der Linse 26 weg befindet (in negativer z-Richtung), neigt das Licht 41, wie in 3a gezeigt, dazu, zu sehr zu konvergieren. Falls sich die Probe 16 zu nahe an der Linse 26 befindet (in positiver z-Rich tung), neigt das Licht 41, wie in 3c gezeigt, dazu, zu sehr zu divergieren.
Bei einem typischen Autofokussiersystem wird die Hälfte des Lichtstrahls 41 von einer Schneide 44 blockiert. Der verbleibende Lichtanteil 41 läuft durch die Linse 46, wird zu Licht 47 und trifft auf den Photodetektor 48 auf. Der Photodetektor 48 weist typischerweise Hälften A, B auf, die um den Brennpunkt 49 des Photodetektors 48 zentriert sind, wobei jede Hälfte A, B als unabhängiger Nachweisbereich dient.
Bei korrekter Fokussierung trifft das Licht 47, wie in 3b gezeigt, zwischen den Hälften A, B auf die Mitte 49 des Photodetektors 48 auf, oder es trifft zumindest in gleichem Maße auf die Hälften A, B auf. Wenn die Probe 16 im Gegensatz hierzu, wie in 3a gezeigt, zu weit von der Linse 26 entfernt ist, trifft auf den Photodetektorabschnitt B mehr Licht 47 auf als auf A, und wenn entsprechend die Probe 16, wie in 3c gezeigt, zu nahe an der Linse 26 ist, trifft auf den Photodetektor A mehr Licht 47 auf als auf B. Daher kann die Position der Probe 16 relativ zur Linse 26 durch Analyse der relativen Signalstärken bestimmt werden, die von den Photodetektorabschnitten A bzw. B generiert werden. Dies kann durch jedes geeignete Verfahren erfolgen, erfolgt jedoch günstigerweise durch Subtrahieren der Werte der Ausgaben der beiden Abschnitte A und B des Photodetektors in der Schaltung 51, um ein Fokusfehlersignal (FFS) 50 zu generieren.
Theoretisch zeigt der Absolutwert des FFS 50 den Abstand an, um welchen die Probe 16 defokussiert ist, und ein positiver oder negativer Wert des FFS 50 zeigt die Richtung an, in welche die Probe 16 defokussiert ist. Wenn die Probe 16 fokussiert ist, trifft das Licht 47 entweder auf die Mitte 49 des Photodetektors auf, oder es ist mindestens gleichmäßig auf den Abschnitt A und den Abschnitt B verteilt, mit dem Ergebnis, dass der Wert des FFS 50 gleich 0 ist und keine z-Achsen-Anpassung benötigt wird (es versteht sich, dass der Wert nicht exakt gleich 0 sein muss – ein gewisser Bereich um 0 herum wird normalerweise als zu 0 äquivalent betrachtet werden). Falls (wie in 3a gezeigt) mehr Licht 47 auf die Hälfte B des Detektors auftrifft, ist das FFS 50 ein positives Signal, was anzeigt, dass die z-Translationsplattform in negative z-Richtung abweicht und in positiver z-Richtung verschoben werden muss, um das System zu fokussieren. Falls die Probe 16 zu nahe bei der Linse 46 ist, trifft auf A mehr Licht 47 auf als auf B, und das FFS 50 ist negativ, was anzeigt, dass die Plattform in positiver z-Richtung defokussiert ist und in negativer z-Richtung verschoben werden muss, um das System zu fokussieren. Z-Achsen-Translationsplattformen, die auf diese Weise auf ein solches FFS-Signal ansprechen, sind im Handel erhältlich.
Die US 5,033,856 offenbart ein Gerät zum automatischen Fokussieren auf ein Objekt unter Verwendung einer Schneide und eines Sensors, umfassend ein Array aus Detektoren, das in zwei Zonen unterteilt ist, wobei die Ausgaben der individuellen, in verschiedenen Radien angeordneten Sensorsegmente verglichen werden, um auf diese Weise ein Fokussiersignal zu generieren, um das optische System mechanisch in axialer Richtung (z-Richtung) zu verschieben und dadurch zu fokussieren.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei der Arbeit mit neuen Materialien zum Halten von Proben sahen sich die Erfinder mit Problemen bei der Fokussierung von Systemen nach Stand der Technik konfrontiert, wenn die Probenfläche selbst signifikant wellenförmig verläuft. Wenn, wie in 4 veranschaulicht, die Oberfläche der Probe 16 nicht glatt ist, können Abschnitte der Oberfläche defokussiert sein, obwohl die Probe 16 als Ganzes in demselben Abstand zur Linse 26 bleibt. Dies kann sowohl Abtastsysteme mit durchfahrendem Strahl auch Systeme durchfahrender Plattform betreffen.
Im Speziellen veranschaulicht 4 einen Satz von DNA-Oligonukleotid-Proben 30, die auf der Oberfläche des Substrats 16 aufgebracht sind. Bei solchen Proben handelt es sich oftmals um chemische Systeme, die mit immobilisierten, abgehackten DNA-Fragmenten kombinieren, um die Anwesenheit oder Abwesenheit diverser DNA-Strukturen zu identifizieren.
Wie aus 4 ersichtlich ist, gibt es dort eine Basishöhe h, bei welcher es sich um die minimale Dicke des Substrats handelt, aber es gibt auch eine Höhenschwankung Δh der Substratoberfläche. Abhängig von dem benutzten Substrat kann Δh beträchtlich größer sein als die Schärfentiefe d für den fokussierten Lichtstrahl 34. Infolgedessen können DNA-Proben 30 selbst ohne vertikale Bewegungen des Substrats 16 einmal fokussiert und einmal defokussiert sein.
Ein solcher wellenförmiger Verlauf von Substraten lässt sich minimieren, was jedoch in der Regel eine aufwendige Bearbeitung oder die Benutzung ziemlich teurer Materialien wie Siliziumwafern oder Glas erforderlich macht. Kostengünstige Materialien, wie die in der WO 99/53319 gelehrten, neigen in besonderem Maße dazu, derartige wellenförmig verlaufende Oberflächen aufzuweisen, aber dennoch ist es höchst erstrebenswert, solche Materialien einzusetzen.
Daher muss, falls, wie in 4 gezeigt, die Höhenschwankung Δh der Probenoberfläche größer als die Schärfentiefe d ist, ein System eingerichtet sein, um die Proben 30 innerhalb der Schärfentiefe d zu halten, da andernfalls Bereiche des Bildes in einem nicht konfokalen System verschwommen bzw. in einem konfokalen System dunkel erscheinen werden. Ein solches System muss dazu befähigt sein, leicht auf unterschiedliche Tiefen nachzufokussieren, aber gleichzeitig muss das System extrem schnell sein. Dies kann durch Bewegen der Fokussierlinse erfolgen, doch meistens erfolgt es durch Bewegen der Plattform, bei welcher es sich um eine piezoelektrische Plattform, eine auf einer Zylinder- oder Sprechspule befestigte Plattform oder eine Translationsplattform handeln kann. Auf jeden Fall spricht die Position der Plattform auf die Ausgabe des Computers an.
Die Schwierigkeit besteht in der Anzahl der erforderlichen Nachfokussierungen. Um beispielsweise ein 512 auf 512 Pixel großes Bild (einen Rahmen) in fünf Sekunden aufzunehmen, darf die Autofokusänderung zwischen den einzelnen Pixeln nicht mehr als 19 Mikrosekunden dauern (5 Sekunden geteilt durch 512 mal 512 Pixel). Dies macht ein extrem schnelles Autofokussiersystem erforderlich.
Die Erfinder haben erkannt, dass in der Praxis der Absolutwert des FFS nur dann den Abstand anzeigt, um welchen die Probe defokussiert ist, wenn die Probe nicht zu weit defokussiert ist. Falls die Probe zu weit defokussiert ist, kann immer noch aus dem positiven oder negativen Wert des FFS die Richtung bestimmt werden, aber der Abstand zu der korrekten Fokuslage kann nicht exakt bestimmt werden, da das FFS gesättigt wird, d.h., dass das FFS ein Plateau erreicht. Wenn das FFS gesättigt ist, gibt der Absolutwert des FFS lediglich das Sättigungsniveau an und zeigt nicht mehr den Abstand zum korrekten Brennpunkt an. Das System oder der Bediener muss dann „raten", um wie viel die Probe zu bewegen ist, um sie zu fokussieren, d.h., die Probe muss um einen willkürlichen Betrag bewegt werden. Falls die erste Bewegung nicht weit genug war, muss ein weiteres Mal geraten werden; wenn sie dagegen zu weit war, kann eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung notwendig werden. Dieses wiederholte Raten schränkt die Geschwindigkeit, mit der das System beim Überstreichen eines Punktes nach dem anderen nachfokussieren kann, erheblich ein.
Daher schafft die vorliegende Erfindung ein einheitlich schnelles Fokussieren, indem ein halbseitig blockiertes Autofokussiersystem mit einer Variation der auf die Probe gelenkten Lichtmenge kombiniert wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vollbringt ein schnelles Fokussieren, indem sie bestimmt, ob das FFS nicht eindeutig ist, und, falls das FFS nicht eindeutig ist, die den Photodetektor erreichende Lichtmenge modifiziert. Im Speziellen wird, falls das FFS nicht eindeutig ist, der Durchmesser oder die Fläche des Lichtstrahls um einen festgelegten Betrag reduziert. Dies hebt die Sättigung des FFS auf und erlaubt es dem System, die Linse oder die Probe schnell in eine relativ nahe an dem optimalen Brennpunkt gelegene Lage zu bewegen. Dann kann der Durchmesser oder die Fläche des Lichtstrahls wieder erhöht und die Endfokussierung durchgeführt werden.
Ferner können beide Ausführungsformen kombiniert werden, um den Abstand zu maximieren, über welchen das System schnell fokussieren kann.
Bei jeder der obigen Ausführungsformen besteht das Ergebnis in einem zweistufigen Prozess, der vergleichsweise schnell, und im Mittel deutlich schneller als bei Ausführung mit einem herkömmlichen halbseitig blockierten System alleine, fokussieren kann. In Kombination mit einer sehr schnellen z-Plattformsteuerung, wie etwa einem piezoelektrischen, schnell ansprechenden System, und geeigneten schnellen elektronischen Steuerschaltungen oder geeigneter schneller Steuersoftware kann das System die für Abtastsysteme erwünschte schnelle Ansprechzeit erzielen.
Es versteht sich, dass, wenn man einen solchen schnel len Autofokus hat, billigere Substrate mit wellenförmig verlaufenden Oberflächen benutzt werden können und dennoch gleichzeitig eine schnelle Bildaufnahme des resultierenden Produkts möglich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines typischen optischen Abtastsystems nach Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung des Abtastabschnitts des optischen Abtastsystems aus 1,
3a, 3b und 3c schematische Darstellungen eines typischen halbseitig blockierten Fokussiersystems nach Stand der Technik in unterschiedlichen Fokussierstadien,
4 eine schematische Darstellung einer möglichen von einem optischen Abtastsystem zu überstreichenden Probe im Querschnitt,
5a, 5b schematische Darstellungen des halbseitig blockierten Fokussiersystems aus 3a, 3b, 3c, das gemäß einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert wurde,
6 ein Schaubild des Fokusfehlersignals über dem Betrag der Brennweitenabweichung für die Fokussiersysteme aus den 3a, 3b, 3c bzw. 5a, 5b und
7 eine schematische Darstellung des halbseitig blockierten Fokussiersystems aus 3a, 3b, 3c.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Einfach gesagt haben die Erfinder erkannt, dass das Problem mit den vorherigen halbseitig blockierten Systemen auftritt, weil das FFS gesättigt ist. Die vorliegende Erfindung schafft daher einen Mechanismus, um die Fläche des auf die Photodetektoren einfallenden Lichts zu reduzieren und dadurch den Aufnahmebereich, in dem das System korrekt arbeitet, auszuweiten.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 5a, 5b gezeigt. In 5a, 5b sind Elemente, die zu Elementen in 3a, 3b, 3c analog sind, mit denselben Nummern und einem Strich (') bezeichnet.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird zwischen der Linse 26' und der Schneide 44' eine Irisblende 52 aufgenommen, die sich bevorzugt näher an der Linse 46' als an dem Strahlteiler 40 befindet, um ein Interferieren mit dem durch die Hauptoptik 18 laufenden Licht zu verhindern. Wenn die Irisblende 52 voll geöffnet ist, wie in 5a gezeigt, erreicht alles Licht 47', das zuvor in 3a, 3b, 3c den Photodetektor 48 erreicht hätte, auch weiter den Photodetektor 48'. Wie die Erfinder erkannt haben, liegt, falls die Probe 16' zu weit defokussiert ist, der Absolutwert des FFS 50' über einem festgelegten Wert, der angibt, dass das FFS 50' gesättigt oder nahezu gesättigt ist. Wenn dies auftritt, generiert der Computer 22' ein (digitales oder analoges) Lichtreduktionssignal, um die Iris 52 wie in 5b gezeigt zu verengen, um die den Photodetektor 48' erreichende Lichtmenge zu reduzieren.
Die Auswirkungen des Bereitstellens und Benutzens der Irisblende 52 auf diese Weise können anhand 6 gezeigt werden. Die Ansprechkurve 60 in 6 ist ein Schaubild, in dem die Stärke des FFS 50 (aus 3a, 3b, 3c) über dem Abstand aufgetragen ist, um den die Probe 16 defokussiert ist. Das Beispiel in dem Schaubild benutzt eine Abtastlinse 26 mit einer Brennweite von 5 cm, eine Lichtwellenlänge von 488 nm, einen Strahldurchmesser am Objektiv von 2 mm, einen nominalen Abstand von der Abtastlinse 26 durch die Abtastoptik zur Linse 46 von 1 cm und eine Apertur an der Detektorlinse 46 von 2 mm, und der Ausgang des FFS 50 ist auf ±1 normalisiert. Innerhalb eines Aufnahmebereichs 61, der sich bis ungefähr ±500 μm von der (im Schaubild bei 0 gezeigten) korrekten Fokuslage erstreckt, stellt die Schaltung 51 dergestalt eine Ausgabe bereit, dass der Absolutwert des FFS 50 ein guter Indikator für den Abstand von der korrekten Fokuslage ist. Über ungefähr ±500 μm hinaus nähert sich das FFS 50 der Sättigung und wird dann gesättigt, und der Absolutwert des FFS 50 gibt nicht mehr den Abstand von der korrekten Fokuslage an. Infolgedessen beträgt der effektive Aufnahmebereich 61 für das System geringfügig weniger als ±500 μm von der korrekten Fokuslage.
Man vergleiche dies mit der Ansprechkurve 62, bei der es sich um ein Schaubild des FFS 50' aus 5b mit verengter Irisblende 52 handelt, so dass die Apertur an der Detektorlinse 46' 1 mm beträgt, um den Durchmesser des den Photodetektor 48' erreichenden Lichtstrahls 47' im Vergleich zu dem System für die Ansprechkurve 60 um 50% zu reduzieren. Der Aufnahmebereich 63 der Ansprechkurve 62 ist bis zu ungefähr ±2500 μm, oder ungefähr dem Fünffachen der Größe des Aufnahmebereichs 61, exakt. Dies schafft einen wesentlich weiteren Bereich, über den hinweg das System sowohl die richtige Richtung als auch den Betrag bestimmen kann, um den die z-Plattform bewegt werden muss, um die Probe zu fokussieren. Nachdem dieser Schritt ausgeführt worden ist, kann die Irisblende 52 wieder geöffnet und die Feinfokussierung unter Verwendung des vollen einfallenden Lichtstrahls ausgeführt werden.
Das Element, welches das durchgelassene Licht redu ziert, braucht keine Irisblende 52 zu sein, vielmehr kann die Lichtreduktion durch jeden geeigneten Mechanismus vollbracht werden, etwa durch bewegliche Prismen oder Materialien, wie etwa segmentierte Ringe von Flüssigkristallen, die elektromagnetisch gesteuert werden können, um die Lichttransmission zwischen der Probe 16' und dem Photodetektor 48' zu regeln. Außerdem wurde die Irisblende 52 zwar zwischen der Linse 26' und der Schneide 44' angeordnet gezeigt, doch es versteht sich, dass die Irisblende 52 irgendwo zwischen der Probe 16' und dem Photodetektor 48' angeordnet werden könnte. Die Anordnung des Lichtreduktionselements zwischen der Linse 26' und der Schneide 44' bietet jedoch den Vorteil, dass der gesamte Photodetektor 48' benutzt werden kann, während eine Anordnung näher bei dem Photodetektor 48' einen Teil des Photodetektors 48' blockieren könnte.
In Fällen, bei denen das System extrem defokussiert ist, ist es möglich, dass selbst das vorliegende System das System nicht nahe genug an die optimale fokussierte Lage heranbringen könnte, um beim erneuten Öffnen der Irisblende 52 eine Sättigung zu vermeiden. Dies könnte dann zu einer Schwingung von Auflösungsmodi führen, die zwischen verengter Irisblende und geöffneter Irisblende hin und her springen. Um dies zu verhindern, kann die Iris 52 von einem Schrittmotor oder einem kontinuierlichen Motor angesteuert werden, um mehrere Aperturgrößen (oder sogar eine kontinuierliche Variation derselben) zu ermöglichen, so dass die Irisblende 52 von einer Aperturgröße zur nächsten bewegt werden kann, bis sich das System nahe genug beim Fokus befindet, um den vollen einfallenden Lichtstrahl akzeptieren zu können. Alternativ hierzu kann ein Softwarehysteresesystem benutzt werden, um aufeinanderfolgende Schwingungen einzudämmen. Diese Verfahren können zwar mehrfache Schritte erforderlich machen, wären jedoch immer noch gegenüber dem Versuch zu bevorzugen, dasselbe lediglich mit dem klassischen halbseitig blockierten System zu tun.
In 7 werden Elemente, die analog zu den in 3a, 3b, 3c gezeigten Elementen sind, mit denselben Zahlen und einem doppelten Strich ('') gezeigt.
Im Gegensatz zu den Hälften A, B des Photodetektors 48, die sich von der Fokusmitte 49 bis zum Außenrand des Photodetektors erstreckten, sind die analogen, in 7 gezeigten Elemente des Photodetektors 48'' in eine Reihe aus Elementen A_–n, ..., A_–1, A₀, B₀, B₊₁, ..., B_+n unterteilt. Jedes Element agiert selbständig und ist an seine eigene FFS-Schaltung 51_A-n , ..., 51_A-1 , 51_A0 , 51_B0 , 51_B+1 , ..., 51_B+n angeschlossen, die wiederum durch einen Analog-Digital-Wandler 54 an den Computer 22'' angeschlossen ist, der die z-Plattform-Position steuert.
Mit den mehrfachen Elementen des Photodetektors 48'' kann die Abweichung des auf den Photodetektor 48'' einfallenden Lichtstrahls 47'' von der Mitte auf Basis der Verteilung des von den Elementen A_–n, ..., A_–1, A₀, B₀, B₊₁, ..., B_+n erfassten Lichtes hinreichend genau erfasst werden. Dies liefert wiederum eine Abschätzung davon, wie weit die Probe 16'' defokussiert ist.
Es versteht sich, dass das Ausführungsbeispiel den Schutzumfang der Erfindung, der von den nachstehenden Ansprüchen definiert wird, auf keine Weise einschränkt. Die Schritte in dem Fokussiervorgang müssen nicht notwendigerweise streng in der hier beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden; es würde jede Reihenfolge funktionieren, welche dieselben Ziele vollbringt. Andere Modifikationen der Erfindung sind dem Fachmann anhand der vorstehenden Beschreibung offenkundig. Diese Beschreibungen sollen lediglich ein spezifisches Beispiel einer Ausführungsform bereitstellen, welches die vorliegende Erfindung deutlich offenbart. Dementsprechend ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen oder die Verwendung darin enthaltener spezifischer Elemente, Abmessungen, Materialien oder Konfigurationen beschränkt. Es werden alle alternativen Modifikationen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung abgedeckt, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Fokussiersystem für ein optisches System zum Abbilden von Licht von einer Probe, wobei das System Folgendes aufweist: a) einen Photodetektor zum Empfangen und Erfassen eines sich von der Probe entlang eines optischen Wegs ausbreitenden Lichtstrahls, wobei der Photodetektor mindestens zwei Teile aufweist, von denen jeder unabhängig ein Lichtintensitätssignal generiert, welches die Intensität des auf den jeweiligen Teil einfallenden Lichtstrahls anzeigt, b) mindestens eine im optischen Weg zwischen der Probe und dem Photodetektor angeordnete Linse zum Fokussieren des von der Probe kommenden Lichtstrahls, c) eine im optischen Weg zwischen der Probe und dem Photodetektor angeordnete Schneide bzw. Schneidkante zum Blockieren des Empfangs von Licht von der Probe an mindestens einem, aber nicht an allen Teilen des Photodetektors, d) eine Plattform zum Halten der Probe und e) einen Fokussiermechanismus zum gesteuerten Bewegen der mindestens einen Linse oder der Plattform entlang des optischen Wegs als Reaktion auf ein Fokussiersignal zum Anpassen des Fokus des Systems, dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner Folgendes aufweist: f) eine im optischen Weg zwischen der Probe und dem Photodetektor angeordnete Lichtanpassungsvorrichtung zum gesteuerten Anpassen der Fläche des Lichtstrahls als Reaktion auf ein Lichtanpassungssignal und g) eine Steuereinheit zum Generieren des Lichtanpassungssignals und des Fokussiersignals als Reaktion auf die Lichtintensitäts signale durch: i) Subtrahieren von Lichtintensitätssignalen von im Wesentlichen gegenüberliegenden Teilen des Photodetektors, um ein Fokusfehlersignal zu generieren, das eine Richtung und einen Betrag anzeigt, in die bzw. um den das Bild der Probe defokussiert ist, ii) falls der Absolutwert des Fokusfehlersignals größer als ein erster festgelegter annehmbarer Wert ist: Generieren eines Lichtanpassungssignals, um zu veranlassen, dass die Lichtanpassungsvorrichtung die Fläche des Lichtstrahls reduziert, iii) Generieren eines Fokussiersignals, um zu veranlassen, dass der Fokussiermechanismus den Fokus des Systems in die Richtung und um einen Betrag anpasst, welche ausreichen, um das Fokusfehlersignal näher an null zu bringen.
System nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Schritte g) i) bis g) iii) iteriert, bis das Fokusfehlersignal unterhalb des ersten festgelegten annehmbaren Werts liegt.
System nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtanpassungsvorrichtung mehrere Lichtanpassungspositionen aufweist und die Schritte g) i) und g) ii) wiederholt sind, bis der Absolutwert des Fokusfehlersignals unterhalb des ersten festgelegten annehmbaren Werts liegt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein Lichtanpassungssignal generiert, um zu veranlassen, dass die Lichtanpassungsvorrichtung die Flä che des Lichtstrahls vergrößert, nachdem das Fokusfehlersignal unterhalb des ersten festgelegten annehmbaren Werts liegt, und die Schritte g) i) und g) ii) iteriert, bis das Fokusfehlersignal unterhalb eines zweiten festgelegten annehmbaren Werts liegt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lichtanpassungsvorrichtung ein Element aufweist, das unter der aus einer ausweitbaren Irisblende, einem Satz beweglicher Prismen und einer Schicht aus einem segmentierten Material bestehenden Gruppe ausgewählt ist und elektromagnetisch gesteuert werden kann, um sein Transmissionsvermögen anzupassen.
System nach Anspruch 5, wobei das Element eine Irisblende ist und die Irisblende von einem Schrittmotor angesteuert ist, der auf das Lichtanpassungssignal anspricht, und das Lichtanpassungssignal ein digitales Signal ist.
System nach Anspruch 5, wobei die Irisblende von einem stufenlosen Motor angesteuert ist, der auf das Lichtanpassungssignal anspricht, und das Lichtanpassungssignal ein analoges Signal ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Plattform eine piezoelektrische Oberfläche aufweist, die sich als Reaktion auf das Fokussiersignal näher an den Photodetektor heran- oder weiter von diesem wegbewegt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Photodetektor mindestens vier Teile aufweist, die unter mindestens zwei unterschiedlichen radialen Abständen von einem Zentrum des Photodetektors angeordnet sind, und wobei das Steuerelement durch Vergleichen der Lichtintensitätssignale von jedem Teil des Photodetektors einen Betrag bestimmt, um welchen der Lichtstrahl von dem optischen Weg abweicht.
Verfahren zum Fokussieren eines optischen Systems zum Abbilden von Licht von einer Probe, wobei das System Folgendes aufweist: i) einen Photodetektor zum Empfangen und Erfassen eines sich von der Probe entlang eines optischen Wegs ausbreitenden Lichtstrahls, wobei der Photodetektor mindestens zwei Teile aufweist, von denen jeder unabhängig die Intensität des auf den jeweiligen Teil einfallenden Lichtstrahls nachweist, ii) mindestens eine im optischen Weg zwischen der Probe und dem Photodetektor angeordnete Linse zum Fokussieren des von der Probe kommenden Lichtstrahls, iii) eine im optischen Weg zwischen der Probe und dem Photodetektor angeordnete Schneide bzw. Schneidkante zum Blockieren des Empfangs von Licht von der Probe an mindestens einem, aber nicht an allen Teilen des Photodetektors, iv) eine im optischen Weg zwischen der Probe und dem Photodetektor angeordnete Lichtanpassungsvorrichtung zum gesteuerten Anpassen der Fläche des Lichtstrahls, v) eine Plattform zum Halten der Probe und vi) einen Fokussiermechanismus zum gesteuerten Bewegen der mindestens einen Linse oder der Plattform entlang des optischen Wegs als Reaktion zum Anpassen des Fokus des Systems, und wobei das Verfahren Folgendes aufweist: a) Vergleichen der Intensität des Lichts auf im Wesentlichen gegenüberliegenden Teilen des Photodetektors, um den Betrag und die Richtung zu bestimmen, um den bzw. in die das Bild der Probe defokussiert ist, b) falls die Probe um mehr als einen ersten festgelegten Betrag defokussiert ist: Veranlassen, dass die Lichtanpassungsvorrichtung die Fläche des Lichtstrahls reduziert und erneutes Berechnen des Betrags, um den die Probe defokussiert ist, c) Bewegen des Fokussiermechanismus in die Richtung und um einen Betrag, welche ausreichen, um die Probe näher in Fokus zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 10, welches ferner Folgendes aufweist: Iterieren der Schritte a) bis c), bis die Probe um nicht mehr als den ersten festgelegten Betrag defokussiert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Lichtanpassungsvorrichtung mehrere Lichtanpassungspositionen aufweist und das Verfahren ferner Folgendes aufweist: Iterieren der Schritte a) und b), bis der Betrag, um den die Probe defokussiert ist, exakt bestimmt werden kann.