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Gebiet der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtast- bzw. Scanvorrichtung, die dazu vorgesehen
ist, gleichzeitig eine Betrachtungsebene und eine Bildebene abzutasten.
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Stand der Technik
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Das
Patent Nr.
PCT/FR01/02890 beschreibt
eine Abtastvorrichtung, die zum gleichzeitigen Abtasten einer Betrachtungsebene
und einer Bildebene bestimmt ist.
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Zwei
Arten von Abtastvorrichtungen sind in diesem Dokument beschrieben:
- – Vorrichtungen,
die ein Netz aus Mikrospiegeln anwenden, um den Lichtstrahl zu filtern,
und die nur eine Seite eines beweglichen Spiegels benutzen.
- – Vorrichtungen,
die ein mikroskopisches Loch bzw. mehrere mikroskopische Löcher als
räumliche
Filtervorrichtung verwenden, um den Lichtstrahl zu filtern, und
die gegenüberliegende
Seiten eines beweglichen Spiegels einsetzen.
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Die
Abtastvorrichtungen der zweiten Kategorie wenden einen beweglichen
Spiegel an mit:
- – einer zu dem betrachteten
Objekt (und somit zu einem Mikroskop-Objektiv) gerichteten Objektseite,
die eine Bewegung in der Ebene des Netzes aus mikroskopischen Löchern des
geometrischen Bildes eines festen Punktes des beobachteten Objekts
gestattet,
- – eine
Bildseite, die zu der Erfassungsvorrichtung hin gerichtet ist (beispielsweise
zur Kamera hin), und die es gestattet, das geometrische Bild eines
Fixpunkts des beobachteten Objekts in einen Fixpunkt der Erfassungsvorrichtung überzuführen. Die
Objektseite ermöglicht
also die eigentliche Abtastung, und die Bildseite ermöglicht eine
Kompensation dieser Abtastung.
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Die 1 bis 5 dienen
zum besseren Verständnis
des Kompensationsmechanismus. Die 1(a) zeigt
eine fiktive Konfiguration mit einfachen Symmetrieeigenschaften.
Der horizontal an der Objektseite 01 ankommende Lichtstrahl
wird nach oben reflektiert. Der vertikal an der Bildfläche 02 auftreffende
Lichtstrahl wird nach rechts reflektiert. Die 1(b) zeigt das im Stand der Technik eingesetzte
Abtast- und Kompensationsprinzip.
Der Lichtstrahl trifft horizontal auf der Objektfläche auf
und wird nach oben reflektiert. Der Strahl trifft horizontal auf
die Bildfläche
auf und wird nach unten reflektiert.
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Wenn
der bewegliche Spiegel eine Drehung um eine zu der Ebene der Figur
orthogonale Achse herum vollführt,
wie in 2 angegeben ist, werden die
reflektierten Lichtstrahlen der 1(a) einer
Drehung in der durch die 2(a) angegebenen
Richtung unterzogen. Durch Inversion der Richtung der Lichtstrahlen
wird die Richtung abgeleitet, welche die auf der Bildfläche des
beweglichen Spiegels auftreffenden Strahlen in dem Abtast- und Kompensationssystem
der 1(b) haben müssen, damit die Richtung des
Lichtstrahls am Ausgang konstant bleibt. Diese Richtung ist in 2(b) dargestellt. Das Linsen- und Spiegelsystem,
welches den Lichtstrahl von der Objektseite zur Bildseite des beweglichen
Spiegels überführt, muss
also so vorgesehen sein, dass der von der Objektseite reflektierte
Lichtstrahl, der nach rechts in der Figur abgelenkt wird, zu der Bildfläche gelangt,
indem er nach oben abgelenkt wird.
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Wenn
der bewegliche Spiegel eine kleine Drehung um eine Achse vollführt, die
in der Ebene der Figur gelegen ist, wie in 3 angedeutet
ist, werden die Richtungen der Strahlen der 2(a) und 2(b) so modifiziert, wie es jeweils in den 3(a) und 3(b) angegeben
ist. In diesen Figuren stellt ein Kreuz einen Lichtstrahl dar, der
sich vom Beobachter entfernt, und ein Punkt in einem Kreis stellt
einen Lichtstrahl dar, der sich dem Beobachter annähert.
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Die
in 3 dargestellte Situation ist jedoch
nur in einer ersten Ordnung gültig.
Wenn die Drehwinkel des beweglichen Spiegels genügend groß werden, kommt es zu einer
Erscheinung zweiter Ordnung, die eine Drehung nach rechts des reflektierten
Lichtstrahls durch die Objektseite ist. Die Schemata der 3 müssen hierbei
so modifiziert werden, wie in 4 angegeben
ist. Damit die Kompensation der ersten Ordnung korrekt erfolgt,
muss das Linsen- und Spiegelsystem, welches den Lichtstrahl von
der Objektseite auf die Bildseite überführt, es ermöglichen, die Situationen der 2(b) und 3(b) zu überprüfen. Infolgedessen
kehrt ein von der Objektseite reflektierter Lichtstrahl, wie in 4(a) angegeben ist, zu der Bildseite zurück, wie
in 5 angegeben ist. Um in einer konstanten Richtung
abzugehen, müsste
er so zurückkommen,
wie es in 4(b) angegeben ist. Es besteht
eine Inkompatibilität
zwischen der Kompensation erster Ordnung der Gesamtheit der Bewegungen
des Spiegels und der Kompensation zweiter Ordnung der Drehbewegungen
um eine in der Ebene der Figur gelegene Achse. Das System ist so
konzipiert, dass die Kompensation erster Ordnung korrekt erfolgt,
und die Abweichung zweiter Ordnung nicht kompensiert, sondern verstärkt wird,
wie in 5 angedeutet ist. Infolgedessen wird das an dem
Detektor erhaltene Bild von einer Störung zweiter Ordnung in Bezug
auf die Amplitude von Drehbewegungen des Spiegels um eine in der
Ebene der Figur gelegene Achse beeinflusst.
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Die
Patentanmeldung Nr.
WO
0122146A zeigt in ihrer
3 eine
Vorrichtung, welches dieses Problem löst. Eine vereinfachte Version
dieser Vorrichtung ist auch in
7 der vorliegenden
Anmeldung dargestellt worden. Eine "auseinandergefaltete" Darstellung erfolgt in
8,
und nur die Umlenkspiegel sind in
9 dargestellt.
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Diese
Vorrichtung umfasst:
einen drehbaren Spiegel
101 mit
einer Objektseite
101(a) und einer Bildseite
101(b),
wobei die Bildseite des drehbaren Spiegels der Objektseite des drehbar
angebrachten Spiegels gegenüberliegt,
einen
Lichtweg, welcher die Objektseite des drehbaren Spiegels mit der
Bildseite des drehbaren Spiegels verbindet,
mindestens ein
mikroskopisches Loch
104, welches in einer Zwischenbildebene
im Lichtweg angeordnet ist (hier handelt es sich um einen Spalt
5 in
3 der
WO 0122146A ),
eine erste Gruppe
102 von
Steuerlinsen, welche aus in dem Lichtweg zwischen der Objektseite
des drehbaren Spiegels und dem mikroskopischen Loch angeordneten
Linsen gebildet ist (Gruppe
4 in
3 der
WO 0122146A ),
eine
zweite Gruppe von Steuerlinsen, die aus Linsen
106,
107,
110 gebildet
ist, welche in dem Lichtweg zwischen dem mikroskopischen Loch und
der Bildseite des drehbaren Spiegels angeordnet sind (Zusammenfassung
der Linsen der Untergruppen
61,
62,
63 in
3 der
WO 0122146A ),
exakt vier Umlenkspiegel
103,
105,
108,
109,
welche den Lichtweg so abknicken, dass der Lichtweg die Objektseite
des drehbaren Spiegels mit der Bildseite des drehbaren Spiegels
verbinden kann.
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In
dieser Vorrichtung:
- – bleibt der Lichtweg in einer
Ebene enthalten,
- – ist
die zweite Steuerlinsengruppe 106, 107, 110 dazu
geeignet, dass ein eine feststehende Richtung verfolgender, auf
der Objektseite auftreffender Lichtstrahl die Bildseite in der gleichen
Richtung verlässt,
unabhängig
von der Position des beweglichen Spiegels, für eine Gesamtheit von Nutz-Drehwinkeln
des beweglichen Spiegels. Diese Anpassung ergibt sich aus der Tatsache,
dass die zweite Steuerlinsengruppe gebildet ist aus:
- – einer
Untergruppe 110 mit einer positiven Brennweite,
- – zwei
Untergruppen 106 und 107, welche eine Bildumlenkung
am mikroskopischen Loch 104 durchführen. Die von den Untergruppen 110, 106, 107 (bzw. 61, 62, 63 der 3 der WO 0122146A ) gebildete Einheit ist insbesondere
durch eine negative Brennweite im Gegensatz zu der Brennweite der
Untergruppe 102 (bzw. 4 der 3 der WO 0122146A ) gekennzeichnet.
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Das
Problem wird also von dem Patent
WO 0122146A mittels eines Abtastsystems gelöst, bei
dem der auf der Objektseite auftreffende Lichtstrahl auf die in
6A angegebene Weise zur Bildseite zurückgeführt wird,
das heißt
dass der von der Objektseite reflektierte Lichtstrahl zur Bildseite
zurückkehrt,
indem er die gleiche Richtung und die gleiche Ausrichtung wie unmittelbar
nach seiner Reflektierung durch die Objektseite aufweist, wobei
der den beweglichen Spiegel nach der Reflexion auf der Bildseite
verlassende Lichtstrahl die gleiche Richtung und Ausrichtung wie
der auf den beweglichen Spiegel vor der Reflexion auf der Objektseite auftreffende
Lichtstrahl hat. Die Kompensation der Bewegungen des beweglichen
Spiegels erfolgt hierbei wie in
6(b) und
(c) angegeben ist, und es besteht keine Inkompatibilität zwischen
der Kompensation erster und der Kompensation zweiter Ordnung. Das
Linsen- und Spiegelsystem, welches eine Rückführung des reflektierten Lichtstrahls
durch die Objektseite in Richtung auf die Bildseite auf die durch
6(c) angegebene Weise ermöglicht, führt auch den von der Objektseite
der
6(b) reflektierten Lichtstrahl
zu der Bildseite zurück,
wie in
6(b) angegeben ist. Auf allgemeine
Weise kann gezeigt werden, dass die Kompensation in allen Ordnungsstadien
perfekt ist.
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Wenn
der bewegliche Spiegel zwei unterschiedliche Drehachsen aufweist,
ermöglicht
diese Konfiguration die Verwendung von großen Drehwinkeln um die zwei
Achsen. Wenn der bewegliche Spiegel nur eine Drehachse aufweist,
verbessert diese Konfiguration die Robustheit des Systems hinsichtlich
der Ungenauigkeiten der Spiegelpositionierung und ermöglicht die
Verwendung der praktischsten Drehachse im Hinblick auf die Platzeinsparung.
Allgemein gesagt ermöglicht
diese Konfiguration eine Vergrößerung bzw.
Ausweitung der gesamten Nutz-Drehwinkel des beweglichen Spiegels.
Diese Drehwinkel bleiben jedoch durch die Aberrationen der Linsen
und durch die Tatsache, dass der Lichtstrahl nicht aus einer Bahn
austreten darf, die durch die Steuerlinsen, die Umlenkspiegel und
das Netz aus mikroskopischen Löchern
hindurchgeht, abweichen darf, begrenzt.
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Die 8 veranschaulicht
den Lichtweg der Abtast- und Kompensationseinheit der 7 gemäß einer "auseinandergefalteten" Darstellung, welche
die Spiegel nicht miteinbezieht. Der von der Objektseite 101(a) des
galvanometrischen Spiegels austretende Lichtstrahl durchquert nacheinander
die Linse 102, das Netz aus mikroskopischen Löchern 104,
die Linse 106, die Linse 107, die Linse 110 und
kehrt zur Bildfläche 101(b) des
galvanometrischen Spiegels zurück.
Das Schema der 7 wird erhalten durch Abknicken
bzw. Ablenken dieses Lichtwegs mittels der Umlenkspiegel 103, 105, 108, 109.
Die Positionen dieser Spiegel und somit die Umlenkeigenschaften
des Lichtwegs können
durch Koordinaten der Punkte dieser Spiegel gekennzeichnet werden,
die sich auf der optischen Achse befinden. In 9 sind
diese Spiegel und diese Punkte dargestellt. Der Punkt A ist das
Zentrum der Objektseite 101(a) des galvanometrischen Spiegels,
der sich auf der optischen Achse 121 befindet. Der Punkt
B ist der Punkt des Spiegels 103, der sich auf der optischen
Achse 121 befindet. Desgleichen sind die Punkte C, D, E,
F Punkte der Spiegel, die nacheinander von dem Lichtstrahl getroffen
werden und auf der optischen Achse liegen. Diese Punkte A, B, C,
D, E, F sind hier koplanar.
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Damit
die beispielsweise in
28 der Patentanmeldung
PCT/FR01/02890 dargestellte
Vorrichtung lediglich eine relativ einfache Linse zwischen dem mikroskopischen
Loch und der Objektseite des Abtastspiegels aufweist, sowie eine ähnliche
Linse zwischen dem mikroskopischen Loch und der Bildseite des Abtastspiegels,
umfasst die in
3 der Patentanmeldung
WO 0122146A dargestellte
Vorrichtung auf einer Seite des mikroskopischen Lochs eine Steuerlinsengruppe,
die zumindest aus drei Untergruppen
61,
62,
63 (
106,
107,
110 in
7 der
vorliegenden Anmeldung) gebildet ist. Dies macht das System auf
der optischen Ebene merklich komplexer, erhöht den Platzbedarf und verringert
die Transmissivität.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung mit optischen
Eigenschaften bereitzustellen, die ähnlich denjenigen der durch
die Patentanmeldung
WO
0122146A beschriebenen sind und deren Vorteile vorstehend
detailliert beschrieben wurden, wobei der Platzbedarf der Vorrichtung
minimiert und ihre Transmissivität
maximiert wird. Die Aufgabe der Erfindung wird mittels einer konfokalen
optischen Abtast- bzw. Scanvorrichtung erfüllt, welche umfasst:
einen
drehbar montierten Spiegel, der eine objektseitige Fläche und
eine bildseitige Fläche
umfasst, wobei die bildseitige Fläche des drehbar montierten
Spiegels der objektseitigen Fläche
des drehbar montierten Spiegels gegenüberliegt,
einen Lichtweg,
der die objektseitige Fläche
des drehbar montierten Spiegels mit der bildseitigen Fläche des drehbar
montierten Spiegels verbindet,
mindestens ein mikroskopisches
Loch, das in einer zwischengelagerten Bildebene auf dem Lichtweg
angeordnet ist,
eine erste Linsengruppe, bestehend aus den
Linsen, die auf dem Lichtweg zwischen der objektseitigen Fläche des
drehbar montierten Spiegels und dem mikroskopischen Loch angeordnet
sind,
eine zweite Linsengruppe, bestehend aus den Linsen, die
auf dem Lichtweg zwischen dem mikroskopischen Loch und der bildseitigen
Fläche
des drehbar montierten Spiegels angeordnet sind, und
genau
vier Umlenkspiegeln, die den Lichtweg so umlenken können, dass
dieser die objektseitige Fläche
des drehbar montierten Spiegels mit der bildseitigen Fläche des
drehbar montierten Spiegels verbindet,
dadurch gekennzeichnet,
dass:
die erste und die zweite der genannten Linsengruppen
positive Brennweiten haben, und
die Orientierung der Umlenkspiegel
so eingestellt ist, dass der Lichtweg derart umgelenkt wird, dass
ein mit einer festen Richtung auf der objektseitigen Fläche einfallender Lichtstrahl
die bildseitige Fläche
mit einer festen Richtung verlässt,
und zwar unabhängig
von der Position des drehbaren Spiegels, für eine Menge geeigneter Drehwinkel
des drehbaren Spiegels, und so, dass ein von der objektseitigen
Fläche
kommender, auf der bildseitigen Fläche auftreffender Lichtstrahl
dieselbe Richtung und denselben Richtungssinn hat wie der Lichtstrahl,
wenn er die objektseitige Fläche
in Richtung auf die bildseitige Fläche verlässt. Indem zwei Gruppen von
Steuerlinsen mit positiven Brennweiten benutzt werden, welche nur
jeweils eine Linse aufweisen können, wird
das System im Vergleich zu dem Patent
WO 0122146A bemerkenswert vereinfacht, bei
dem eine der Gruppen von Steuerlinsen (aus Untergruppen
61,
62,
63 in
3 von
WO 0122146A gebildet) eine negative Brennweite
aufweist. Die Anpassung der Vorrichtung für eine korrekte Kompensation
der Abtastung muss hierbei durch eine angepasste Ausrichtung der
Umlenkspiegel im Gegensatz zum Patent
WO 0122146A hergestellt werden, bei der die
Anpassung durch eine komplexe Steuerlinsengruppe mit negativer Brennweite
hergestellt wird (die von den Untergruppen
61,
62,
63 in
3 der
WO 0122146A gebildet wird). Die Umlenkung des
Lichtwegs durch die Umlenkspiegel "derart, dass ein in einer festen Richtung
auf die Zieloberfläche
auftreffender Lichtstrahl die Bildfläche mit einer festen Richtung
verlässt,
die unabhängig
von der Position des beweglichen Spiegels für eine Gesamtheit von Nutz-Drehwinkeln
des beweglichen Spiegels ist, und derart, dass ein auf die Bildfläche auftreffender
Lichtstrahl, der von der Objektfläche kommt, die gleiche Richtung
und den gleichen Richtungssinn wie dieser Lichtstrahl aufweist,
wenn es die Objektfläche
in Richtung auf die Bildfläche verlässt", ermöglicht diese
korrekte Kompensation der Abtastung unter Vermeidung der Mängel des
Systems, das in der Patentanmeldung
PCT/FR01/02890 beschrieben
ist und vorstehend detailliert erläutert wurde.
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Genauer
gesagt ist die Ausrichtung der Umlenkspiegel derart, dass die Punkte
A, B, C, D, E, F nicht koplanar sind, oder:
A der Punkt der
Objektfläche
des beweglichen Spiegels ist, der sich auf der optischen Achse befindet,
B
der Punkt des ersten Umlenkspiegels ist, der von einem Lichtstrahl
erreicht wird, welcher von der Objektfläche auf die Bildfläche des
beweglichen Spiegels gerichtet wird, der sich auf der optischen
Achse befindet,
C der Punkt des zweiten Umlenkspiegels ist,
der von einem Lichtstrahl erreicht wird, welcher von der Objektfläche zu der
Bildfläche
des beweglichen Spiegels gerichtet wird, der sich auf der optischen
Achse befindet,
D der Punkt des dritten Umlenkspiegels ist,
der von einem Lichtstrahl erreicht wird, welcher von der Objektfläche auf
die Bildfläche
des beweglichen Spiegels gerichtet wird, der sich auf der optischen
Achse befindet,
E der Punkt des vierten Umlenkspiegels ist,
der von einem Lichtstrahl erreicht wird, der von der Objektfläche zu der
Bildfläche
des beweglichen Spiegels gerichtet wird, der sich auf der optischen
Achse befindet, und
F der Punkt der Bildfläche des beweglichen Spiegels
ist, der sich auf der optischen Achse befindet.
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Tatsächlich kann
eine korrekte Kompensation nur für
einen Lichtweg erreicht werden, der im Gegensatz zu den in der Patentanmeldung
PCT/FR01/02890 und
WO 0122146A beschriebenen
Lichtwegen nicht in einer Ebene enthalten ist.
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Gemäß der Erfindung
wird eine korrekte Kompensation erhalten, wenn die Ausrichtung der
Umlenkspiegel so eingestellt ist, dass die Punkte A, B, C, D, E,
F die folgende Beziehung erfüllen: (AB × BC,
BC × CD)BC + (BC × CD, CD × DE)DC +
(CD × DE,
DE × EF)DE + (DE × EF, EF × BC)FE = πwobei
(UV × VX,
VX × XY)VX den Winkel zwischen dem Vektorprodukt
(UV × VX)
der Vektoren UV und VX und dem Vektorprodukt (VX × XY) der
Vektoren VX und XY, ausgerichtet von dem Vektor VX darstellt.
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Gemäß einer
bevorzugten Konfiguration der Erfindung hat jede der Linsengruppen
eine Brennpunktebene, die auf der Seite des beweglichen Spiegels
gelegen ist, und eine Brennpunktebene, die an mindestens einem mikroskopischen
Loch gelegen ist. Gemäß einer
bevorzugten Konfiguration der Erfindung sind die beiden Linsengruppen
zueinander identisch. Diese Auswahl ermöglicht eine Vereinfachung des
optischen Konzepts des Systems.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die 1 bis 5 dienen
dazu, die Erläuterung
eines Fehlers bestimmter Mikroskope nach dem Stand der Technik zu
stützen.
Die 1(a), 2(a), 3(a), 4(a) stellen
eine symmetrische Konfiguration dar, die durch Umkehrung der Richtung
des Lichtstrahls ermöglicht,
die 1(b), 2(b), 3(b), 4(b) zu
erhalten, welche das Kompensationsprinzip veranschaulichen, das
im Stand der Technik verwendet wird. Die 1 stellt
die zentrale Position des beweglichen Spiegels dar. Die 2 stellt die Wirkung einer Drehbewegung
um eine zu der Ebene der Figur orthogonale Achse dar. 3 stellt die Wirkung erster Ordnung einer
Drehbewegung um eine Achse dar, die in der Ebene der Figur gelegen
ist. 4 stellt die Wirkung zweiter
Ordnung dieser Bewegung dar. 5 stellt
die Wirkung zweiter Ordnung dieser Bewegung dar, wenn das System
so konfiguriert ist, dass es die Drehungen des beweglichen Spiegels
in der ersten Ordnung kompensiert.
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6 stellt das im Stand der Technik angewandte
Prinzip dar, um die Kompensation der Abtastbewegung bzw. Scanbewegung
durchzuführen.
Die 6(a) stellt eine zentrale Position
des beweglichen Spiegels dar. Die 6(b) stellt
die Wirkung einer Drehung um eine zur Ebene der Figur orthogonale
Achse dar. 6(c) stellt die Wirkung einer
Drehung um eine in der Ebene der Figur gelegene Achse dar.
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7 stellt
eine vereinfachte Version eines Abtastsystems gemäß dem Stand
der Technik dar. 8 stellt den in 7 verwendeten
Lichtweg dar, aber ohne Auslenkung aufgrund von Umlenkspiegeln. 9 stellt
das Umlenkprinzip durch die Spiegel dar und definiert die diese
Umlenkung kennzeichnenden Punkte A, B, C, D, E, F.
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Die 10 bis 15 beziehen
sich auf eine Ausführungsform
der Erfindung. Die 10 stellt den "entfalteten" Lichtweg ohne Umlenkwinkel
dar. Die 11 stellt ein Positionsbeispiel
in einem 3D-Raum von Punkten A, B, C, D, E, F, welche die Umlenkung
festlegen, dar. Die 12 bis 15 beziehen
sich auf ein spezielles Beispiel dieser Ausführungsform, das vollständig dimensioniert
ist. Die 12 stellt eine verwendete Linse
dar, die aus zwei identischen Achromaten besteht. Die 13 bis 15 stellen
mehrere Ansichten der Vorrichtung dar, wobei die 15 eine
perspektivische Ansicht ist.
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Ausführungsbeispiel
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Die 10 zeigt
die "auseinandergefaltete" Darstellung einer
Ausführungsform
der Erfindung gemäß dem gleichen
Prinzip wie in 8. Der von der Objektfläche 201(a) des
galvanometrischen Spiegels reflektierte Lichtstrahl durchquert die
Linse L1, das Netz aus mikroskopischen Löchern 204, die Linse
L2 und trifft auf der Bildfläche 201(b) des
galvanometrischen Spiegels auf. Die Linsen L1 und L2 sind identisch
und haben jeweils eine Brennpunktebene auf dem Netz 204 und
eine Brennpunktebene auf einer der Flächen des galvanometrischen
Spiegels. Der Lichtweg wird mittels vier Spiegeln wie im vorhergehenden
Fall umgelenkt. Eine einfache Umlenkkonfiguration wie die in 9 dargestellte
ist jedoch nicht angemessen, da sie keine Rückführung des Lichtstrahls zum
galvanometrischen Spiegel gemäß der durch
die 6(b) und 6(c) dargestellten
Ausrichtung ermöglicht,
die unerlässlich
für eine
korrekte Kompensation ist.
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Damit
in diesem Fall eine korrekte Kompensation der Abtastung stattfindet,
muss die Ablenkung auf eine angemessenere Weise erfolgen. Die Bedingung,
die erfüllt
werden muss, damit die Ablenkung korrekt erfolgt, ist die folgende: (AB × BC,
BC × CD)BC + (BC × CD, CD × DE)DC +
(CD × DE,
DE × EF)DE + (DE × EF, EF × BC)FE = πwobei
beispielsweise (AB × BC,
BC × CD)BC den Winkel zwischen den Vektorprodukten
(AB × BC)
und (BC × CD)
darstellt, ausgerichtet durch den Vektor BC.
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Diese
Bedingung kann nur erfüllt
werden, wenn die Punkte A, B, C, D, E, F koplanar sind. Es ist also notwendig,
einen Lichtweg anzuwenden, bei dem die Elemente der Abtastvorrichtung
nicht alle in der gleichen Ebene liegen. Beispielsweise kann der
Lichtweg ABCDEF von dem in 11 in
mehreren Ansichten dargestellten Typ unter Angabe der Bezugspunkte
sein. Allgemein ist dieser Lichtweg durch die dreidimensionalen Koordinaten
der Punkte A, B, C, D, E, F gekennzeichnet. Die Ausrichtungen der
Spiegel leiten sich daraus ab. Beispielsweise ist der durch den
Punkt B hindurchgehende Spiegel derart ausgerichtet, dass die Senkrechte zum
Spiegel die Winkelhalbierende des Winkels (BA, BC) ist. Desgleichen
sind die anderen Spiegel so ausgerichtet, dass die optische Achse
entlang dem Lichtweg ABCDEF gut umgelenkt wird. Ein System, das
diese Bedingung erfüllt,
kann beispielsweise unter Verwendung der Funktion "Zielwert" eines Tabellenrechenprogramms
berechnet werden, um die Position der Punkte derart anzupassen,
dass der geeignete Wert der Summe der oben genannten Winkel erhalten
wird und gleichzeitig die Gesamtlänge des Lichtwegs mit dem von einer
Linsenauswahl auferlegten Wert beibehalten wird.
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Ein
spezielles Beispiel ist in den 12 bis 15 dargestellt.
Die 12 stellt die benutzte Linse dar. Sie besteht
aus zwei identischen Achromaten. Die Punkte D und Q werden zur Kennzeichnung
der Position der Linse verwendet. Da die Linsen L1 und L2 identisch
sind, wird der Punkt P mit P1, P2 bezeichnet, je nachdem, ob es
sich um denjenigen der Linse L1 oder L2 handelt, und ebenso der
Punkt Q mit Q1, Q2 bezeichnet, je nachdem, ob es sich um denjenigen
der Linse L1 oder der Linse L2 handelt.
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Die
Eigenschaften dieser Linse sind:
| Glas
V1 | SF10;
Index 1,73366143 (bei 550 nm) |
| Glas
V2 | BAK4,
Index n = 1,57099293 (bei 550 nm) |
| R1 | 483,71
mm |
| d1 | 4,1
mm |
| R2 | 148,27
mm |
| d2 | 9
mm |
| R3 | –194,96
mm |
| d3 | 12
mm |
| PQ | 38,2
mm |
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Die
Dicke des verwendeten galvanometrischen Spiegels beträgt 6 mm.
Die
13 bis
15 veranschaulichen
den Lichtweg des Lichtstrahls in verschiedenen Ansichten. Die Konfiguration
ist gekennzeichnet durch die Koordinaten der Punkte A, B, C, D,
E, F in einem orthonormen Bezugssystem in mm.
| Punkt/Koordinate | A | B | C | D | E | F |
| X | 0,0000 | 219,9341 | 219,9341 | –39,2426 | –39,2426 | –4,2426 |
| Y | 0,0000 | 0,0000 | 68,7576 | 4,2426 | 4,2426 | 4,2426 |
| Z | 0,0000 | 0,0000 | 13,1298 | 45,0000 | 0,0000 | 0,0000 |
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Dabei
ist die folgende Gleichung erfüllt: (AB × BC,
BC × CD)BC + (BC × CD, CD × DE)DC +
(CD × DE,
DE × EF)DE +(DE × EF,
EF × BC)FE = π
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Die
Distanzen gemäß der optischen
Achse sind die folgenden in mm, wobei der Buchstabe R die Position
des Netzes aus mikroskopischen Löchern
204 bezeichnet:
| AP1 | 142,881 |
| P1Q1 | 38,2 |
| Q1B | 38,852 |
| BC | 70 |
| CR | 29,523 |
| RQ2 | 138,375 |
| Q2P2 | 38,2 |
| P2D | 62,882 |
| DE | 45 |
| EF | 35 |
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Die 13 bis 15 veranschaulichen
dieses Ausführungsbeispiel
in mehreren Ansichten. In der perspektivischen Ansicht der 15 sind
nur die Ablenkpunkte A, B, C, D, E, F angegeben. In den beiden anderen
Ansichten sind alle Punkte der obigen Tabelle angegeben. Die Objekt-
und Bildlinsen (Äquivalente
der Linsen 111 und 114 der 7) sind
nicht dargestellt, sondern lediglich die Abtast- und Kompensationseinheit, die äquivalent
zu der Einheit 120 der 7 ist. In
der kompletten Abtastvorrichtung müssen die Objekt- und Bildlinsen
auf die gleiche Weise wie in 7 hinzugefügt werden.
Die Abtast- und
Kompensationseinheit, die in den 13 bis 15 dargestellt
ist, kann auf einem einzigen, direkt mit dem Boden verbundenen Gestell befestigt
werden, wobei die Objekt- und
Bildlinsen auf dem gleichen optischen Tisch wie das verwendete Mikroskop
befestigt werden.
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Industrielle Anwendungen
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Die
vorliegende Abtast- bzw. Scanvorrichtung kann für die konfokale Abtastmikroskopie,
beispielsweise für
die Zellbiologie verwendet werden.