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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft ein beugungsbegrenztes konfokales Mikroskop,
ein beugungsbegrenztes konfokales Reflexionsmikroskop.
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STAND DER
TECHNIK
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1 ist
eine schematische Darstellung eines herkömmlichen konfokalen Reflexionsmikroskops.
Laserlicht vom Laser 1 wird durch ein Mikroskopobjektiv 2 auf
eine mechanische Lochblende 3 fokussiert. Der Ausdruck "mechanische Lochblende" bedeutet in dieser
Beschreibung eine herkömmliche Lochblende
in einem typischerweise aus Metall bestehenden Blättchen.
Der sich aufweitende Lichtstrahl von der Lochblende 3 wird
durch eine Linse 4 kollimiert, bevor er durch einen polarisierenden Strahlteiler 8,
der den Strahl polarisiert, und eine Viertelwellenlängenplatte 7,
die den Strahl zirkular polarisiert, hindurchtritt. Der Strahl wird
dann durch ein qualitativ hochwertiges Mikroskopobjektiv 5 zu
einem beugungsbegrenzten Fleck auf dem Objekt 6 fokussiert.
Das vom Objekt 6 reflektierte und gestreute Licht wird
durch das Objektiv 5 gesammelt, das den Strahl kollimiert.
Das vom Objekt 6 reflektierte Licht bleibt zirkular polarisiert,
so daß es,
wenn es durch die Viertelwellenlängenplatte 7 zurückläuft, wieder
linear polarisiert ist, jedoch senkrecht zum ursprünglichen
polarisierten Strahl. Weil die Polarisation des vom Objekt 6 gestreuten
Lichts zufällig
ist, bleibt sie von der Viertelwellenlängenplatte 7 unbeeinflußt. Das
vom Objekt 6 reflektierte Licht, dessen Polarisation nun
um 90 Grad gedreht ist, wird wieder auf den polarisierenden Strahlteiler 8 gerichtet.
Ein Teil des vom Objekt 6 gestreuten Lichts wird auch durch
den polarisierenden Strahlteiler 8 umgelenkt. Das umgelenkte
Licht wird durch ein Abbildungselement 9 auf eine Detektorlochblende 10 fokussiert.
Ein Detektor 11 mißt
die Lichtmenge, die durch die Lochblende 10 hindurchtritt.
Das Objekt 6 wird durch den Tisch 12 in x-, y- und z-Richtung mechanisch
abgetastet.
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Die
Grundlage des Betriebs eines konfokalen Reflexionsmikroskops ist
bei Betrachtung von 2 ersichtlich, in der die Anordnung
eines vereinfachten konfokalen Mikroskops schematisch dargestellt
ist. Eine Punktquelle von Licht 15 in Gestalt einer mechanischen
Lochblende wird durch ein qualitativ hochwertiges optisches Element 16 auf
ein Objekt 17 abgebildet. Die Größe der beleuchtenden Lochblende 15 ist
so gewählt,
daß auf
das Objekt 17 fallendes Licht ein beugungsbegrenztes Fleckmuster bildet,
dessen Größe durch
die Lichtwellenlänge
und die Eigenschaften des qualitativ hochwertigen optischen Elements 16 bestimmt
ist. Das von der Oberfläche
reflektierte und gestreute Licht wird durch das qualitativ hochwertige
optische Element 16 gesammelt und vom Strahlteiler 13 auf
einen Lochblendendetektor 14 umgelenkt. Zum Erreichen der
maximalen Auflösung
ist die Größe der Lochblende
am Detektor 14 so gewählt,
daß sie
etwas kleiner ist als das erste Minimum des darauf abgebildeten
beugungsbegrenzten Flecks.
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Die
oben in 2 beschriebene konfokale Anordnung
führt zu
einem Auflösungsgewinn
von etwa 0,4 gegenüber
herkömmlichen
Mikroskopen. Dieser Auflösungsgewinn
wird bei Verwendung eines Rings gegenüber einem herkömmlichen
Mikroskop auf etwa 0,7 erhöht.
Weiterhin weist das konfokale Mikroskop im Vergleich zu herkömmlichen
Mikroskopen eine stark verringerte Schärfentiefe auf, wodurch ermöglicht wird,
daß außerhalb
des Schärfenbereichs
auftretende Informationen aus dem Bild entfernt werden. Dies ermöglicht es,
rauhe, gekrümmte oder
teilweise transparente Oberflächen
richtig abzubilden.
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Zum
Erhalten eines Bilds eines Objekts wird das Objekt (oder das Mikroskop)
in x-, y- und z-Richtung abgetastet, wobei das maximale Signal während eines
z-Abtastens als die Intensität
an der x- und y-Position gewählt
wird. Für
teilweise transparente Objekte, wie biologische Zellen, können dreidimensionale
Informationen gewonnen werden. Es gibt keine Grenze für die Größe des ohne
Beeinträchtigen der
Auflösung
abbildbaren Bereichs. Es sei bemerkt, daß das Signal von einem konfokalen
Mikroskop leicht einer elektronischen Bildverstärkung zugänglich ist.
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Mechanische
Lochblenden sind für
das Ansammeln von Schmutz in der Blendenöffnung anfällig. Selbst die kleinste Menge
an Schmutz in einer mechanischen Lochblende in einem konfokalen
Mikroskop ruft ein Problem hervor, weil das sich ergebende Lichtfeld
nicht mehr kreissymmetrisch ist und Aberrationen auftreten. Weiterhin
ruft eine leichte Fehljustierung einer mechanischen Lochblende oder eines
anderen Elements in einem herkömmlichen konfokalen
Mikroskop eine asymmetrische Intensitätsverteilung des aus der mechanischen
Lochblende austretenden Lichtstrahls hervor, wodurch wiederum Aberrationen
hervorgerufen werden.
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In
US-A-4 634 880 ist ein konfokales Abbildungssystem offenbart, das
einen Laser zum Erzeugen eines linear polarisierten Strahls aufweist,
der durch die optischen Elemente des Systems übertragen, auf einen kleinen
Fleck auf dem Target fokussiert und durch die optischen Elemente
zu einem Photodetektor rückreflektiert
wird, wo das Reflexionsvermögen
von dem Fleck bestimmt wird.
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In "Laser-to-fibre couplers
in optical recording applications", Ophey u.a., SPIE Band 839, Components
for Fibre Optic Applications II ist die Verwendung einmodiger Fasern
bei der optischen Aufzeichnung zum Erhöhen der Wirksamkeit des Koppelns des
Laserlichts in den Lichtweg offenbart.
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In
WO-A-90/00754 (veröffentlicht
am 25. Januar 1990) ist ein konfokales Abtastmikroskop offenbart,
bei dem eine optische Faser an Stelle einer Lochblende verwendet
wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein beugungsbegrenztes konfokales
Mikroskop nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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Die
Blende kann eine Lochblendenstruktur sein.
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Die
Blende kann der Kern sein, der sich an einem Energieempfangsende
einer zweiten optischen Faser befindet, der einen Kern aufweist,
welcher auch einen dem Erfassungselement wirkungsmäßig zugeordneten
Energieausgang aufweist, um in den Kern der zweiten optischen Faser
fokussierte austretende Energie zu erfassen.
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Die
dem Detektor wirkungsmäßig zugeordnete
optische Faser kann eine mehrmodige optische Faser oder eine einmodige
optische Faser sein.
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Typischerweise
weist das Mikroskop weiterhin einen im Energieweg zwischen dem Kern
am Energieausgang und dem Volumen angeordneten Energieteiler auf,
der dazu dient, die austretende Energie zum Detektor zu lenken,
wobei die Wege der Beleuchtungsenergie und der austretenden Energie zwischen
dem Volumen und dem Teiler im wesentlichen gleich sind. Der Energieteiler
kann ein wellenlängenabhängiger Teiler
sein.
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Im
allgemeinen weisen der erste und der zweite Fokussierer gemeinsame
Energiefokussierungselemente auf.
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Das
Mikroskop kann weiterhin einen Polarisator aufweisen, der der Energiequelle
wirkungsmäßig zugeordnet
ist, um die Beleuchtungsenergie zu polarisieren, wobei der Energieteiler
polarisationsabhängig
ist.
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Das
Mikroskop kann auch eine Polarisationsvorrichtung aufweisen, die
im Weg der polarisierten Beleuchtungsenergie und der austretenden
Energie zwischen dem polarisationsabhängigen Energieteiler und dem
Volumen angeordnet ist, um die Beleuchtungsenergie zumindest teilweise
zirkular zu polarisieren und um die durch den polarisationsabhängigen Energieteiler
zurücklaufende
austretende Energie zumindest teilweise linear zu polarisieren.
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Das
beugungsbegrenzte konfokale Reflexionsmikroskop kann eine Abtasteinrichtung
aufweisen, die der optischen Faser neben dem Ausgangsende wirkungsmäßig zugeordnet
ist, um das Ausgangsende in x- und/oder y- und/oder z-Richtung zu bewegen
und das beugungsbegrenzte Fleckmustervolumen im Objekt und um dieses
herum abzutasten. Die Abtasteinrichtung kann ein piezoelektrischer
Stapel, eine Magnetkern/Magnetspulen-Kombination, ein mechanischer
Schwinger, ein elektromechanischer Schwinger, ein mechanischer oder
elektromechanischer Abtastmechanismus in der Art eines Servomotors,
ein Akustikkoppler oder irgendeine andere geeignete Einrichtung
sein.
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Im
allgemeinen weisen der Empfänger
und der Sender einen gemeinsamen Energieteiler auf, der es ermöglicht,
daß ein
Teil der Beleuchtungsenergie von der Quelle in den Kern der optischen
Faser gelenkt wird und daß ein
Teil der austretenden Energie im Kern der optischen Faser zum Detektor
gelenkt wird. Typischerweise umfaßt der Energieteiler einen
wellenlängenabhängigen Energieteiler.
Der Energieteiler kann ein optischer Faserkoppler sein. Der optische
Faserkoppler kann ein Koppler mit geschmolzener, dopplerkonischer
Querschnittsanpassung, ein Koppler mit einem polierten Block, ein
flaschenförmiger
und geätzter
Koppler oder ein Koppler vom Massivoptiktyp mit einem Fasereingang
und Ausgangs-Pigtails,
eine planare Wellenleitervorrichtung, die auf photolithographischen
oder Ionendiffusions-Herstellungstechniken beruht, oder ein anderer vergleichbarer
Koppler sein.
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Überdies
kann das konfokale Reflexionsmikroskop weiterhin einen Polarisator
aufweisen, der der Energiequelle wirkungsmäßig zugeordnet ist, um die Beleuchtungsenergie
zu polarisieren, und der Energieteiler ist polarisationsabhängig. Es
kann weiterhin eine Polarisationsvorrichtung im Weg der polarisierten
Beleuchtungsenergie und der austretenden Energie zwischen dem polarisationsabhängigen Energieteiler
und dem Volumen angeordnet sein, um die Beleuchtungsenergie zumindest
teilweise zirkular zu polarisieren und um die durch den polarisationsabhängigen Energieteiler
zurücklaufende austretende Energie
zumindest teilweise linear zu polarisieren.
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Bei
einer speziellen Anordnung kann ein Polarisator zwischen der Beleuchtungsenergiequelle und
einem polarisationsabhängigen
Energieteiler angeordnet sein, oder die Energiequelle kann schon
an sich polarisiert sein, oder der polarisationsabhängige Energieteiler
polarisiert die dadurch hindurchtretende Beleuchtungsenergie, wodurch
die aus dem Teiler austretende Beleuchtungsenergie zu linear polarisierter
Beleuchtungsenergie wird. Bei dieser Anordnung ist eine Polarisationsvorrichtung
in der Art einer Viertelwellenlängenvorrichtung
im Weg der polarisierten Beleuchtungsenergie und der austretenden Energie
zwischen dem polarisationsabhängigen
Energieteiler und dem Objekt angeordnet, um die Beleuchtungsenergie
zirkular zu polarisieren und um die austretende Energie linear zu
polarisieren, die durch den polarisationsabhängigen Energieteiler senkrecht
zur linear polarisierten Beleuchtungsenergie zurückläuft.
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Ein
Energieabtaster kann dem Energieausgang und dem Fokussierer wirkungsmäßig zugeordnet
sein, um das Bild des Kerns am Energieausgang bezüglich des
Fokussierers zu verschieben und das Volumen im Objekt und um dieses
herum abzutasten. Der Energieabtaster ist typischerweise ein beweglicher
Energiereflektor, eine Elektroenergievorrichtung oder eine Akustoenergievorrichtung.
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Ein
Abtaster kann dem Fokussierer wirkungsmäßig zugeordnet sein, um den
Fokussierer bezüglich
des Energieausgangs zu verschieben und das Volumen im Objekt und
um dieses herum abzutasten.
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Ein
Abtaster kann dem Energieausgang und dem Fokussierer wirkungsmäßig zugeordnet
sein, um die Kombination aus dem Ausgang und dem Fokussierer bezüglich des
Objekts zu verschieben und das Volumen im Objekt und um dieses herum
abzutasten. Bei einer weiteren Alternative ist ein Abtaster vorgesehen,
der bei der Verwendung dem Objekt wirkungsmäßig zugeordnet ist, um das
Objekt in x- und/oder z-Richtung zu verschieben und das Volumen
im Objekt und um dieses herum abzutasten.
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Das
Mikroskop kann weiterhin eine dem Detektor wirkungsmäßig zugeordnete
Vorrichtung zum Speichern und Analysieren eines Signals vom Detektor
aufweisen, um Informationen hinsichtlich des Objekts bereitzustellen.
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Falls
ein Abtaster bereitgestellt ist, kann die Vorrichtung auch eine
dem Detektor und dem Abtaster wirkungsmäßig zugeordnete Vorrichtung
zum Speichern und Analysieren eines Signals vom Detektor und eines
Signals vom Abtaster, das bei der Verwendung den Ort des vom Abtaster
verschobenen Gegenstands angibt, um Informationen über das
Objekt bereitzustellen, aufweisen.
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Die
Speicher- und Analysiervorrichtung ist typischerweise ein Computer.
Der Computer kann Oberflächenprofilinformationen
bereitstellen, um beispielsweise ein hochauflösendes Bild einer rauhen Oberfläche im Schärfenbereich
zu erhalten.
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Die
Energiequelle ist eine Quelle elektromagnetischer Strahlung mit
einer Wellenlänge
im Bereich des fernen Ultravioletts bis zum fernen Infrarot unter
Einschluß von
diesen, und der Energieleiter ist eine optische Faser.
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Beispiele
von Lichtquellen sind unter anderem Glühquellen, wie eine Wolframfilamentquelle, Dampflampen,
wie Halogenlampen unter Einschluß von Natrium- und Ioddampflampen,
Entladungslampen, wie Xenonbogenlampen und HG-Bogenlampen, Festkörper-Lichtquellen,
wie Photodioden, Superfluoreszenzdioden, Leuchtdioden, Laserdioden,
Elektrolumineszenz-Lichtquellen, Laserlichtquellen unter Einschluß von Edelgaslasern,
wie Argonlasern, Argon-/Kryptonlasern, Neonlasern, Helium-Neon-Lasern,
Xenonlasern und Kryptonlasern, Kohlenmonoxid- und Kohlendioxidlasern,
Metallionenlasern, wie Cadmium-, Zink-, Quecksilber- oder Selenionenlasern,
Bleisalzlasern, Metalldampflasern, wie Kupfer- und Golddampflasern,
Stickstofflasern, Rubinlasern, Jodlasern, Neodymglas- und Neodym-YAG-Lasern, Farbstofflasern,
wie Farbstofflasern unter Verwendung der Farbstoffe Rhodamin 640,
Kiton Red 620 oder Rhodamin 590 dye und eines dotierten Faserlasers.
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Der
Energieleiter kann zum Beispiel eine Faser mit einem fünf Mikrometer
messenden Kern sein, die unter der Voraussetzung eines geeigneten
Brechungsindexprofils bei einer Wellenlänge von 633 Nanometern einmodig
ist. Eine optische Stufenindexfaser wird einmodig, wenn die numerische
Apertur NA, der Faserkernradius (a) und die Wellenlänge λ des Lichts
die folgende Beziehung erfüllen: 2 × π × NA × a/λ ≤ 2,405.
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Der
Fokussierer kann durch refraktive Glaslinsen unter Einschluß von Mikroskopobjektiven,
reflektiven Linsen und/oder holographischen optischen Elementen
gegeben sein. Falls die Energie eine Frequenz aufweist, die vom
Bereich des Ultraviolettlichts bis zum nahen Infrarotlicht verschieden
ist oder anderen Energietypen angehört, werden analoge Fokussierungselemente
an Stelle der optischen Fokussierungselemente verwendet.
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Bei
einem bestimmten beugungsbegrenzten konfokalen Mikroskop gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Kombination aus einer einmodigen optischen Faser
und einer Lichtquelle an Stelle einer Kombination aus einer mechanischen
Lochblende und einer Lichtquelle verwendet. Wie bereits ausgeführt wurde,
sind mechanische Lochblenden besonders gegenüber sich in der Blendenöffnung ansammelndem
Schmutz empfindlich. Selbst die geringste Menge Schmutz in der Öffnung einer
mechanischen Lochblende ruft in der Hinsicht ein Problem hervor, daß ein aus
dieser Lochblende austretender Lichtstrahl nicht mehr kreissymmetrisch
ist und daß Aberrationen
im System hervorgerufen werden. Wenngleich sich Schmutz am Lichteingang
und an den Ausgangsenden einer optischen Faser ansammeln kann, läßt sie sich
relativ leicht reinigen, und sie kann, falls es erforderlich ist,
wieder gespalten werden.
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Wie
oben bereits ausgeführt
wurde, läßt sich eine
Kombination aus einer mechanischen Lochblende und einer Lichtquelle
schwer genau ausrichten. Falls eine mechanische Loch blende nicht
richtig ausgerichtet ist, wird die Auflösung des konfokalen Mikroskops
erheblich beeinträchtigt
und es ergeben sich anomale Geometrien des Beugungsflecks, was ernste
Auswirkungen für
die Genauigkeit von Tiefenuntersuchungen und anderen Untersuchungen
hat. Falls eine Kombination aus einer einmodigen optischen Faser
und einer Lichtquelle andererseits nicht richtig ausgerichtet ist,
während
die Lichtintensität
eines aus dem Ausgangsende der Faser austretenden Lichtstrahls abnimmt,
bleibt der austretende Lichtstrahl dennoch kreissymmetrisch.
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Wenn
eine integrierte Kombination aus einer einmodigen optischen Faser
und einer Lichtquelle bei einem konfokalen Reflexionsmikroskop verwendet
wird, wird das Problem des Ausrichtens der optischen Faser mit der
Lichtquelle, was eine verhältnismäßig schwierige
Aufgabe ist, im wesentlichen beseitigt. Durch diese letztgenannte
Kombination wird auch die Anzahl der diskreten optischen Bauteile
verringert, die im konfokalen Mikroskop angebracht werden müssen. Falls
weiterhin eine integrierte Kombination aus einer einmodigen optischen
Faser und einer Laserdiode verwendet wird, kann eine Laserdiode
mit einem integrierten Rückkopplungsdetektor verwendet
werden, der das Überwachen
und Steuern der Ausgangsleistung der Laserdiode ermöglicht. Analog
wird durch Verwenden eines mit einer optischen Faser integrierten
Detektors wirksam die Notwendigkeit beseitigt, die optische Faser
mit dem Detektor auszurichten.
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Ein
weiterer Vorteil einer Kombination aus einer einmodigen optischen
Faser und einer Lichtquelle und einer optischen Faser und eines
Detektors bei einem konfokalen Reflexionsmikroskop besteht darin,
daß die
Lichtquelle und der Detektor und zugeordnete Elektronik fern von
der optischen Hardware, wie dem Polarisator und der Fokussierungslinse
oder dem Fokussierungslinsensystem angeordnet werden können. Ein
besonderer Vorteil besteht darin, daß die Lichtquelle und der Detektor,
wenn sie fern vom Objekt angeordnet sind, leicht in ihrer Temperatur
geregelt werden können,
wodurch ihre Lebens dauer, Genauigkeit und Zuverlässigkeit erhöht werden,
was in rauhen Industrieumgebungen besonders nützlich ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine schematische Darstellung eines herkömmlichen beugungsbegrenzten
konfokalen Mikroskops,
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2 ist
eine schematische Darstellung einer vereinfachten Anordnung eines
beugungsbegrenzten konfokalen Mikroskops,
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3 ist
eine schematische Darstellung eines beugungsbegrenzten konfokalen
Mikroskops gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4 ist
eine schematische Darstellung eines weiteren beugungsbegrenzten
konfokalen Mikroskops gemäß der vorliegenden
Erfindung,
-
5 ist
eine schematische Darstellung eines weiteren beugungsbegrenzten
konfokalen Mikroskops gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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6 ist
eine weitere schematische Darstellung einer Anordnung eines weiteren
beugungsbegrenzten konfokalen Reflexionsmikroskops.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
UND ANDERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Wie
in 3 dargestellt ist, weist ein beugungsbegrenztes
konfokales Reflexionsmikroskop 30 einen auf einer Seite
eines Fokussierungselements 32 angeordneten Laser 31 auf.
Licht vom Laser 31 fällt
auf das Element 32 und wird auf das Lichtempfangsende 33 einer
einmodigen optischen Faser 34 fokussiert. Die Faser 34 weist
ein Lichtausgangsende 35 auf. Eine Sammellinse 36 ist
wirkungsmäßig in bezug
auf das Ausgangsende 35 angeordnet, um daraus austretendes
Beleuchtungslaserlicht zu kollimieren. Ein polarisierender Strahlteiler 37 ist
wirkungsmäßig in bezug
auf die Sammellinse 36 angeordnet, um kollimiertes Beleuchtungslaserlicht
von dieser zu polarisieren. Eine Viertelwellenlängenplatte 38 ist
wirkungs mäßig in bezug
auf den Polarisator angeordnet, um das aus dem Strahlteiler 37 austretende
polarisierte Beleuchtungslaserlicht zirkular zu polarisieren. Ein
qualitativ hochwertiges Mikroskopobjektiv 39 ist wirkungsmäßig in bezug
auf die Wellenlängenplatte 38 angeordnet,
um zirkular polarisiertes. Beleuchtungslaserlicht, das durch die
Wellenlängenplatte 38 hindurchgetreten
ist, in ein beugungsbegrenztes Fleckmustervolumen zu fokussieren,
das ein Objekt 40 schneidet. Austretendes Licht, das sich
aus der Wechselwirkung zwischen dem Beleuchtungslaserlicht in dem
Volumen und dem Objekt 40 ergibt, wird durch das Objektiv 39 gesammelt
und zur Bildung von kollimiertem austretendem Licht kollimiert.
Das kollimierte austretende Licht durchläuft die Viertelwellenlängenplatte 38.
Das austretende Licht vom Objekt 40 durchläuft die
Viertelwellenlängenplatte 38.
Ein Teil dieses austretenden Lichts wird vom polarisierenden Strahlteiler 37 auf
die Fokussierungslinse 41 reflektiert. Die Fokussierungslinse 41 ist
wirkungsmäßig in bezug
auf Strahlteiler 37 angeordnet, um vom Strahlteiler 37 reflektiertes
austretendes Licht auf das Lichtempfangsende 42 einer zweiten
optischen Faser 43 zu fokussieren. Die Fokussierungslinse 41 und
das Objektiv 39 sind so angeordnet, daß der Kern des Lichtempfangsendes 42 der Faser 43 auf
den zentralen Abschnitt des beugungsbegrenzten Fleckmusters des
Beleuchtungslaserlichts abgebildet wird, wobei die numerische Apertur NA
des vom auf den Faserkern fokussierten zentralen Abschnitt ausgehenden
austretenden Lichts, die Wellenlänge λ des austretenden
Lichts und der durchschnittliche Durchmesser d des Faserkerns am Lichtempfangsende 42 der
Faser 43 durch die folgende Gleichung aufeinander bezogen
sind: NA = 0,36 × λ/d.
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Ein
Photodetektor 45 ist angeordnet, um das vom Ausgangsende 44 der
zweiten optischen Faser 43 ausgehende Licht zu erfassen.
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Bei
der Verwendung fällt
Beleuchtungslaserlicht vom Laser 31 auf das Fokussierungselement 32, das
das Beleuchtungs laserlicht auf das Lichtempfangsende 33 der
einmodigen optischen Faser 34 fokussiert. Das vom Kern
des Lichtempfangsendes 33 der Faser 34 gesammelte
Beleuchtungslaserlicht durchläuft
die Faser 34 und tritt aus dem Ausgangsende 35 aus.
Das Ausgangsende 35 wirkt als Lochblende. Das aus dem Ausgangsende 35 austretende Beleuchtungslaserlicht
durchläuft
die Sammellinse 36, die das Beleuchtungslaserlicht kollimiert.
Das durch den Strahlteiler 37 hindurchgetretene kollimierte
Beleuchtungslaserlicht tritt als linear polarisiertes kollimiertes
Beleuchtungslaserlicht aus. Das linear polarisierte kollimierte
Beleuchtungslaserlicht durchläuft
dann die Wellenplatte 38. Das aus der Wellenplatte 38 austretende
kollimierte Beleuchtungslaserlicht ist zirkular polarisiert und
durchläuft
das Mikroskopobjektiv 39, das das Beleuchtungslaserlicht
in ein das Objekt 40 schneidendes beugungsbegrenztes Fleckmustervolumen
fokussiert. Das sich aus der Wechselwirkung zwischen dem Beleuchtungslaserlicht
in dem Volumen und dem Objekt 40 ergebende austretende
Licht wird durch das Objektiv 39 gesammelt und kollimiert.
Das kollimierte austretende Licht durchläuft die Viertelwellenlängenplatte 38.
Das vom Objekt 40 reflektierte austretende Licht ist nun,
nachdem es die Viertelwellenlängenplatte 38 durchlaufen hat,
zum linear polarisierten Beleuchtungslaserlicht senkrecht linear
polarisiert. Es wird daher vom polarisierenden Strahlteiler 37 auf
die Fokussierungslinse 41 reflektiert. Das vom Objekt 40 gestreute
austretende Licht mit einer zufälligen
Polarisation wird durch die Wellenplatte 38 im wesentlichen
nicht beeinflußt.
Ein Teil dieses austretenden Lichts wird durch den polarisierenden
Strahlteiler 37 auf die Fokussierungslinse 41 reflektiert.
Die Linse 41 fokussiert das vom Strahlteiler 37 reflektierte
austretende Licht auf das Lichtempfangsende 42 der zweiten
optischen Faser 43. Das vom Kern des Lichtempfangsendes 42 gesammelte
austretende Licht durchläuft die
zweite optische Faser 43 und wird vom Photodetektor 45 nach
dem Austreten aus dem Ausgangsende 44 erfaßt. In Verbindung
mit dem Objekt 40 stehende Oberflächen profilinformationen werden
typischerweise durch Vor- und Zurückbewegen des Objekts 40 erhalten.
Es ist in manchen Fällen
vorteilhaft, das Mikroskopobjektiv 39 vor- und zurückzubewegen,
statt das Objekt 40 zu bewegen. Die Position, bei der am
Detektor 45 maximales Licht erfaßt wird, entspricht typischerweise
der Position der Oberfläche
des Objekts 40. Das Objekt 40 kann dann zu einer
anderen Position in der x-y-Ebene
bewegt werden, und der Prozeß kann
dann wiederholt werden. Es ist wiederum in manchen Fällen vorteilhaft,
das Mikroskopobjektiv 39 in der x-y-Ebene zu bewegen. Die
gesamte Oberfläche
des Objekts 40 kann durch Wiederholen der oben angegebenen
Prozedur für verschiedene
x-y-Positionen des Objekts 40 abgebildet werden. Ein hochauflösendes Filter
(hochauflösende
Filter) kann (können)
praktisch überall
im Beleuchtungs- und/oder im Erfassungsweg angeordnet werden, um
die Auflösung
in x- und/oder y- und/oder z-Richtung zu verbessern.
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Das
in 4 dargestellte alternative beugungsbegrenzte konfokale
Reflexionsmikroskop 50 gleicht dem in 3 dargestellten
konfokalen Mikroskop 30, wobei der Laser 31, das
Fokussierungselement 32 und das Fasereingangsende 33 jedoch durch
eine Laserdiode 51 ersetzt sind, die einen integrierten
optischen Pigtail 52 einer einmodigen Faser aufweist, und
die Kombination aus dem Faserende 44 und dem Detektor 45 durch
einen Detektor 53 ersetzt ist, der einen integrierten optischen
Pigtail 54 einer Faser aufweist.
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Die
Vorteile des Mikroskops 50 gegenüber dem in 3 dargestellten
Mikroskop 30 bestehen darin, daß das Fokussierungselement 32 beseitigt
ist und daß es
nicht erforderlich ist, den Laser 31 mit dem Lichtempfangsende 33 der
einmodigen Faser 34 auszurichten. Weil der integrierte
optische Pigtail 52 der Faser hermetisch in dasselbe Gehäuse wie der
Diodenlaser 51 eingeschlossen ist, kann kein Schmutz in
den optischen Weg zwischen der Laserdiode 51 und dem integrierten
Pigtail 52 der einmodigen optischen Faser eindringen. Weiterhin
weist die Laserdiode 51 typischerweise einen integrierten Rückkopplungsdetektor
auf, der das Bestimmen der Ausgangsleistung des Lasers ermöglicht.
Die Vorteile, die mit dem integrierten optischen Pigtail 54 der Faser
verbunden sind, der dem Photodetektor 53 zugeordnet ist,
bestehen darin, daß es
nicht erforderlich ist, den Detektor bezüglich der Faser zu lokalisieren und
daß kein
Schmutz in den optischen Weg gelangen kann, wie es bei der in 3 dargestellten
Ausführungsform
der Fall ist, wo Schmutz in den optischen Weg zwischen dem Ausgangsende 44 und dem
Detektor 45 eindringen kann.
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Bei
einem in 5 dargestellten weiteren alternativen
beugungsbegrenzten konfokalen Reflexionsmikroskop 60 ist
eine Superfluoreszenzdiode 61 mit einem integrierten Pigtail 62 einer
einmodigen optischen Faser an den Anschluß 63 eines Richtungskopplers 64 einer
einmodigen Faser angeschmolzen. Das Beleuchtungslicht vom integrierten
optischen Pigtail 62 der Faser wird zwischen den Anschlüssen 65 und 66 geteilt.
Der Anschluß 65 des
Kopplers 64 endet an einem Ende 66A, um Rückreflektionen
zu verhindern. Alternativ könnte
das Faserende 66A mit einem Detektor gekoppelt sein, um
die Lichtleistung der Superfluoreszenzdiode 61 zu überwachen.
Das aus dem Ausgangsende 68 der einmodigen Faser 69 austretende
Beleuchtungslicht wird durch ein Mikroskopobjektiv 70 gesammelt,
das eine begrenzte Tubuslänge
aufweist und das in bezug zum Ausgangsende 68 und zum Objekt 71 wirkungsmäßig angeordnet
ist, um ein das Objekt 71 schneidendes beugungsbegrenztes
Fleckmustervolumen zu bilden. Das sich aus der Wechselwirkung zwischen
dem Beleuchtungslicht in dem Volumen und dem Objekt 71 ergebende
austretende Licht wird vom Objektiv 70 gesammelt und auf
das Faserende 68 zurückfokussiert.
Das Mikroskopobjektiv 70 bildet den Kern des Faserendes 68 auf
den zentralen Abschnitt des beugungsbegrenzten Fleckmusters des
Beleuchtungslichts ab, wobei die numerische Apertur NA des auf den
Faserkern fokussierten vom zentralen Abschnitt ausgehenden austretenden
Lichts, die Wellenlänge λ des austretenden
Lichts und der durchschnittliche Durchmesser d des Faserkerns am
Lichtausgangsende 68 der Faser 69 durch die folgende
Gleichung aufeinander bezogen sind: NA = 0,3 × λ/d.
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Das
vom Kern der Faser 69 gesammelte austretende Licht wird
zwischen den Anschlüssen 63 und 72 des
Richtungskopplers 64 der einmodigen Faser geteilt. Das
aus dem Anschluß 72 austretende Licht
durchläuft
den 'integrierten
optischen Pigtail 67 der Faser bis zum Detektor 73.
Ein piezoelektrischer Stapel 75 ist mit der an das Faserende 68 angrenzenden
Faser gekoppelt.
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Bei
der Verwendung durchläuft
Beleuchtungslicht von der Superfluoreszenzdiode 61 den
integrierten Pigtail 62 der einmodigen optischen Faser bis
zum Anschluß 63 des
Kopplers 64. Der Koppler 64 teilt das Beleuchtungslicht
zwischen den Anschlüssen 65 und 66.
Das Beleuchtungslicht läuft vom
Anschluß 66 durch
die Faser 69 und tritt aus dem Ausgangsende 68 der
einmodigen Faser aus und wird durch das Mikroskopobjektiv 70 gesammelt, das
das Beleuchtungslicht in ein das Objekt 71 schneidendes
beugungsbegrenztes Fleckmustervolumen fokussiert. Aus der Wechselwirkung
zwischen dem Beleuchtungslicht in dem Volumen und dem Objekt ergibt
sich austretendes Licht, das durch das Objektiv 70 gesammelt
und auf das Ausgangsende 68 der einmodigen Faser fokussiert
wird. Das vom Kern am Faserausgangsende 68 gesammelte Licht
durchläuft
die Faser 69 bis zum Anschluß 66 des Kopplers 64.
Dieses austretende Licht wird zwischen den Anschlüssen 63 und 72 des
Kopplers 64 geteilt. Licht vom Anschluß 72 durchläuft den
integrierten Pigtail 67 der optischen Faser und wird von
der Photodiode 73 erfaßt.
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Das
Mikroskop 60 kann verwendet werden, um in Verbindung mit
dem Objekt 71 stehende Oberflächenprofilinformationen oder
Informationen innerhalb des Volumens des Objekts 71 zu
erhalten, indem das Faserende 68 unter Verwendung des piezoelektrischen
Stapels 75 entlang der Achse des Beleuchtungssystems (in
z-Richtung) vor- und zurückbewegt
wird. Die Position, bei der am Detektor 73 maximales Licht
erfaßt
wird, entspricht typischerweise der Oberfläche des Objekts 71.
Es ist auch möglich,
das Objekt 71 in der x-y-Ebene abzutasten, indem das Faserende 68 in
der x-y-Ebene bewegt wird. Ebenso wie bei den Mikroskopen 30 und 50 kann
das Objekt 71 beim Mikroskop 60 auch durch Bewegen des
Objektivs 70 und/oder des Objekts 71 in x-y- und in
z-Richtung profiliert werden. Auf diese Weise kann die ganze Oberfläche des
Objekts 71 abgebildet werden.
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Die
Vorteile des Mikroskops 60 gegenüber den Mikroskopen 50 und 30 sind:
- 1. Wegen der geringen Masse der Faser 69 kann das
Objekt sehr schnell abgetastet werden.
- 2. Beim Mikroskop 60 sind weniger optische Elemente
erforderlich als bei den Mikroskopen 30 und 50.
Abgesehen von Kosteneinsparungen wegen der wenigeren optischen Elemente
sind einfachere Befestigungsanordnungen erforderlich, weil die einzigen
zwei Elemente, die optisch zueinander lokalisiert werden müssen, das
Faserende 68 und das Objektiv 70 sind.
- 3. Es ist im Vergleich zu den Mikroskopen 30 und 50 sehr
einfach, das Mikroskop 60 zu justieren. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß das Faserende 68 sowohl
als Faserquelle als auch als Faserdetektor dient. Es ist weiterhin
sehr schwer, das Ausgangsende 68 zu dejustieren.
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Falls
der Richtungskoppler 64 ein Polarisationsteilerkoppler
ist und die Superfluoreszenzdiode 61 so angeordnet ist,
daß das
in den Anschluß 66 eintretende
polarisierte Beleuchtungslicht vorwiegend auf den Anschluß 66 gerichtet
ist, tritt beim Objekt 71 eine höhere Beleuchtungsintensität auf. Falls weiterhin
eine Viertelwellenlängenplatte 74 zwischen dem
Faserausgangsende 68 und dem Objektiv 70 angeordnet
ist, tritt in das Faserausgangsende 68 einfallendes austretendes
Licht vorwiegend aus dem Anschluß 72 aus und fällt auf
die Photodiode 73. Dies liegt daran, daß eine Laserdiode typischerweise
polarisiertes Licht emittiert. Durch richtiges Orientieren der Superfluoreszenzdiode 61 und des
integrierten optischen Pigtails 62 der Faser bezüglich des
Polarisations-Strahlteilerkopplers 64 tritt das Beleuchtungslicht
vorwiegend aus dem Koppleranschluß 66 aus, läuft durch
die Faser 69 und tritt polarisiert aus dem Faserende 68 aus.
Das linear polarisierte Beleuchtungslicht ist nach dem Durchlaufen
der Viertelwellenlängenplatte 74 zirkular
polarisiert. Das vom Objekt 71 reflektierte Beleuchtungslicht
wird, wenn es durch die Viertelwellenlängenplatte 74 zurückläuft, senkrecht
zum Beleuchtungslicht linear polarisiert. Daher tritt dieses austretende
Licht, das durch die Faser 69 in den Anschluß 66 des
polarisierenden Strahlteilerkopplers 64 läuft, vorwiegend
entlang der Faser 67 durch den Anschluß 72 aus und wird
von der Photodiode 73 erfaßt.
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Der
Vorteil des Aufnehmens der Viertelwellenlängenplatte 74 und
des Verwendens des polarisierenden Strahlteilerkopplers 64 besteht
darin, daß das
sich von einem Objekt 71, das einen Teil des Beleuchtungslichts
reflektiert, ergebende Signal verstärkt wird.
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Das
in 6 dargestellte alternative beugungsbegrenzte konfokale
Reflexionsmikroskop 80 gleicht dem in 5 dargestellten
konfokalen Mikroskop 60, wobei ein optisches Element 81 jedoch
zwischen einem Faserausgangsende 82 und einer Viertelwellenlängenplatte 83 angeordnet
ist. Weiterhin ist ein Mikroskopobjektiv 84 auf unendlich
korrigiert. Der Vorteil des Mikroskops 80 gegenüber dem
Mikroskop 60 besteht darin, daß es schwierig ist, einen beugungsbegrenzten
Betrieb im Mikroskopobjektiv 70 aufrechtzuerhalten, wenn
die Viertelwellenlängenplatte 74 vorhanden
ist. Beim Mikroskop 80 aus 6 wird durch
das Aufnehmen des optischen Elements 81 verhindert, daß von der
Wellenlängenplatte 83 Aberrationen
des Beleuchtungslichts und des austretenden Lichts hervorgerufen
werden.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Ein
beugungsbegrenztes konfokales Mikroskop gemäß der Erfindung kann in Umgebungen
eingesetzt werden, in denen Schwingungen ein Problem für herkömmliche
konfokale Mikro skope sind, weil es leichter justiert werden kann
und weil es weniger Teile gibt, die justiert gehalten werden müssen. Weiterhin
kann die Beleuchtungs- und Erfassungsoptik und die Elektronik eines
konfokalen Mikroskops gemäß der Erfindung
in einem Abstand von der eigentlichen optischen Fokussierungsgruppe
des Mikroskops angeordnet werden, wodurch ermöglicht wird, daß es in elektronisch
verrauschten Umgebungen eingesetzt wird, ohne daß eine komplexe elektrische
Abschirmung erforderlich wäre.
Bei einer speziellen Ausführungsform
eines konfokalen Mikroskops gemäß der Erfindung
ist es wegen der Verwendung der neuartigen Anordnung der einzigen
optischen Faserquelle/Detektorblende nicht für kleinere Fehljustierungen anfällig, die
zu einer asymmetrischen Anordnung der Lochblende führen, und
es ist daher anders als bei einem herkömmlichen konfokalen Mikroskop
kein fortlaufendes Überwachen
der Position der Lochblende erforderlich. Weil ein Energieleiter
und, wenn Licht als Energiequelle verwendet wird, bei einem konfokalen
Mikroskop gemäß dieser
Erfindung eine optische Faser als Beleuchtungslichtleiter verwendet wird,
läßt sich
dieses Mikroskop leichter warten und ist zuverlässiger, weil Energieleiter
und insbesondere optische Fasern weniger anfällig für eine Kontamination durch
Schmutz sind als mechanische Lochblenden, die bei einem herkömmlichen
konfokalen Mikroskop verwendet werden. Weil bei einem konfokalen Mikroskop
gemäß der Erfindung
weiterhin weniger Teile erforderlich sind, ist es schon an sich
kostengünstiger
in der Herstellung und in der Wartung. Wenn überdies bei einem konfokalen
Mikroskop gemäß der Erfindung
eine einzige optische Faserquelle / Detektorblende verwendet wird,
ist es möglich,
ein Objekt schnell abzutasten, indem das Ausgangsende der Faser
einfach zum Schwingen gebracht wird. Dies ermög-licht es, daß ein konfokales
Mikroskop gemäß der Erfindung
für ein
schnelleres Abbilden verwendet wird als herkömmliche konfokale Mikroskope,
während
der beugungsbegrenzte Betrieb mit hoher Auflösung aufrechterhalten wird.