DE69729747T2

DE69729747T2 - Hochauflösendes konfokales mikroskop

Info

Publication number: DE69729747T2
Application number: DE69729747T
Authority: DE
Inventors: R. Matthew ATKINSON
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: CA2290575A1; ATE270439T1; JP4054893B2; EP0981776B1; WO1998052084A1; CA2290575C; DE69729747D1; EP0981776A1; JP2001525082A; AU4491997A; KR20010012563A; US6108127A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Mikroskope. Insbesondere betrifft die Erfindung konfokale optische Scan-Mikroskope.
Optische konfokale Scan-Mikroskope sind in der Technik bekannt und liefern im Vergleich zu traditionellen optischen Mikroskopen eine Reihe von Vorteilen. Ein Hauptvorteil eines konfokalen Scan-Mikroskops besteht darin, daß es eine Probe optisch unterteilt, da es Licht, das nicht fokussiert ist, dämpft. Somit trägt nur Licht, das fokussiert ist, zu dem Endbild bei.
Bei einem konfokalen Scan-Mikroskop wird ein Strahl über eine Oberfläche einer Probe geführt. Das von der Probe kommende Licht (z. B. von ihr reflektiert oder emittiert oder durch sie durchgelassen) wird zu einer kleinen Öffnung gelenkt. Fokussiertes Licht tritt durch die Öffnung hindurch und auf einen optischen Detektor. Während der Strahl über die Oberfläche der Probe geführt wird, kann die Ausgabe des optischen Detektors akkumuliert und zu einem Bild der gescannten Oberfläche geformt werden.
US-A-5 192 980 betrifft ein optisches Scan-Mikroskop mit einem Beugungsgitter in dem Detektionszweig. Dieses Beugungsgitter trennt das von der Probe gesammelte Licht räumlich. Eine standardmäßige konfokale Linse-Öffnung-Kombination wählt dann das Licht aus, das den Detektor erreichen soll und blockiert den Rest. Durch Drehen des Gitters wird somit das Spektrum des von der Probe an einer bestimmten Position gesammelten Lichts gemessen. Das standardmäßige Führen des Strahls über die Probe kann gemeinsam mit diesem spektralen Scannen ausgeführt werden.
Aus US-A-5 032 720 ist ein konfokales Abbildungssystem bekannt, das in einer Parallelstrahlanordnung mit einem standardmäßigen Scansystem betrieben wird, das aus zwei scannenden Elementen (sich drehenden Spiegeln) und einer afokalen Zwischenübertragungsoptik zwischen den scannenden Elementen besteht. Das in den Detektionszweig gelenkte Licht trifft dann auf eine Irisblende, und das durch die Irisblende hindurchtretende Licht wird dann detektiert. Im Gegensatz zu richtigen konfokalen Mikroskopen liegt keine Linse-Öffnung-Kombination vor.
Aus GB-A-2 814 321 ist ein konfokales Scan-Mikroskop bekannt, das durch eine Anordnung gebildet wird, die an einem herkömmlichen optischen Mikroskop angebracht wird, um aus ihm ein konfokales Mikroskop zu machen. Diese Anordnung weist ein standardmäßiges Scansystem auf, das aus zwei strahlablenkenden Einrichtungen (sich drehenden Spiegeln) mit afokalen Teleskopen zwischen den beiden sich drehenden Spiegeln und zwischen dem zweiten sich drehenden Spiegel und der Objektivlinsen-Objektebene des herkömmlichen Mikroskops besteht.
Die vorliegende Erfindung enthält ein konfokales Scan-Mikroskop wie in den Ansprüchen definiert. Das Mikroskop enthält eine Lichtquelle, die einen Beleuchtungsstrahl liefert, und eine Scanoptik, die den Lichtstrahl über eine Oberfläche einer Probe bewegt. Licht, was von der Oberfläche kommt (d. h. von ihr reflektiert oder emittiert wird oder von ihr durchgelassen wird), tritt durch eine Nadelöhrlinse hindurch, die das Licht auf eine Öffnung zur Detektion durch einen optischen Detektor fokussiert, um dadurch ein Bild des Objekts zu formen. Ein optisches Divergenzelement ist in den Lichtweg eingesetzt und bewirkt, daß das von der Probe kommende Licht divergiert und deshalb eine größere Fläche der Nadelöhrlinse bedeckt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein vereinfachtes Diagramm eines konfokalen Mikroskops nach dem Stand der Technik.
2 ist ein „entfaltetes" Diagramm des Mikroskops von 1.
3 ist ein vereinfachtes Diagramm des Detektionszweigs des konfokalen Mikroskops von 1.
4 ist ein vereinfachtes Diagramm eines länglichen Detektionszweigs nach dem Stand der Technik eines konfokalen Mikroskops.
5 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Detektionszweigs eines konfokalen Mikroskops einschließlich eines optischen Elements, das gemäß einem Aspekt der Erfindung in den Detektionszweig eingesetzt ist.
6A ist eine Seitenansicht einer Scanoptik in einem konfokalen Mikroskop.
6B ist eine Perspektivansicht der Scanoptik.
6C ist eine vereinfachte Ansicht eines konfokalen Mikroskops mit einer Scanoptik gemäß einem Aspekt der Erfindung.
7 ist eine graphische Darstellung der Intensität als Funktion der seitlichen Position für einen Auflösungszielscan mit einem konfokalen Mikroskop.
8 und 9 sind graphische Darstellungen des Kontrasts als Funktion der Raumfrequenz von konfokalen Mikroskopen, die durch die vorliegende Erfindung erfolgte Verbesserungen darstellen.
10 ist ein vereinfachtes Diagramm, das die Divergenz des Strahls im Detektionszweig eines konfokalen Mikroskops gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung stellt ein konfokales Scan-Mikroskop bereit. Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet die Erhöhung der Auflösung um einen Faktor von über drei. Die Erfindung beinhaltet, zusätzliche optische Komponenten in einem Rückweg des Mikroskops anzuordnen, um die Zurückweisung von außeraxialem Licht zu erhöhen (d. h. von Licht, das von einer Stelle kommt, die von der Stelle entfernt ist, wo der Meßstrahl fokussiert ist). Dies geschieht durch Vergrößern des Winkels zwischen dem Strahl und der optischen Achse und durch Vergrößern der natürlichen Divergenz des Strahls, um die Nadelöhrlinse besser zu füllen, damit man in der Ebene der Öffnung einen kleineren fokussierten Fleck erhält.
1 ist ein vereinfachtes Diagramm eines auf Unendlich korrigierten konfokalen Mikroskops 10 nach dem Stand der Technik (oder eines Mikroskops vom Typ II nach Wilson und Sheppard), das auf eine Probe 8 fokussiert ist. Ein derartiges Mikroskop weist zwischen einer Quelle 12, einem Raumfilter 14, einem Strahlteiler 16, einer Scanoptik 18 und einer Objektivlinse 20 einen Parallelstrahlweg auf. Die Scanoptik 18 und die Objektivlinse 20 fokussieren jeweils punktweise Licht auf eine Probe B. Das von der Probe 8 kommende Licht wird gesammelt und zur Öffnung 24 fokussiert (gemäß bekannter Techniken). Licht von einem fokussierten Punkt auf der Achse wird durch die Detektionsöffnung 24 fokussiert und vom Detektor 26 detektiert. Licht von Punkten, die nicht fokussiert sind und/oder außerhalb der Achse sind, wird von der Öffnung 24 weg fokussiert und nicht detektiert. 2 ist ein „entfaltetes" vereinfachtes Diagramm des Mikroskops 10 und des Rückwegs oder Zweigs 30, in dem die vorliegende Erfindung verwendet wird. In späteren Figuren wird nur der Rückwegteil des Mikroskops erörtert.
Die vorliegende Erfindung betrifft den Teil des Strahlwegs vom Objektiv 20 zum Detektor 26, d. h. den Rückweg oder Zweig 30. Um zu verstehen, wie das Mikroskop 10 das Licht detektiert, sei ein punktförmiges Objekt auf der Achse betrachtet, d. h. eines, das sich in der Mitte auf der Punktbeleuchtung auf dem Objekt 8 befindet. Es kommt zu einer Verringerung des Signals am Detektor 26, wenn das punktförmige Objekt von der Achse wegbewegt wird. Die Veränderung des detektierten Signals mit dem Versatz des punktförmigen Objekts ist als die Point-Spread-Funktion (PSF, Punktverbreiterungsfunktion) definiert. Je schmaler die PSF, um so höher die seitliche Auflösung.
3 zeigt den Zweig 30 und veranschaulicht, daß das Kippen des Strahls 32 von der optischen Achse 34 weg die Verschiebung der Stelle auf der Öffnung 24 bestimmt und in direkter Beziehung zu der Größe des Versatzes des punktförmigen Objekts von der optischen Achse 34 steht. Außerdem führt das Kippen zu einer kleiner seitlichen Verschiebung des Strahls 32 auf der Nadelöhrlinse 22. Im Stand der Technik ist dies jedoch als vernachlässigbar ignoriert worden, weil typische Mikroskope relativ kurze Strahlwege verwenden. Bei einem Mikroskop mit einem sehr langen Strahlweg (d. h. Metern anstatt Zentimetern) können derartige Effekte nicht ignoriert werden. Wie in 4 gezeigt, geht der Strahl 32, wenn der Detektionszweig 30 stark verlängert wird, an der Nadelöhrlinse 22 vorbei. Dadurch wird das außeraxiale Licht, das detektiert wird, reduziert, was die seitliche Auflösung erhöht. Die seitliche Antwort für diesen Fall wurde abgeleitet:
„vielleicht ein System von Linsen, die in den Detektorzweig eingesetzt werden könnten und den Winkel zwischen dem Parallelstrahl und der optischen Achse vergrößern würden. Dies würde zu einer noch schärferen seitlichen Antwort führen." („Confocal Microscopy Applied to Metrology of Integrated Circuits", Matthew R. C. Atkinson, Doktorarbeit Dissertation Abstracts International, 53/06-B, S. 2947, 1991).
5 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Rückzweigs 30 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Man beachte, daß aus Gründen der Vereinfachung in den Figuren gleiche Elemente ihre Numerierung beibehalten haben. Der Rückzweig 30 enthält ein optisches Element 42, das in den Lichtstrahlweg zwischen der Scanoptik 18 und der Nadelöhrlinse 22 eingesetzt ist. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist das optische Element 42 ein einfaches Keplersches Teleskop mit einer Objektivlinse 46 und einer Linse 44 mit schwacher Brechkraft. Die Erfindung enthält jedoch andere optische Elemente wie etwa ein einfaches Galileisches Teleskop und komplexere Mehrlinsenelemente.
Der optische Einsatz 42 wirkt wie ein Teleskop, das den Winkel zwischen der optischen Achse und dem von einem der Achse entfernten Objekt kommenden Licht vergrößert. Bei einem gegebenen Objektversatz ist der Fleck in der Öffnungsebene weiter weg von der optischen Achse als in 3 (Typ II). Bei Untersuchung der Einrichtung von 5 kann jedoch festgestellt werden, daß der Fleck zwar von der Öffnung 24 weiter entfernt ist, da der Strahl weniger von der Linse 22 füllt, der Fleck in der Öffnungsebene jedoch um den gleichen Faktor größer ist wie die Zunahme der Entfernung von der optischen Achse, was insgesamt zu keiner Verbesserung der Auflösung führt.
Mit den Ausführungsformen von 5 kann man ein Modell für das System unter Berücksichtigung der natürlichen Divergenz des Strahls entwickeln. Bei konfokalen Mikroskopen nach dem Stand der Technik ist die natürliche Divergenz des Strahls kein Faktor, weil entweder der Strahl so breit ist, daß der Effekt minimiert ist (die winkelmäßige Aufweitung des Strahls ist dabei umgekehrt proportional zum Strahldurchmesser an seinen engsten Punkt), der Strahlweg ausreichend kurz ist, daß sie nicht bemerkt wird, oder indem in einer sogenannten finit-konjugierten oder Typ-I-Konfiguration gearbeitet wird. Gemäß der Erfindung ist jedoch der Durchmesser des die Linsen 44, 46 verlassenden Strahls reduziert, so daß die Divergenz ein Faktor ist. Nicht nur ist der Strahlwinkel zu der optischen Achse nach dem Durchtritt durch die Linsen 44, 46 vergrößert, sondern auch die Strahlbreite ist reduziert. Bei großen Strahlreduzierungsverhältnissen ist die sich ergebende Strahlbreite schmal genug, daß eine Ausbreitung des Strahls nach der geometrischen Optik nicht gilt und die physikalische Optik verwendet werden muß. Die vorliegende Erfindung enthält ein Modell aus der physikalischen Optik, das die Strahldivergenz berücksichtigt. In der Erfindung gibt es eine Strahldivergenz Θ, wenn der Strahl die Nadelöhrlinse 22 erreicht, und zwar gemäß
wobei λ die Wellenlänge des Lichts und d_o die anfängliche Strahlbreite ist. Diese Gleichung beschreibt die Divergenz eines Gaußschen Strahls. Man beachte, daß die durch Gleichung 1 beschriebene Divergenz geringfügig verändert ist, da das Strahlprofil verschieden ist und üblicherweise das Feld, wenn es die zweite Einsatzlinse 46 verläßt, eine kleine Phasenkrümmung aufweist. Diese modifizieren den Divergenzwinkel und somit die Strahlbreite bei der Nadelöhrlinse.
Die vorliegende Erfindung kann überall in dem Rückzweig eines konfokalen Mikroskops implementiert werden. Beispielsweise kann die Erfindung in einer Scanoptik 18 implementiert werden, was nun ausführlicher erläutert wird. 6A zeigt das Positionieren von Übertragungslinsen 80A und 80B in einer typischen Ausführungsform der Scanoptik 18. Die Linsen 80A, 80B sind in den angegebenen Entfernungen relativ zum Scanspiegel 82A der Objektivlinse 20 und zueinander positioniert. Der Scanspiegel 82A bewegt den Strahl wie durch die Pfeile in 6A gezeigt. 6B zeigt eine Schrägansicht eines typischen Scansystems 18. Es gibt zwei Scanspiegel 82A und 82B und zwei Paare von Übertragungslinsen 80A, 80B und 84A, 84B. Die Spiegel 82A, 82B geben jeweils dem Strahl in orthogonalen Richtungen eine Winkelbewegung. 6C zeigt den entfalteten Strahlweg entlang dem Rückweg und die Scanoptik 18 ausführlicher.
Obwohl üblicherweise die Point-Spread-Funktion (PSF) berechnet wird, wird sie üblicherweise nicht gemessen. Statt dessen wird ein Auflösungsziel mit Gruppen von Linienpaaren unterschiedlicher Breiten abgebildet und der Kontrast wird gemessen. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Linienprofils über einen Teil eines Bilds eines Auflösungsziels. Ein Maß für die Detektionsqualität eines Objekts ist ein Kontrast, der anhand von 7 berechnet wird als: Kontrast = (IMAX – IMIN)/(IMAX + IMIN) Gl.2
Wenn zwei Objekte nur gemäß dem Rayleigh-Auflösungskriterium (dem „Standardkriterium") aufgelöst werden, beträgt der Kontrast zwischen ihnen und dem Hintergrund 0,19. Um die Auflösung eines Systems zu bestimmen, wird der Kontrast als eine Funktion der „Raumfrequenz" gemessen (gegeben durch die Anzahl der Linien-Raum-Paare pro Entfernungseinheit), z. B. Kontrast = 0,33 bei 200 Linien/mm. Die Rayleigh-Auflösungsgrenze (oder ein anderes Kriterium) kann anhand dieser Ergebnisse bestimmt werden. Kontrastkurven, die aus Bildern berechnet wurden, die mit der Einrichtung von 6C erhalten wurden, sind in den 8 und 9 gezeigt. Das berechnete „herkömmliche konfokale" Modell (d. h. der Stand der Technik) liefert wie erwartet die niedrigste Auflösung. Der Fall mit dem Einsatz sowohl in der Scanoptik als auch dem Detektionszweig ist der beste.
Ein Aspekt der Erfindung ist die Entdeckung, daß die natürliche Divergenz des Strahls vorteilhafterweise verwendet werden kann, um mehr von der Nadelöhrlinse 22 als bei typischen Systemen im Stand der Technik zu füllen. Dies führt zu einer kleineren fokussierten Stelle in der Öffnungsebene. Die erwünschte optische Divergenz kann man erhalten, indem man entsprechende optische Elemente an einer beliebigen Stelle in den Lichtweg des Rückzweigs 30 einsetzt oder konfiguriert. Ein Beispiel ist das Teleskop 42 von 5. Ein weiteres Beispiel ist in 6C gezeigt, in dem die Linsen 80A, 80B ein 2 : 1-Teleskop bilden. Die Linsen 84A und 84B sind ebenfalls von einem Element mit Einheitsvergrößerung (1 : 1) zu einem 2 : 1-Teleskop verändert. Dies reduziert den Winkelscanbereich beim Objektiv 20, was einem reduzierten Scangebiet auf dem Objekt entspricht. Außerdem reduziert jedes Teleskop die Breite des reflektierten Strahls, während er auf dem Rückweg 30 durch die Scanoptik 18 zurückläuft. Wenn der Rückstrahl die Scanoptik verläßt, ist seine Breite um einen Faktor von 4 reduziert worden. Dieser Strahl ist ausreichend schmal, daß er im Rückweg 30 divergiert und die Nadelöhrlinse 22 füllt. Weiterhin verläßt Licht, das von einer Stelle zurückkehrt, die sich von der Mitte der fokussierten Stelle wegbefindet, den Spiegel 82B unter einem Winkel zur optischen Achse, der viermal größer ist als mit einer 1 : 1-Übertragungsoptik des Stands der Technik. Die Kontrastkurven für diesen Fall sind in den 8 und 9 als Fall I gezeigt.
6C zeigt ebenfalls eine weitere Verbesserung dahingehend, daß das Teleskop 42 auch im Rückzweig 30 vorgesehen ist. Das Teleskop 42 verengt den Strahl noch weiter und führt deshalb zu einer stärkeren Divergenz und zu einem besseren Füllen der Nadelöhrlinse 22 und somit zu einem kleineren fokussierten Fleck bei der Öffnung 24. Außerdem vergrößert das Teleskop 42 den Winkel zwischen Licht, das von einer Stelle zurückkehrt, die von der Mitte des fokussierten Flecks entfernt ist, und der optischen Achse 34. Die Kontrastkurven für diesen Fall sind in den 8 und 9 als Fall II gezeigt. Der Fall II liefert eine zusätzliche weitere Verbesserung hinsichtlich der Auflösung im Vergleich zu Fall I.
10 ist vorgesehen, um die Funktionsweise der Erfindung zu beschreiben, und veranschaulicht den Effekt der natürlichen Divergenz im Rückzweig 40. Die Divergenz des auf der Achse liegenden Flecks ist durch die Linien bei 60 gezeigt. Die Divergenz bewirkt, wie gezeigt, daß der Strahl einen größeren Teil der Nadelöhrlinse 22 füllt als bei Systemen nach dem Stand der Technik. Mit dem Element 42 erhält man außerdem die oben erwähnte größere Ablenkung von außeraxialem Licht. Die Divergenz sollte bevorzugt bewirken, daß der Strahl die Nadelöhrlinse 22 vollständig füllt.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf 10 erläutert werden. Wie hier verwendet: Ux, Ux' sind die skalaren Felder vor und hinter einer Linse (oder einem Objekt oder einer Öffnung) jeweils bei Position x. Licht ist ein sich ausbreitendes elektromagnetisches (Vektor) Feld, aber eine standardmäßige Annäherung für das Systemdesign ist die Verwendung eines skalaren Felds. Weiterhin sind fx, Px die Brennweite bzw. Pupillengröße einer Linse bei der Position x.
Das Winkelspektrum ebener Wellen (ASPW = Angular Spectrum of Plane Waves) ist eine präzise Beschreibung der Ausbreitung eines Felds über alle Entfernungsbereiche für alle Grade der Strahldivergenz. Mit verschiedenen Approximationsniveaus der ASPW-Beschreibung erhält man die bekannten Fresnel- und Fraunhoffer-Beugungsintegrale. Bei dem vorliegenden System kann die Gestalt des Lichtflecks bei der Öffnung 24 aufgrund eines auf der Achse liegenden punktförmigen Objekts mit den ASPW berechnet werden. Bei einem gutkorrigierten System, d. h. einem mit minimalen Aberrationen innerhalb eines bestimmten Blickfelds, verändert der Fleck in der Ebene der Öffnung 24 nicht die Gestalt, wenn das punktförmige Objekt in die Objektebene bewegt wird. Die Position des Flecks in der Ebene der Öffnung 24 (als Funktion der Position eines punktförmigen Objekts in der Objektebene) kann über standardmäßige geometrische Optik vorhergesagt werden.
Die Pupille der Objektivlinse 20 ist ausreichend groß, so daß U₄₄ für all vernünftigen Werte von d_20,44 effektiv eine ebene Welle ist. Nach dem Durchtritt durch die Linsen 44 und 46 ist die Breite des Strahls um einen Faktor f₄₄/f₄₆ reduziert. Wenn der Strahl ursprünglich unter einem Winkel α zur optischen Achse verläuft (aufgrund eines außeraxialen punktförmigen Objekts in der Objektebene), wird er nun unter einem Winkel β = α × f₄₄/f₄₆ verlaufen.
Alles Licht in freiem Raum wird schließlich im allgemeinen divergieren. Ein schmalerer Strahl bei einer bestimmten Apertur wird jedoch mit einer größeren Geschwindigkeit divergieren. Es gibt präzise Divergenzgleichungen für Gaußsche Strahlen (Strahlen mit einem Gaußschen Profil), aber nicht für abgeschnittene gleichförmige ebene Wellen. Das gleiche Prinzip der Divergenz gilt jedoch für beide. Die den Divergenzwinkel θ eines Gaußschen Strahls beschreibende Gleichung ist oben bei Gleichung 1 dargelegt. In Gleichung 1 ist d₀ die Breite des Strahls, wenn er die Linse 46 verläßt. Zwei Dinge ändern die Divergenz gegenüber Gleichung 1 für den vorliegenden Fall: das Strahlprofil ist unterschiedlich, und es kommt üblicherweise an dem Feld zu einer geringen Phasenkrümmung, wenn es die Linse 46 verläßt. Diese modifizieren den Divergenzwinkel und somit die Strahlbreite bei der Nadelöhrlinse 22.
U'₄₆ ist ausreichend schmal, daß er bei Ausbreitung zur Nadelöhrlinse 22 divergiert. Ein Ziel beim Design besteht darin, daß der Strahl ausreichend divergiere, so daß die Breite von U₂₂ in der Nähe der Breite von U'₂₀ liegt. Dies kann erreicht werden, indem entweder U'₄₆ klein gemacht wird (um den Divergenzwinkel zu vergrößern) oder indem d_46,22 groß gemacht wird (um die zur Verfügung stehende Entfernung zu vergrößern, über die sich der Strahl aufweiten kann). U'₄₆ kann klein gemacht werden, indem man ein großes Verhältnis f₄₄/f₄₆ hat. Die geometrische Optik sagt vorher, daß die Breite von U'₄₆ = P₂₀ × f₄₆/f₄₄. Beugungsberechnungen zeigen, daß dies eine vernünftige Approximation darstellt. Um jedoch die eigentliche Gestalt des fokussierten Flecks bei der Öffnung 24 zu bestimmen, müssen überall Beugungsberechnungen verwendet werden. Die Entfernung d_46,22 kann groß gemacht werden, doch gibt es keine Grenzen, wie dies erfolgen kann. Die einfache Ausbreitung im freien Raum von der Linse 46 zur Nadelöhrlinse 22 wird von der Größe des Instruments begrenzt. Die meisten kommerziellen konfokalen Mikroskope werden als Anbauten an standardmäßige optische Mikroskope gebaut und haben keinen Platz für die erforderlichen Entfernungen (in der Größenordnung einiger weniger Meter). Der Strahl kann durch Verwendung von Spiegeln in einem kompakteren Bereich gefaltet werden. Selbst die besten Spiegel führen jedoch bei Reflexion in den Strahl eine gewisse Wellenfrontverzerrung ein (in der Regel λ/4). Diese Fehler häufen sich an und führen zu einem größeren Fleck bei der Öffnung 24. Dadurch verschlechtert sich die Auflösung des Instruments.
Wegen der Divergenz von U₂₂ muß die Öffnung 24 axial von der Nennposition von d_22,24 = f₂₂ weg verschoben werden, damit man die beste Schärfe erhält. In der Regel beträgt diese Verschiebung weniger als 10% von f₂₂. Beugungsberechnungen für ein auf der Achse liegendes Objekt werden verwendet, um die beste Schärfeposition und die Gestalt des Flecks in der Ebene der Öffnung 24 zu bestimmen, d. h. U₂₄. Nachdem die Brennebene gefunden ist, kann die Position des Flecks (in der Ebene der Öffnung 24) für ein außeraxiales Objekt über die geometrische Optik berechnet werden. Somit kann nun die seitliche Auflösung bestimmt werden.
Die geometrische Optik sagt vorher, daß sich der Fleck bei bestimmten Bedingungen und Kombinationen aus Linsen und Entfernungen nicht auf der Öffnung 24 bewegt, wenn das Objekt bewegt wird. Der Strahl wird zu einem Fleck fokussiert, und der Strahl wird um die Öffnung 24 gekippt, bewegt sich aber nicht seitlich. Dadurch wird die Antwort dramatisch verschlechtert (bis zum Punkt einer nicht-konfokalen seitlichen Antwort). Diese Position kann vorhergesagt und vermieden werden.
Wie oben beschrieben beinhaltet die vorliegende Erfindung das Einsetzen mindestens eines vergrößernden Elements in den Rückweg eines konfokalen Mikroskops, um die Ablenkung von außeraxialem Licht zu vergrößern. Weiterhin bewirken das eine oder die mehreren optischen Elemente des Einsatzes die Vergrößerung der natürlichen Divergenz des Strahls, wodurch ein größerer Bereich der Nadelöhrlinse von dem Strahl gefüllt wird. Die natürliche Divergenz bezieht sich auf die Divergenz des Strahls in der „physikalischen Optik" oder auf die „nichtgeometrische" Divergenz, bei der die Wellenfront des Lichts bei Aufweitung der Wellenfront divergiert. Man beachte, daß dies nicht die Divergenz ist, die mit einer geometrischen Optik auftritt, die nicht fokussiert ist. Über eine ausreichend große Entfernung wird der Lichtstrahl auf natürliche Weise divergieren. Mit einem in den Rückweg eingesetzten optischen Element jedoch, kann diese Divergenz so beschleunigt werden, daß der Gesamtstrahlweg möglicherweise nur einen Meter oder weniger beträgt. Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet ein konfokales Mikroskop mit erwünschter natürlicher Divergenz und einem Strahlweg von unter 3 Metern. Weiterhin kann in den Detektionszweig jede Art von optischem Element eingesetzt werden, das diese Funktion bereitstellt, und die Erfindung ist nicht auf das in der bevorzugten Ausführungsform dargelegte Teleskop begrenzt. Weiterhin können geeignete Spiegel, Prismen, oder aktive Elemente verwendet werden, um die Divergenz und/oder Vergrößerung zu fördern. Weiterhin kann das Mikroskop als ein Ophthalmoskop verwendet werden, bei dem die Hornhaut plus Linse eines Auges eines Patienten wie die Objektivlinse wirkt, um den hinteren Teil des Auges zu betrachten. Das Mikroskop kann alternativ in einem System verwendet werden, um optische Daten aus einem mehrschichtigen Datenmedium aus mehreren Schichten aufgezeichneter optischer Daten abzurufen.
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, daß hinsichtlich Form und Detail daran Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er beansprucht wird.

Claims

Konfokales Scan-Mikroskop zum Abbilden eines Objekts, das aufweist: eine Lichtquelle (12), die einen Beleuchtungsstrahl liefert, der entlang einem Lichtweg mit einer optischen Achse (34) auf das Objekt (8) gerichtet ist; ein Objektivlinsensystem (20) im Lichtweg, das den Beleuchtungsstrahl auf eine Stelle auf oder in dem Objekt fokussiert, wodurch das Objekt Strahlung von der Stelle emittiert und dadurch einen von der Stelle ausgehenden Strahl liefert; eine Scanoptik (18) im Lichtweg, um die fokussierte Stelle über eine Oberfläche des Objekts zu bewegen; eine Nadelöhrlinse (22), die den von der Stelle ausgehenden Strahl zu einer Öffnung (24) im Lichtweg fokussiert; wobei die Öffnung mindestens einen Teil des von der Stelle ausgehenden Strahls durch das Objektivlinsensystem (20) und die Scanoptik (18) empfängt; einen Detektor (26), der den von der Stelle ausgehenden Strahl detektiert, wobei der Strahl durch die Öffnung verläuft; und mindestens ein Teleskop (42) im Lichtweg, das zwischen der Nadelöhrlinse und der Scanoptik positioniert ist, um zunächst den Durchmesser des Strahls zu reduzieren, der von der auf die Achse fokussierten Stelle ausgeht und von dem Objektivlinsensystem (20) kollimiert wurde, was die natürliche optische Divergenz verstärkt und einen etwaigen außeraxialen Winkel des von der fokussierten Stelle ausgehenden Strahls und eines etwaigen von einem außeraxialen Punkt ausgehenden Strahlteils vergrößert.
Konfokales Scan-Mikroskop nach Anspruch 1, weiterhin mit mindestens einem Übertragungsteleskop mit Linsen (80A, 80B) innerhalb der Scanoptik (18).
Konfokales Scan-Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit einem Übertragungsteleskop mit Linsen (84A) und (84B) innerhalb der Scanoptik (18).
Konfokales Scan-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Spiegel oder Prismen eingesetzt werden, um die Divergenz und Verstärkung zu fördern.
Konfokales Scan-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gesamtlänge des Lichtwegs unter drei Metern liegt.
Konfokales Scan-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lichtquelle einen Laser aufweist.