Optische Scan-Einrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Scan- Einrichtung mit zwei Scan-Spiegeln und mit optischen Elementen zur Abbildung beider Scan-Spiegel aufeinander über eine Zwischenabbildung.
Die im Stand der Technik bekannten Laser-Scan- Einrichtungen, wie sie etwa in Laser-Scanning-Mikroskopen oder ophthalmologischen Geräten eingesetzt werden, bestehen meist aus zwei im Strahlengang aufeinander folgend angeordneten uniaxialen Scan-Spiegeln, die um orhtogonal ausgerichtete Ablenkachsen schwenken, um ein biaxiales Scannen zu ermöglichen. Diese Scan-Spiegel sind in der Regel als Galvanometer- oder Polygon-Spiegel ausgeführt.
Bei Verwendung in einem optischen Abbildungssystem erfolgt nur die Abbildung für einen der beiden Scan-Spiegel optimal, da sich beide nicht in derselben Ebene befinden. Es ist auch bekannt, eine Ebene zwischen den Scannern abzubilden, wodurch jedoch die Abbildung beider Scan-Spiegel unscharf erfolgt.
Daher muss, um eine Intensitätsvariation des Laser-Spots aufgrund der Bewegung der Abbildungs-Pupille zu vermeiden, eine Überfüllung der Pupille vorgenommen werden. Dies verursacht jedoch einen Licht- bzw. Intensitätsverlust im weiteren Verlauf des AbbildungsSystems .
Zwischen beiden uniaxialen Scan-Spiegeln können optische Elemente zur Erzeugung einer Zwischenabbildung vorgesehen sein, so dass ein Bild des ersten Scan-Spiegels auf dem zweiten Scan-Spiegel entsteht. Im weiteren Verlauf des Ab-
bildungss rahlengangs wird dann die Ebene des zweiten Scan- Spiegels abgebildet. Ein solches AbbildungsSystem ist im Zusammenhang mit mikroskopischen Anwendungen beschrieben in WO 90/00755.
Ein wesentlicher Nachteil hierbei ist der verhältnismäßig große Platzbedarf, da die Zwischenabbildung über reflektive Elemente erfolgt, um chromatische Fehler wegen der Dispersion refraktiver Elemente zu vermeiden. Dieser Nachteil schränkt die Einsatzmöglichkeit auf stationäre Applikationen ein.
Im Unterschied dazu kann vorteilhaft mit nur einem mikro- elektromechanischen Scan-Spiegel, bekannt unter der Bezeichnung MEMS, ein Strahlenbündel in derselben Ebene biaxial, also um beide orthogonale Achsen, abgelenkt werden. Um einen hinreichend großen Ablenkwinkel mit genügend hoher Positioniergenauigkeit und -geschwindigkeit bei niedrigen AntriebsSpannungen oder -strömen erreichen zu können, werden MEMS-Scan-Spiegel häufig mittels elektrostatischer Kammantriebe bewegt .
Dabei sind die beiden zur biaxialen Ablenkung erforderlichen Antriebskämme so zueinander orientiert, dass in zwei unterschiedlichen Betriebsweisen entweder ein resonantes Schwingen des Scan-Spiegels angeregt oder der Scan-Spiegel exakt quasistatisch positioniert wird, wie dies beispielsweise in US 7295726 Bl, EP 1410047 Bl oder US 7078778 B2 beschrieben ist .
Alternative Antriebskonzepte sind durch elektromagnetische oder auch Piezo-Antriebe gegeben.
Allen vorgenannten Antriebskonzepten ist jedoch gemein, dass es sich um schwingungsfähige mechanische Systeme, so genannte Feder-Masse-Systeme, handelt, welche mindestens eine Resonanzfrequenz aufweisen. Um damit einen bestimmten Ablenkwinkel zu erreichen, muss dieser für eine quasistatische Operation bereits bei einer statischen Positionierung erreicht werden. Dies erfolgt im Allgemeinen durch eine entsprechende Dimensionierung der für die Rückstellkraft verantwortlichen Federgelenke, woraus bei gegebenem Antriebs- und Trägheitsmoment die Resonanzfrequenz resultiert .
Soll der Ablenkwinkel nur bei der Resonanzfrequenz erreicht werden, so wird die Resonanzüberhöhung der Amplitude im Frequenzgang ausgenutzt. Dabei kann die Rückstellkraft durch steifere Federgelenke deutlich höher gewählt werden, wodurch die Resonanzfrequenz ebenfalls deutlich höher ist als in quasistatischer Operation bei gegebenem Ablenkwinkel. In diesem Fall wird der Ablenkwinkel nur als Maximalamplitude einer harmonischen Schwingung erreicht.
Daher ergeben sich zwei grundsätzlich verschiedene Betriebsweisen: eine quasistatische Betriebsweise zur freien Positionierung und eine resonante Betriebsweise zum schnellen Scannen mit einer harmonischen Oszillation.
Zwar werden auch uniaxiale Galvanometer-Scanner in diesen beiden Modi betrieben, jedoch ist hier nur im resonanten Fall eine Rückstellkraft über eine Feder vorhanden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Scan-Einrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass beide Betriebsmodi mit hinreichend großem Ablenkwinkel, genügend hoher Positioniergenauigkeit und ausreichend hoher Positioniergeschwindigkeit möglich sind, damit eine optimale Abbildungsqualität hinsichtlich höchster Ansprüche erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer optischen Scan-Einrichtung, umfassend
einen ersten Scan-Spiegel zur Ablenkung eines Strahlenbündels ,
einen in Richtung des abgelenkten Strahlenbündels positionierten zweiten Scan-Spiegel zur nochmaligen Ablenkung des Strahlenbündels,
zwischen den beiden Scan-Spiegeln angeordnete optische Mittel, ausgebildet zur Abbildung des ersten auf den zweiten Scan-Spiegel über eine Zwischenabbildung, sowie eine Ansteuereinheit, ausgebildet zur Speisung von Scan-Spiegel-Antrieben mit vorgegebenen AnregungsSpannungen oder Anregungsströmen, um eine biaxiale oder u- niaxiale Ablenkung des Strahlenbündels um Ablenkwinkel im Bereich von Null Grad bis zum maximal möglichen Ablenkwinkel bei wahlweise quasistatischer oder resonan- ter Betriebsweise zu bewirken,
wobei mindestens einer der Scan-Spiegel als biaxialer Scan-Spiegel ausgebildet ist.
Aufgrund der Abbildung des ersten Scan-Spiegels auf den zweiten Scan-Spiegel ist deren Reihenfolge vertauschbar, so dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung auch in umgekehrter Folge der Scan-Spiegel funktionieren .
In einer bevorzugten Ausführungsform sind beide Scan- Spiegel biaxial abgelenkt, und für den in Richtung des Strahlenbündels ersten Scan-Spiegel ist eine resonante Betriebsweise und für den darauf folgenden zweiten Scan- Spiegel eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen.
Hierbei können der erste Scan-Spiegel zur Erzeugung von Lissajous-Figuren und der zweite Scan-Spiegel zur quasistatischen Versetzung dieser Figuren auf ein größeres, aus mehreren kleineren Scan-Feldern zusammengesetztes Scan-Feld vorgesehen sein.
In einer weiteren Ausführungsform sind beide Scan-Spiegel biaxial abgelenkt, und für beide Scan-Spiegel ist eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen.
Auf diese Weise wird ein größeres Scan-Feld erzeugt, das sich aus den Scan-Feldern beider Scan-Spiegel ergibt. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn einer der beiden Scan- Spiegel ein großes Scan-Feld bedienen kann, aber langsam ist. Der andere Scan-Spiegel bedient ein kleineres Scan- Feld, ist aber schneller.
In der folgenden Ausführungsform sind beide Scan-Spiegel biaxial abgelenkt, und für den in Richtung des Strahlenbündels ersten Scan-Spiegel ist bezüglich einer ersten Ablenkachse eine resonante Betriebsweise und bezüglich der dazu orthogonalen Ablenkachse eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen, während für den zweiten Scan-Spiegel eine biaxiale quasistatische Betriebsweise vorgesehen ist.
Damit kann der zweite Scan-Spiegel zur quasistatischen Positionierung von Scan-Mustern, wie Linienraster oder Mäander, auf ein Scan-Feld genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind ein Scan-Spiegel bi- axial und der andere Scan-Spiegel uniaxial abgelenkt, wobei für den biaxialen Scan-Spiegel eine quasistatische und für den uniaxialen Scan-Spiegel eine resonante Betriebsweise vorgesehen ist.
Dabei kann für den in Richtung des Strahlenbündels ersten Scan-Spiegel eine uniaxiale Ablenkung bei resonanter Betriebsweise und für den zweiten Scan-Spiegel eine biaxiale Ablenkung bei quasistatischer Betriebsweise vorgesehen sein. Vorzugsweise ist diese Ausführungsform zur quasistatischen Positionierung eines Laserspots auf einem Scan-Feld oder zum Ausführen von Raster- oder Mäandermustern nutzbar.
In der folgenden Ausführungsform sind beide Scan-Spiegel biaxial abgelenkt, und bei jedem Scan-Spiegel ist bezüglich einer ersten Ablenkachse eine resonante Betriebsweise und bezüglich der dazu orthogonalen Ablenkachse eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen.
Die Scan-Spiegel sind dabei so angeordnet, dass die resonante Achse des ersten Scan-Spiegels auf die quasistatische Achse des zweiten Scan-Spiegels und die quasistatische Achse des ersten Scan-Spiegels auf die resonante Achse des zweiten Scan-Spiegels abgebildet wird. Auf diese Weise e- xistieren bezüglich der resultierenden Achsen des Scan- Feldes jeweils eine quasistatische Achse sowie eine resonante Achse.
Damit ist vorteilhaft eine quasistatische Positionierung eines Laserspots auf einem Scan-Feld oder das Ausführen von Lissajousfiguren, Raster- oder Mäandermustern sowie deren Zusammensetzung möglich.
Bei allen vorgenannten Ausführungsformen ist vorteilhaft mindestens einer der beiden Scan-Spiegel als MEMS-Baugruppe oder MEMS-Scan-Spiegel ausgebildet.
Die mit den Scan-Spiegeln verbundenen Antriebe sind vorzugsweise als elektrostatische Antriebe ausgebildet. Alternative Antriebskonzepte können elektromagnetische Aktoren in Form von bewegten Permanentmagneten bzw. Dreh- oder Tauchspulen mit statischem Permanentmagneten oder auch Pie- zo-Aktoren sein.
Die optischen Mittel zur Abbildung des einen auf den anderen Scan-Spiegel bestehen aus refraktiven optischen Elementen, aus reflektierenden optischen Elementen, aus diffrak- tiven optischen Elementen oder aus Kombinationen von refraktiven, reflektierenden und diffraktiven optischen Elementen. Um chromatische Fehler zu vermeiden, sind vorzugsweise reflektierende optische Elemente vorgesehen.
Die Ansteuereinheit ist insbesondere ausgebildet
zur separaten oder gemeinsamen synchronisierten Ansteu- erung der Scan-Spiegel ,
zur Umschaltung der einzelnen für den jeweiligen Scan- Spiegel vorzusehenden Betriebsweisen,
zur Vorgabe der Ablenkwinkel und/oder
zur biaxialen oder uniaxialen Ablenkung.
Die entsprechenden Steuerbefehle werden in der Ansteuerein- heit in Abhängigkeit von manuellen Befehlseingaben, von einem Regelkreis oder in Abhängigkeit von den Ergebnissen einer elektronischen Bildauswertung generiert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen : das Prinzip der erfindungsgemäßen optischen Scan- Einrichtung mit zwei biaxial ablenkbaren MEMS-Scan- Spiegeln, die mittels refraktiver optischer Elemente über eine Zwischenabbildung aufeinander abgebildet werden,
das Prinzip der optischen Scan-Einrichtung nach Fig.l, wobei jedoch zur Erzeugung der Zwischenabbildung reflektive optische Elemente vorgesehen sind,
ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen Scan-Einrichtung erzeugte Abbildung, wobei beide MEMS-Scan-Spiegel uniaxial mit orthogonalen Ablenkachsen abgelenkt sind und resonant betrieben werden,
ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen Scan-Einrichtung erzeugte Abbildung, wobei beide MEMS-Scan-Spiegel uniaxial mit orthogonalen Ablenkachsen abgelenkt sind und quasistatisch betrieben werden,
ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen Scan-Einrichtung erzeugte Abbildung, wobei beide MEMS-Scan-Spiegel uniaxial mit orthogonalen Ablenkachsen abgelenkt sind und einer der MEMS-Scan-
Spiegel quasistatisch, der andere resonant betrieben wird,
Fig.6 ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen
Scan-Einrichtung erzeugte Abbildung, wobei beide MEMS-Scan-Spiegel biaxial abgelenkt sind und für einen MEMS-Scan-Spiegel eine resonante, für den anderen eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen ist ,
Fig.7 ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen
Scan-Einrichtung erzeugte Abbildung, wobei beide MEMS-Scan-Spiegel biaxial abgelenkt sind und für beide MEMS-Scan-Spiegel eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen ist,
Fig.8 ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen
Scan-Einrichtung erzeugte Abbildung, wobei beide MEMS-Scan-Spiegel biaxial abgelenkt sind und für einen MEMS-Scan-Spiegel bezüglich einer ersten Ablenkachse eine resonante Betriebsweise und bezüglich einer dazu orthogonalen Ablenkachse eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen ist, während der zweite MEMS-Scan-Spiegel quasistatisch betrieben wird,
Fig.9 ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen
Scan-Einrichtung erzeugte Abbildung, wobei ein MEMS-Scan-Spiegel biaxial und der andere MEMS-Scan- Spiegel uniaxial abgelenkt sind, und für den biaxialen MEMS-Scan-Spiegel eine quasistatische Betriebsweise und für den uniaxialen MEMS-Scan- Spiegel eine resonante Betriebsweise vorgesehen ist,
Fig.10 ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen
Scan-Einrichtung erzeugte Abbildung, wobei beide MEMS-Scan-Spiegel biaxial abgelenkt sind und bei
jedem der beiden MEMS-Scan-Spiegel bezüglich einer ersten Ablenkachse eine resonante und bezüglich einer dazu orthogonalen Ablenkachse eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen ist.
In Fig.l ist das Prinzip der erfindungsgemäßen optischen Scan-Einrichtung mit zwei biaxial ablenkbaren MEMS-Scan- Spiegeln 1 und 2 dargestellt. Dabei trifft ein Strahlenbündel 3, beispielsweise ein Laserstrahl, auf den wahlweise uniaxial oder biaxial, resonant oder quasistatisch abgelenkten ersten MEMS-Scan-Spiegel 1. Das dabei von dem MEMS- Scan-Spiegel 1 erzeugte Muster wird über die Linse 4, die Zwischenabbildung 5, und die Linse 6 auf den zweiten MEMS- Scan-Spiegel 2 abgebildet. Die Abbildung des einen auf den anderen MEMS-Scan-Spiegel 1, 2 erfolgt zum Beispiel wie dargestellt mittels eines 4f-Systems.
Es ist eine zeichnerisch nicht dargestellte Ansteuereinheit vorhanden. Sie ist ausgebildet zur Variation der Ablenkung des Strahlenbündels 3 und zur Vorgabe von quasistatischen oder resonanten Betriebsweisen der beiden MEMS-Scan-Spiegel 1, 2.
Die erfindungsgemäße Scan-Einrichtung kann bevorzugt Teil eines optischen Systems zur Gewinnung von Bildern von Proben sein, beispielsweise ausgeführt als Baugruppe eines Laser-Scanning-Mikroskops .
Das in Fig.2 gezeigte Prinzip der optischen Scan- Einrichtung entspricht dem nach Fig.l, wobei jedoch zur Erzeugung der Zwischenabbildung 5 reflektive optische Elemente 6, 7 vorgesehen sind.
Mit dem in Fig.3 dargestellten Beispiel ist, wie daraus ersichtlich, das biaxiale Scannen einer Lissajous-Figur in Abhängigkeit von ihrer Resonanzfrequenz und relativen Phasenlage möglich.
Die Ausführung und Ansteuerung nach Fig.4 ermöglicht, wie hier beispielhaft dargestellt, die biaxiale quasistatische Positionierung eines Laserspots.
Fig.5a und Fig.5b zeigen beispielhaft die Möglichkeit des Scannens von Raster- oder Mäandermustern bei Verwendung eines uniaxialen quasistatischen und eines uniaxialen reso- nanten Scan-Spiegels.
Aus dem in Fig.6 dargestellten Beispiel ist erkennbar, wie der erste MEMS-Scan-Spiegel 1 zur Erzeugung von Lissajous- Figuren genutzt werden kann, während der zweite MEMS-Scan- Spiegel 2 zur quasistatischen Versetzung dieser Figuren auf ein größeres, aus mehreren kleineren Scan-Feldern zusammengesetztes Scan-Feld dient.
Bei dem Beispiel nach Fig.7 können der erste Scan-Spiegel 1 zur Positionierung eines Laserspots innerhalb des Scannfeldes von Scan-Spiegel 1 und der zweite Scan-Spiegel 2 zur quasistatischen Positionierung des Scan-Feldes von Scan- Spiegel 1 und somit der Erweiterung auf ein größeres Scan- Feld, das sich aus den Scan-Feldern beider MEMS-Scan- Spiegel 1, 2 ergibt, verwendet werden.
In Fig.8a und Fig.8b sind Beispiele dargestellt, bei denen der zweite Scan-Spiegel 2 zur quasistatischen Positionierung von Raster- oder Mäandermustern genutzt wird, welche
durch Scan-Spiegel 1 mit einer resonanten und einer quasistatischen Achse erzeugt werden.
Das in Fig.9a bis Fig.9c gezeigte Beispiel ist vorzugsweise zur quasistatischen Positionierung eines Laserspots auf einem Scan-Feld oder zum Ausführen von Raster- oder Mäandermustern geeignet. Dabei ist für den in Richtung des Strahlenbündels 3 gesehen ersten MEMS-Scan-Spiegel 1 eine uniaxiale Ablenkung bei resonanter Betriebsweise und für den zweiten MEMS-Scan-Spiegel 2 eine biaxiale Ablenkung bei quasistatischer Betriebsweise vorgesehen.
Fig.10a bis Fig.10g zeigen Beispiele, bei denen eine Lissa- jousfigur, eine quasistatische Positionierung von Scannmustern auf ein Scan-Feld oder das Ausführen von Rasteroder Mäandermustern vorgesehen ist. Hierbei sind beide MEMS-Scan-Spiegel biaxial abgelenkt und bei jedem der beiden MEMS-Scan-Spiegel bezüglich einer ersten Ablenkachse eine resonante und bezüglich einer dazu orthogonalen Ablenkachse eine quasistatische Betriebsweise vorgesehen.
Die Scan-Spiegel sind dabei so angeordnet, dass die resonante Achse des ersten Scanners auf die quasistatische Achse des zweiten Scanners und die quasistatische Achse des ersten Scanners auf die resonante Achse des zweiten Scanners abgebildet wird. Auf diese Weise existieren bezüglich der resultierenden Achsen des Scan-Feldes jeweils eine quasistatische Achse sowie eine resonante Achse.
Bezugszeichenliste
1 MEMS-Scan-Spiegel 2 MEMS-Scan-Spiegel 3 Strahlenbündel 4 Linse
5 Zwischenbild
6 Linse
7 reflektives Element 8 reflektives Element