EP3538945A1 - Bilderzeugungseinrichtung - Google Patents

Bilderzeugungseinrichtung

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EP3538945A1
EP3538945A1 EP17797622.2A EP17797622A EP3538945A1 EP 3538945 A1 EP3538945 A1 EP 3538945A1 EP 17797622 A EP17797622 A EP 17797622A EP 3538945 A1 EP3538945 A1 EP 3538945A1
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EP
European Patent Office
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sample
radiation
deflection
mirror
sample surface
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17797622.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Janes
Thorsten Giese
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from DE102016226212.2A external-priority patent/DE102016226212A1/de
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3538945A1 publication Critical patent/EP3538945A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2201/1053—System of scan mirrors for composite motion of beam

Definitions

  • the invention is in the field of optics and electromechanics and is of particular advantage for analytical methods. Particular advantages arise when used for investigation methods of optical spectroscopy.
  • a preferred optical detection method is UV absorption detection or UV-excited fluorescence spectroscopy. This can be used in particular in the context of epifluorescence structures.
  • sources of radiation not only UV sources can be advantageously used in fluorescence analysis, which make it possible to stimulate natural fluorescence in a large number of biological molecules, in particular proteins containing tryptophan or tyrosine.
  • UV fluorescence detection at wavelengths of for example 266 nm requires complex epifluorescence structures.
  • Optical components, such as lenses, filters, condensers, must have high transmission for UV radiation and low auto-fluorescence at the excitation wavelength for a desired measurement efficiency.
  • the present invention has for its object to provide an optical detection device for fluorescence spectroscopic investigations, which is able to detect fluorescence radiation efficiently and with high spatial resolution.
  • the invention relates to an imaging device with a laser light source, a mirror arrangement with two parabolic mirrors, via which a scanning light beam generated by the laser light source is directed onto a sample surface, and with a deflection device, in particular a micromirror scanner, which is controllable in such a way, that the scanning light beam scans targeted points of the sample surface, as well as with a deflection device, in particular a micromirror scanner, which is controllable in such a way, that the scanning light beam scans targeted points of the sample surface, as well as with a
  • a detector that detects radiation emanating from a scanned point on the sample surface.
  • an optical imaging device for a light beam which can realize an enlargement, a reduction or a 1: 1 image as a function of the geometrical parameters of the mirrors and their position and distance from one another.
  • a laser beam passing through both parabolic mirrors, ie reflected successively at both parabolic mirrors, can be adjusted / focused to illuminate a very small, very sharply defined spot in a plane behind the mirrors in which the sample can be placed that the plane can be placed behind the mirror. If the laser beam is deflected before the reflection at the parabolic mirrors, this results behind the parabolic mirrors as a function of an adjustable magnification.
  • reduction or reduction scale a reduction or translation of the deflection movement of the laser beam. It follows that the laser beam in the area before passing through the parabolic mirror by a deflection device, for example, with a micromirror scanner, can be selectively deflected and that this deflection can be over- or understated by the parabolic mirror system.
  • a detector that detects radiation may be directed to the plane that is illuminated by the laser beam and detect the radiation that illuminated from a sample on the illumination plane at the respective laser
  • the micromirror scanner permits a deflection of the laser beam in several planes, a surface with very high resolution can be scanned in the illumination plane.
  • the information which pixel is illuminated by the laser beam at a certain time is available in the control device of the deflection device / of the micromirror scanner.
  • the respective illuminated spot may be assigned an intensity of the radiation reflected by the sample at that point by the detector. From this a two-dimensional image of the sample can be obtained, for example in greatly enlarged form.
  • the optical resolution of the imaging device is limited only by the accuracy of the control of the scanner on the one hand and the diameter of the laser beam at its focal point on the image plane / on the surface of the sample on the other hand. There are no visible or UV-breaking light according to this concept
  • the deflection device comprises a 2D MEMS scanner.
  • Such mirror systems are also called MOEMS (micro-optoelectromechanical systems) scanners and, in many cases, comprise a mirror which can be selectively deflected about two different axes in a swiveling motion by means of a drive.
  • a laser beam incident on the micromirror is deflected in a correspondingly controlled manner. This can be done by controlling the deflection in two independent pendent directions a solid angle can be scanned completely by the reflected laser beam.
  • this solid angle corresponds to a completely scanable image surface.
  • the deflection device comprises an angle adjusting element.
  • Such an angle adjusting element can be operated piezoelectrically, for example, or it can be static, for example a quasi-statically operated microscanner.
  • the actuator deflects the laser beam and maintains a position for a long period of time, such as several seconds. In this way, a very fine
  • a method for operating the image-generating device can accordingly provide that, before or after the scanning of the sample surface, the scanning light beam is directed in a static adjustment of the deflection device onto a partial surface of the sample surface and in this setting a spectroscopic examination of the radiation emitted by the partial surface is carried out. Since in the control / regulation of the deflection angle of such a MEMS
  • each mirror position of the mirror can be set very precisely in both axes, then each mirror position can also be very accurately assigned a point in the image plane to which a light beam / laser beam is deflected at the corresponding mirror position.
  • the detector detects and stores the intensity of the reflected radiation or fluorescence emitted as a result of the primary illumination.
  • a spatially resolved image of the image plane with respect to the intensity distribution of the detected radiation is generated. The resolution of this figure is only affected by the accuracy of the tion of the deflection and the size of the laser spot in the image plane limited.
  • Drive mechanisms for a MEMS scanner include, for example, electromagnetic, electrostatic, piezoelectric or thermoelectric drives.
  • the mirror can be made, for example, by the known technologies as e.g. in DE 102006058563._The deflection of the mirror at a given force is thus optimally reproducible, and thus also the point in the image plane is optimally determinable, to which the laser beam is deflected at a certain force effect.
  • the mirror drive can also be provided with a control that adjusts the angle of the mirror.
  • a control that adjusts the angle of the mirror.
  • Deflection device in the focal point of the first parabolic mirror first passed by the scanning light beam or in its immediate vicinity, for example, less than 5 mm away from this is arranged.
  • This arrangement of the mirror more precisely the intersection of the two axes about which the mirror is rotatable, causes the light rays which strike the mirror there, at the focal point of the parabolic mirror, to be deflected by it in the direction of the parabolic mirror, in each case Case independent of the direction of incidence on the deflection mirror after reflection on the parabolic mirror parallel to each other and with a suitable setting also parallel to the axis of symmetry of the parabolic mirror emerge.
  • this laser beam falls from the focal point at different angles of incidence onto the parabolic mirror, but in each case is displaced parallel to the symmetry axis of the mirror.
  • An arbitrary deflection angle or deflection angle of the scanning device is thus converted into a parallel offset of the beam.
  • the sample surface is arranged in the focal point of the second parabolic mirror or in its immediate vicinity, in particular between 1 mm and 5 mm in front of or behind the focal point, in the direction of the scanning light beam, wherein the second parabolic mirror after first parabolic mirror passes from the scanning light beam becomes.
  • the light rays that pass the second parabolic mirror after the first parabolic mirror and are reflected at this, are collected in the focal plane in a focal point, ie, all parallel incident laser beams are focused on a focal point.
  • Parabolic mirror converted into an output-side angle deflection.
  • the deflection angle can thus be reduced so that, when scanning in the image plane, a higher absolute resolution based on absolute distances in the image plane arises than in the case of the deflection before the first parabolic mirror.
  • the axes of symmetry of the first and the second parabolic mirror are parallel to each other, in particular to each other congruent.
  • a symmetry of the entire structure is achieved, minimizes aberrations and makes the construction particularly space-saving.
  • the detector has a sensor for radiation detection, which detects a surface-integral radiation intensity and in particular has only a single radiation-sensitive semiconductor element.
  • the spatial resolution of the detector plays only a minor role for the spatial resolution of the measurement.
  • the detector detects the radiation thrown back at the illuminated, ideally very small point of the image surface. Here it depends only on the proof of a total intensity.
  • the sensor can be chosen very sensitive, for example as an avalanche diode.
  • a further embodiment can provide that the two parabolic mirrors have the same shape and size.
  • the parabolic mirror results in an 1: 1 mapping. Even without a magnification can be achieved by a correspondingly good focus of a laser to a very small point in the image plane, a high spatial resolution.
  • parabolic constant of the second parabolic mirror is greater than that of the first one, then an enlargement can be achieved, by which, united with good focus of the laser beam, a further improved spatial resolution when scanning a sample can be achieved.
  • a good focus of the laser beam illuminating the sample can be achieved by choosing a suitable beam shaping optics. Also the
  • Curvature radii of the two parabolic mirrors have an influence on this and can be optimized accordingly in the choice of the structure.
  • the light reflected or scattered by the sample or the fluorescent light generated by the illumination with the laser beam is detected by the detector.
  • Image plane (the object level in which the sample is located) 1 ⁇ amount, thereby ensuring that the sample can be scanned with a resolution of 1 ⁇ .
  • the area of the sample can be achieved by scanning an angular range with two independent deflection angles of, for example, 40 ° with appropriate magnification.
  • the removal of the sample from the focal point of the second parabolic mirror is also decisive for the determination of a magnification factor. It can therefore be provided for adjusting the magnification that the distance of the sample surface from the focal point of the second parabolic mirror is adjustable.
  • the laser light source and the deflection angle of the deflection device in particular the angles of incidence a 2D MEMS scanner can be controlled by a common device (control device) such that defined points of the sample surface are irradiated at definable times and assigned to each irradiated point detected by the detector, emanating from the point radiation intensity.
  • FIG. 1 shows an imaging device with two parabolic mirrors and a micromirror scanner
  • Fig. 2 shows schematically the beam path in an arrangement with two
  • Fig. 3 shows the second parabolic mirror with its focal plane and a
  • Fig. 4 shows the schematic structure of a control of the system as well
  • Figure 1 shows a structure with a laser light source 1 and two parabolic mirrors 3, 6 and a 2D microscanner 2.
  • the laser beam la is from the laser source to the microscanner 2, from this to the first parabolic mirror 3 and from there via the second Parabolic mirror 6 to one
  • Sample 9 passed in a sample plane, which can also be referred to as an object plane.
  • a laser light source is, for example, a radiant in the ultraviolet light laser range in question.
  • the ultraviolet laser beam 1a is then used to cover a surface area on the sample 9 in the object plane by deflecting a micromirror of the micro-scanner 2.
  • a corresponding translation / reduction of the beam deflection of the laser beam la by the choice of the corresponding parameters of the parabolic mirrors 3, 6 can be scanned in the object plane, a surface region of the sample with very high spatial resolution by a correspondingly highly focused laser beam.
  • the reflected light from each individual scan point for example, fluorescent light, can be detected by a detector, not shown in the figure 1. In this way, a complete image of the scanned area on the sample 9 can be obtained.
  • the design and the drive of the 2D micro-scanner can be commercially available;
  • a mirror of the micro-scanner can be electromagnetically, electrostatically, piezoelectrically or otherwise driven. It is important, however, that the deflection angle, ie the adjustment angle of the micromirror, is precisely adjustable or accurately measured.
  • a corresponding regulation can be provided in the scanner, in which the mirror position is reported back to the controller.
  • the 2D micro-scanner is in the focal point of the first parabolic mirror 3, the light beams / laser beams, which are reflected from there to the mirror 3, converted into parallel beams, wherein the bundle of successively generated beams in Figure 1 by the reference numeral 5 is designated.
  • the rays running parallel to one another usually do not exist at the same time, but instead successively represent rays reflected by the microscanner in different angular positions.
  • these beams are radiated parallel to the axis of symmetry of the second parabolic mirror 6 and are focused onto the focus point of the second parabolic mirror 6 in accordance with the laws of geometric optics.
  • Laser beams which are deflected by the micro scanner 2 at different angles, strike the focal point 8 of the mirror at different angles in the region of the second parabolic mirror 6. Different rays will hit the focus point 8 at different angles in the second parabolic mirror.
  • the sample 9 Behind or in front of the focal point 8, the sample 9 is arranged in an object plane, so that the light rays arriving at different angles impinge on the same at different points of the sample. It turns out that certain angle deflections of the 2D micro-scanner are converted into smaller angular deflections of the beam in the region of the second parabolic mirror 6 with appropriate parameterization of the parabolic mirrors 3, 6.
  • the sample 9 can be scanned with a very high spatial resolution, if the condition is met that the laser beam is optimally bundled la, so that in the region of the object plane, the Ouerterrorisms Listing the laser beam is minimized
  • the parabolic constant of the second parabolic mirror 6 is greater than that of the first parabolic mirror 3. This results a determinierter translation factor of the magnification or the spatial resolution of the sample.
  • the distance between the sample 9 and the object plane from the focal point 8 can also be adjustable in order to be able to adapt the conditions on the sample 9 to the achievable angular resolution of the micro-scanner and the achievable optimized bundling of the laser beam 1 a.
  • the absolute distance of the sample 9 from the focal point of the second parabolic mirror 6 will be only a few millimeters in practice. If the diameter of the laser beam in the object plane is, for example, 1 ⁇ m, then the sample can be detected with 1000 ⁇ 100 ° adjacent sample points covering a sample area of 1 mm 2 . This area can z. B. are scanned by a Winkelaussch Quarry Institute of the 2D micro-scanner of 40 ° in two mutually perpendicular planes. The magnification of the imaging device can be determined by the distance of the object plane from the focal point 8 of the second parabolic mirror, without having to adjust optical elements.
  • the fluorescent light reflected by the sample 9 is detected by a detector 10 which contains, for example, an avalanche diode.
  • the detector may, if it is not disturbed by ambient light, be directed to the sample 9 without any particular spatial resolution, because at a given time it is clear which spot on the sample is illuminated by the laser beam, so that the reflected light intensity with Safety originated from the registered sample surface point.
  • This condition is without more, however, only satisfied if the detected by the detector light is fluorescent light whose wavelength differs from that of the incident light / the irradiated UV radiation, so that the fluorescent light can be filtered out.
  • the successively measured intensity values are stored and assigned in a processing device to the various controlled sample surface points, so that a two-dimensional image of the sample surface is formed.
  • FIG. 3 illustrates in more detail the effect of the image magnification, with the exception of the sample 9 in the first object plane having a second position
  • FIG. 4 schematically shows a control system for the image generation device.
  • the control system provides a control device 12, which controls on the one hand the laser light source 1 and on the other hand by means of a downstream control 13 a MEMS microscanner 2.
  • the laser light source 1 may be pulsed in such a way that laser beams only fall onto the mirror of the MEMS scanner when the respectively desired deflection angle is set. This laser power can be saved and the heating of the device, in particular the laser light source and the sample can be reduced.
  • the laser light la falls, as shown in dashed lines in Figure 4, on the MEMS
  • Microscanner and is deflected to a point of the sample according to the set deflection angle.
  • the laser beam 1a impinging on the sample causes the reflection or backscatter or emission of fluorescent light at the target point, which is detected in a detector 10 is registered.
  • the detector 10 may be covered by a filter which transmits only the wavelength range to be detected, in particular in the UV range.
  • the light intensity is registered in the detector 10 and passed on to the control device 12.
  • the coordinates of the current position of the micro-scanner and / or according to the controlled sample surface point and the reflection intensity or detection intensity of light by the detector 10 are combined in the control device 12 and given to a storage and display device 15, where the information for an image of Sample assembled and stored. The image can then be displayed to the user and / or evaluated automatically.
  • FIG. 5 shows, by way of example, how an angular deflection on the 2D microcanner, which is composed there of two deflection angles in mutually perpendicular axes, is deflected in corresponding directions of deflection
  • Laser beam is implemented in the object plane.
  • the various reflections of the light beam at the parabolic mirrors and off-center positions of the scanner and / or the sample cause corresponding distortions. It is important, however, that a two-dimensional surface on the sample can be swept through the angular deflections in combination with each other, which is represented in Figure 5 by the distributed points 16, 17, 18.
  • An advantage of the invention over other scanning methods and devices is the use of a single 2D MEMS scanner (2) for
  • the laser beam (la) is irradiated in the one direction of oscillation of the 2D MEMS scanner (2) perpendicular to the surface of the deflection mirror and in the other direction of oscillation with an angle of incidence of more than 22.5 °, in particular between 22.5 ° and 30 °, more particularly between 22 , 5 ° and 25 °, based on the pivot point.
  • This allows a maximum, total, by the laser beam (la) scannable solid angle range, which is spanned in one scan direction of nearly +/- 90 ° and in the other direction of nearly +/- 45 °.
  • the two half shells (3) and (6) whose surfaces are designed as parabolic concave mirror, positioned at a distance of between learning and 2cm to each other.
  • the central ray of the partial beams (7) should intersect the axis of symmetry at an angle between 80 ° and 100 °, more preferably 90 °.
  • the sub-beam (7) is understood to mean the central beam, which results from averaging between the outermost angular positions of the 2D MEMS scanner (2) of 0 ° in both scanning directions. Under this condition, the diameters of the partial beams (7) after reflection and in the plane (9) which is between 1 mm and 5 mm beyond the focal point (8) of the parabolic mirror (6) are substantially equal.
  • the surface normal of the object plane (9) is aligned parallel to the direction of the central ray of the partial beams (7).
  • the diameters of the partial beams (7) are almost the same size and, secondly, this results in a nearly homogeneous illumination density of an object which is located in the object plane (9).
  • Fluorescent light has a radiation characteristic that depends on the surface properties of the object in the object plane (9). For many applications one can approximate the radiation characteristic of an illuminated point in the object plane with a cosine distribution. This cosine distribution is to a good approximation rotationally symmetric to the surface normal of the object plane (9).
  • the scattered light or fluorescent light is with a Detector in the form of a photodetector, such as an avalanche photo diode (APD) detected.
  • APDs avalanche photo diode
  • the APD can advantageously be positioned at an angle of at least 5 °, more preferably less than 10 °, relative to the surface normal of the object plane (9). Since the emission characteristics of the illuminated points of the object plane (9) are rotationally symmetrical about the surface normal of the plane (9), the APD can also be installed rotationally symmetrical about the axis of the emission characteristic. It may, since the photodetector is not in the axis of the partial beams (7), also a separate optical collecting means for the detector, for example in the form of a lens may be provided.
  • Aspect 1 Analysis device for one or more samples with a lighting device for illuminating samples or sections of samples in succession with an illumination beam and with a detection device for detecting secondary radiation due to the illumination of the illuminated sample or the illuminated
  • the illumination device has a deflection device, in particular a controllable or controllable 2D scanner, more particularly a 2D MEMS scanner, for deflecting the illumination beam to the sample (s) and wherein in the light path of the illumination beam and / or a paraboloidal mirror is arranged in the light path of the secondary beam.
  • a deflection device in particular a controllable or controllable 2D scanner, more particularly a 2D MEMS scanner, for deflecting the illumination beam to the sample (s) and wherein in the light path of the illumination beam and / or a paraboloidal mirror is arranged in the light path of the secondary beam.
  • Aspect 2 Analysis device according to aspect 1, wherein the illumination beam and the secondary beam are reflected at the same paraboloidal mirror.
  • Aspect 3 Analysis device according to aspect 1 or 2, wherein the illumination beam is a laser beam.
  • Aspect 4 Analysis device according to aspect 1, 2 or 3, wherein the deflection device is arranged on the symmetry axis of a paraboloidal mirror.
  • Aspect 5. Analysis device according to aspect 4, wherein the deflecting device (2), in particular the point of the deflecting device on which all possible deflected illumination beams meet, further in particular the point of intersection of two pivot axes of the mirror of the deflecting device, in the focal point of a paraboloidal mirror or in the immediate vicinity of Focus point is arranged.
  • Aspect 6 Analysis device according to aspect 1, 2, 3 or 4, wherein a detector of the detection device is arranged in the focal point of a paraboloidal mirror or in the immediate vicinity of the focal point.
  • Aspect 7 Analysis device according to aspect 1 or one of the following, wherein the detector has an intensity integral over a sensor surface with respect to the radiation impinging on it
  • Aspect 8 Analysis device according to aspect 1 or one of the following, wherein an optical filter is arranged in the light path of the secondary beam.
  • Aspect 10 Analysis device according to aspect 8, wherein the optical filter passes only the wavelength range of the illumination beam to the detector.
  • Aspect 11 Analysis device according to aspect 1 or one of the following, wherein a beam-shaping optical system for
  • Forming the illumination beam is provided.
  • Aspect 13 Analysis device according to aspect 1 or one of the following, wherein with respect to each illuminated by the illumination beam spot on which a sample or a portion of a sample may be arranged, a correction factor of the detection sensitivity is set, which takes into account the angle below that of The secondary beam detected by the detector emanates from the surface of the sample and, in particular, the curvature of a paraboloidal mirror at the point at which the secondary beam is reflected thereat.
  • the above aspects are inter alia based on the object of providing a structure for an analysis device, which allows the measurement in several sample sections or on multiple samples and thereby allows efficient beam guidance in the illumination of the sample and the detection of secondary radiation emanating from the sample.
  • the aspects relate to an analysis device for one or more samples with an illumination device for illuminating samples or sections of samples in succession with an illumination beam and with a detection device for detecting secondary radiation resulting from the illumination of the illuminated sample or the illuminated section in the form of a secondary beam in the direction of the detection device, the illumination device having a deflection device, in particular a controllable or controllable 2D scanner, more particularly a MEMS scanner, for deflecting the illumination beam to the sample (s) and wherein in the light path of the illumination beam and / or in the light path of the secondary beam, a paraboloid is arranged.
  • a deflection device in particular a controllable or controllable 2D scanner, more particularly a MEMS scanner
  • an illumination beam can be directed to different sections of a sample or more samples by means of the deflection device, and a secondary beam emanating from the sample toward the illumination can be detected in each case.
  • different samples or sample sections which are located, for example, on a common sample carrier, can be analyzed in a very rapid sequence.
  • the beam path of the illumination beam can be defined in a particularly easily controllable and controllable manner, in particular in connection with a deflection device.
  • dispersive elements for example lenses
  • laser-induced fluorescence, absorption of the incident light or scattered light intensity can be measured on the detection side.
  • Modified structures are required for the different types of radiation to be detected.
  • the deflection device makes it possible to illuminate a larger amount of samples or a larger sample area by scanning through an illumination beam.
  • a traveling light spot or a successively different pixels illuminating spot spot can be used, which successively in a controlled manner by means of the controlled deflection
  • Samples or sample sections departs. Since the position of the deflection device, especially if it is a 2D scanner, especially if it is a MEMS scanner, is very precisely fixed and can be determined, it is precisely known for each time or unit of time which section of a sample or which sample is currently being illuminated by the illumination beam, so that the signal response detected by the detection device on the detection side can also be unambiguously assigned to a sample or a sample section.
  • signal intensities can also be added over the partial areas of a sample or intensity distributions can be detected as a function of the respective illuminated sample location in order to obtain, for example, an integrated signal curve over the total area or partial areas of a sample.
  • intensities of the secondary radiation from different samples can also be compared with one another, so that, for example, scatter intensities, transmission intensities or fluorescence intensities of different samples and also their temporal changes can be compared with one another.
  • the detection device does not require a spatially resolving radiation detector, but a sensor sufficient to detect a total radiation intensity on its surface is sufficient. The resolution with respect to the sample surface takes place by the selective illumination by the illumination beam, if such a resolution is necessary.
  • the use of a paraboloidal mirror can be advantageous, the radiation signals from a larger surface of a sample holder, d. H. even from multiple samples, can focus to a fixed detector with relatively low distortion.
  • a particular embodiment may provide that the illumination beam and the secondary beam are reflected at the same paraboloidal mirror. Such a construction is possible, for example, if the detection device is set up to detect radiation scattered back from the sample or fluorescence radiation emanating from the sample in the same direction from which the illumination beam is coming.
  • the paraboloidal mirror can then be arranged in front of the sample and serve both to reflect the illumination beam towards the sample and to focus the secondary beams onto a sensor of the detection device.
  • the illumination beam is a laser beam. The desired or in individual cases required intensity of the illumination beam is easily accessible in this way.
  • a further embodiment can provide that the deflection device is arranged on the axis of symmetry of a paraboloidal mirror. With such an arrangement of the deflecting a symmetrical structure is achieved, through which the different areas of the sample holder, d. H.
  • the deflection device in particular the point of the deflection, where all possible deflected illumination beams meet, further arranged in particular the intersection of two pivot axes of the mirror or mirrors of the deflection, in the focus point of a paraboloidal mirror or in the immediate vicinity of the focal point is.
  • the axis of symmetry of the paraboloidal mirror runs parallel to the surface normal of a sample plane in which one or several samples are arranged. In this case, the sample or different juxtaposed samples are illuminated sequentially, but each perpendicular to the sample surface.
  • a further embodiment can provide that a detector of the detection device is arranged in the focal point of a paraboloidal mirror or in the immediate vicinity of the focal point. In such an arrangement, rays incident in parallel to the paraboloidal mirror are respectively incident on the
  • Detector of the detection device reflected.
  • radiation from the radiation characteristic of each individual sample or each sample section is directed onto the detector, which radiation is emitted at a fixed angle of the emission lobe from the individual samples or sample sections.
  • the solid angle section of the secondary radiation emanating from the samples, which hits the detector, is thus measured for all Sample sections / samples the same. This avoids distortions in the comparison of the signal responses of different samples, which can result from the fact that different emission chamber angle portions of different samples are detected.
  • this goal is achieved at least approximately.
  • Such a construction may be useful, for example, if the deflection device lies directly in the focal point of the paraboloidal mirror and thus there is no room for the detector there.
  • the detector lies directly in the focal point and that the deflection device is displaced out of the focal point.
  • the displacement away from the focal point should be kept to a minimum in both cases for both the detector and the bender, i. H. optimally less than 1 cm, advantageously less than 5 mm.
  • a further embodiment can provide that an optical filter is arranged in the light path of the secondary beam.
  • the detected radiation which strikes the sensor is selected and ambient light is rejected, the sensor not requiring any spatial resolution, but instead detecting an overall intensity of the radiation impinging on it.
  • the sensor can still consist of several photosensitive or radiation-sensitive sensors whose signals are added or integrated directly.
  • the optical filter passes only the wavelength range of the illumination beam to the detector.
  • the optical filter must then be designed to pass the wavelengths of the illumination beam.
  • the optical filter only transmits the wavelength range or a part of the wavelength range of the fluorescence radiation to the detector.
  • the filter is on the expected fluorescence radiation designed and blocks foreign stray light, so that, for example, the signal-to-noise ratio is improved or, for example, specific wavelength ranges can be examined separately.
  • a further embodiment may provide that with respect to each illuminated by the illumination beam location at which a sample or a portion of a sample may be arranged, a correction factor of the illumination intensity is set, which takes into account the angle at which the illumination beam hits a sample surface, and in particular, the curvature of the paraboloidal mirror in the point where the illumination beam is reflected at this.
  • a beam-shaping optical system can be provided in the path of the illumination beam.
  • a beam-shaping optical unit usually comprises one or more lenses which set the beam diameter and / or the beam divergence.
  • the analyzer can be assigned a matrix of correction values which take into account the corrections in the calculation of the illumination intensity arriving at the sample location and / or the corrections in the detection of the secondary radiation originating from the sample location.
  • a matrix can be stored in an evaluation device and taken into account in the evaluation of the measurements.
  • each illuminatable by the illumination beam location at which a sample or a Ab- a correction factor of the detection sensitivity is set which takes into account the angle at which the secondary beam detected by the detector emanates from the sample surface, and in particular the curvature of a paraboloidal mirror in the point at which the secondary beam at this is reflected.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bilderzeugungseinrichtung mit einer Laserlichtquelle (1), einer Spiegelanordnung mit zwei Parabolspiegeln (3, 6), über die ein durch die Laserlichtquelle erzeugter Abtast-Lichtstrahl (1a, 5) auf eine Probenfläche (9) geleitet wird, und mit einer Umlenkeinrichtung (2), insbesondere einem Mikrospiegel-Scanner, die derart steuerbar ist, dass der Abtast-Lichtstrahl (1a, 5) gezielt Punkte der Probenfläche abtastet, sowie mit einem Detektor (10), der Strahlung nachweist, die von einem abgetasteten Punkt der Probenfläche ausgeht. Die Ortsauflösung der Bilderzeugungseinrichtung ist im Wesentlichen durch eine möglichst enge Bündelung des Laserstrahls und die Genauigkeit des einstellbaren Ablenkwinkels durch den Mikrospiegelscanner definiert.

Description

Bilderzeugungseinrichtung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik und der Elektromechanik und ist mit besonderem Vorteil für analytische Methoden anwendbar. Besondere Vorteile ergeben sich bei der Verwendung für Untersuchungsmethoden der optischen Spektroskopie.
Moderne analytische Methoden werden laufend in verschiedene Richtungen optimiert, wobei einerseits versucht wird, Analytikeinrichtungen zu miniaturisieren, und andererseits, Messgenauigkeiten und Auflösung zu optimieren. Eine bevorzugte optische Nachweismethode ist dabei die UV-Absorptions- detektion oder UV-angeregte Fluoreszenzspektroskopie. Diese lässt sich insbesondere im Rahmen von Epifluoreszenz-Aufbauten einsetzen. Als Strahlungsquellen können bei der Fluoreszenzanalytik vorteilhaft nicht nur UV- Ouellen eingesetzt werden, die es ermöglichen, bei einer großen Anzahl von biologischen Molekülen, insbesondere bei Proteinen, die Tryptophan oder Tyrosin enthalten, die natürliche Fluoreszenz anzuregen.
Die bekannte UV-Fluoreszenzdetektion bei Wellenlängen von beispielsweise 266 nm erfordert aufwendige Epifluoreszenz-Aufbauten. Optische Komponenten, wie Objektive, Filter, Kondensoren, müssen für eine gewünschte Effizienz der Messung eine hohe Transmission für UV-Strahlung sowie geringe Auto- fluoreszenz bei der Anregungswellenlänge aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Nachweiseinrichtung für fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen zu schaffen, die in der Lage ist, Fluoreszenzstrahlung effizient und mit hoher Ortsauflösung zu detektieren.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 durch eine Bilderzeugungseinrichtung gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 11 beziehen sich auf besondere Ausgestaltungen der Erfindung.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Bilderzeugungseinrichtung mit einer Laserlichtquelle, einer Spiegelanordnung mit zwei Parabolspiegeln, über die ein durch die Laserlichtquelle erzeugter Abtast-Lichtstrahl auf eine Probenfläche geleitet wird, und mit einer Umlenkeinrichtung, insbesondere einem Mikrospiegel-Scanner, die derart steuerbar ist, dass der Abtast- Lichtstrahl gezielt Punkte der Probenfläche abtastet, sowie mit einem
Detektor, der Strahlung nachweist, die von einem abgetasteten Punkt der Probenfläche ausgeht.
Mittels zweier Parabolspiegel lässt sich eine optische Abbildungseinrichtung für einen Lichtstrahl aufbauen, die in Abhängigkeit von den geometrischen Parametern der Spiegel sowie deren Position und Abstand zueinander eine Vergrößerung, eine Verkleinerung oder eine l:l-Abbildung verwirklichen kann. Ein Laserstrahl, der beide Parabolspiegel passiert, d. h. an beiden Parabolspiegeln nacheinander reflektiert wird, kann derart eingestellt/fokussiert werden, dass er einen sehr kleinen, sehr scharf begrenzten Spot in einer Ebene hinter den Spiegeln beleuchtet, in der die Probe platziert werden kann, so dass die Ebene hinter dem Spiegel platziert werden kann. Wird der Laserstrahl vor der Reflexion an den Parabolspiegeln ausgelenkt, so ergibt sich hinter den Parabolspiegeln in Abhängigkeit von einem einstellbaren Vergröße- rungs- oder Verkleinerungsmaßstab eine Untersetzung oder Übersetzung der Ablenkbewegung des Laserstrahls. Daraus ergibt sich, dass der Laserstrahl im Bereich vor dem Passieren der Parabolspiegel durch eine Umlenkeinrichtung, beispielsweise mit einem Mikrospiegelscanner, gezielt umlenkbar ist und dass diese Umlenkung durch das Parabolspiegelsystem über- oder untersetzt werden kann.
Ein Detektor, der Strahlung nachweist, kann auf die Ebene gerichtet werden, die vom Laserstrahl beleuchtet wird und die Strahlung detektieren, die von einer Probe auf der Beleuchtungsebene am jeweilig vom Laser beleuchteten
Spot zurückgeworfen wird. Auf diese Weise kann, wenn der Mikrospiegelscanner eine Ablenkung des Laserstrahls in mehreren Ebenen erlaubt, in der Beleuchtungsebene eine Fläche mit sehr hoher Auflösung abgescannt werden. Die Information, welcher Bildpunkt zu einem bestimmten Zeitpunkt durch den Laserstrahl beleuchtet wird, steht in der Steuerungseinrichtung der Umlenkeinrichtung / des Mikrospiegelscanners zur Verfügung. Dem jeweiligen beleuchteten Punkt kann eine durch den Detektor aufgenommene Intensität der durch die Probe an diesem Punkt zurückgeworfenen Strahlung zugeordnet werden. Daraus lässt sich ein zweidimensionales Abbild der Probe, beispiels- weise in stark vergrößerter Form, gewinnen. Die optische Auflösung der Bilderzeugungseinrichtung ist lediglich durch die Genauigkeit der Steuerung des Scanners einerseits und den Durchmesser des Laserstrahls in seinem Fokuspunkt auf der Bildebene / auf der Oberfläche der Probe andererseits begrenzt. Es werden nach diesem Konzept keine sichtbares oder UV-Licht brechenden
Linsen oder Kondensoren benötigt, die ja zwingend eine gewisse Baugröße benötigen, nicht ideal transparent sind, d. h. auch die Strahlungsintensität herabsetzen, und Bildfehler erzeugen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Umlenkeinrichtung einen 2D-MEMS-Scanner umfasst. Derartige Spiegelsysteme werden auch MOEMS-Scanner (mikro-opto-elektromechanische Systeme) genannt und umfassen in vielen Fällen einen Spiegel, der um zwei verschiedene Achsen in einer Schwenkbewegung gezielt mittels eines Antriebs auslenkbar ist. Ein auf den Mikrospiegel fallender Laserstrahl wird entsprechend kontrolliert abgelenkt. Dabei kann durch die Steuerung der Ablenkung in zwei unab- hängigen Richtungen ein Raumwinkel vollständig durch den reflektierten Laserstrahl abgescannt werden. In der Probenebene entspricht dieser Raumwinkel einer vollständig abscannbaren Bildfläche. Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Umlenkeinrichtung ein Winkelstellelement umfasst. Ein derartiges Winkelstellelement kann beispielsweise piezoelektrisch betrieben werden oder es kann statisch, beispielsweise ein quasistatisch betriebener Microscanner sein. Das Stellelement lenkt den Laserstrahl ab und behält eine Position für einen langen Zeitraum, beispielsweise mehrere Sekunden, bei. Auf diese Weise wird ein sehr feiner
Spot auf der Beleuchtungsebene für einen längeren Zeitraum beleuchtet. Die Anwendung dieser Art der Umlenkeinrichtung besteht ist unter anderem, dass auf diese Weise an einem Ort der Probe Absorptionsspektroskopie oder Anregungsspektroskopie zur Identifizierung des Probenmaterials oder von Probeneigenschaften durchgeführt werden kann oder dessen chemische
Signatur erfasst werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb der Bilderzeugungseinrichtung kann demgemäß vorsehen, dass vor oder nach der Abtastung der Proben- fläche der Abtast-Lichtstrahl in einer statischen Einstellung der Umlenkeinrichtung auf eine Teilfläche der Probenfläche gelenkt und in dieser Einstellung eine spektroskopische Untersuchung der von der Teilfläche ausgesandten Strahlung durchgeführt wird. Da bei der Steuerung/Regelung der Auslenkwinkel eines solchen MEMS-
Systems die Winkelstellung des Spiegels in beiden Achsen sehr genau festgelegt werden kann, kann auch jeder Spiegelstellung ein Punkt in der Bildebene sehr genau zugeordnet werden, zu dem ein Lichtstrahl/Laserstrahl bei der entsprechenden Spiegelstellung abgelenkt wird. Somit lässt sich für jeden Punkt der Probenfläche, wenn er durch den abgelenkten Strahl beleuchtet wird, durch den Detektor die Intensität der zurückgeworfenen Strahlung oder einer als Folge der Primärbeleuchtung ausgelösten Fluoreszenzstrahlung erfassen und speichern. Damit wird eine ortsaufgelöste Abbildung der Bildebene bezüglich der Intensitätsverteilung der detektierten Strahlung erzeugt. Die Auflösung dieser Abbildung wird nur durch die Genauigkeit der Ansteue- rung der Umlenkeinrichtung und die Größe des Laserspots in der Bildebene begrenzt.
Antriebsmechanismen für einen MEMS-Scanner umfassen beispielsweise elektromagnetische, elektrostatische, piezoelektrische oder thermoelektri- sche Antriebe. Der Spiegel kann beispielsweise mit den bekannten Technologien hergestellt werden, wie sie z.B. in DE 102006058563 offengelegt sind._Die Auslenkung des Spiegels bei einer gegebenen Kraft ist damit optimal reproduzierbar, und somit ist auch der Punkt in der Bildebene optimal bestimmbar, auf den bei einer bestimmten Kraftwirkung der Laserstrahl abgelenkt wird.
Der Spiegelantrieb kann auch mit einer Regelung versehen sein, die den Winkel des Spiegels einstellt. In einer Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die
Umlenkeinrichtung im Fokuspunkt des zuerst von dem Abtast-Lichtstrahl passierten ersten Parabolspiegels oder in dessen unmittelbarer Nähe, beispielsweise weniger als 5 mm von diesem entfernt, angeordnet ist. Diese Anordnung des Spiegels, genauer gesagt des Schnittpunkts der beiden Achsen, um die der Spiegel drehbar ist, bewirkt, dass die Lichtstrahlen, die dort, im Fokuspunkt des Parabolspiegels, auf den Spiegel treffen und von diesem in Richtung des Parabolspiegels abgelenkt werden, in jedem Fall unabhängig von der Einfallrichtung auf den Umlenkspiegel nach der Reflexion am Parabolspiegel parallel zueinander und bei geeigneter Einstellung auch parallel zur Symmetrieachse des Parabolspiegels austreten. Dies bedeutet, dass bei einer Ablenkung des Laserstrahls durch den Spiegel dieser Laserstrahl vom Fokuspunkt aus in unterschiedlichen Einfallwinkeln auf den Parabolspiegel fällt, jedoch jeweils parallel zur Symmetrieachse des Spiegels verschoben wird. Ein beliebiger Umlenkwinkel oder Ablenkwinkel der Scaneinrichtung wird somit in einen Parallelversatz des Strahls umgesetzt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Probenfläche im Fokuspunkt des zweiten Parabolspiegels oder in dessen unmittelbarer Nähe, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm vor oder hinter dem Fokuspunkt, in Richtung des Abtast-Lichtstrahls betrachtet, angeordnet ist, wobei der zweite Parabolspiegel nach dem ersten Parabolspiegel von dem Abtast-Lichtstrahl passiert wird. Die Lichtstrahlen, die nach dem ersten Parabolspiegel den zweiten Parabolspiegel passieren und an diesem reflektiert werden, werden in dessen Fokusebene in einem Fokuspunkt gesammelt, d. h., alle parallel einfallenden Laserstrahlen werden auf einen Fokuspunkt gebündelt. Dabei wird die Winkel- ablenkung vor dem Einfall in den ersten Parabolspiegel nach dem zweiten
Parabolspiegel in eine ausgangsseitige Winkelablenkung umgesetzt. Durch geeignete Wahl der Parameter der beiden Parabolspiegel kann somit der Ablenkwinkel untersetzt werden, so dass beim Scannen in der Bildebene eine höhere absolute, auf absolute Abstände in der Bildebene bezogene Auflösung entsteht als bei der Ablenkung vor dem ersten Parabolspiegel.
Dabei kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Symmetrieachsen des ersten und des zweiten Parabolspiegels zueinander parallel verlaufen, insbesondere zueinander deckungsgleich sind. Damit wird eine Symmetrie des gesamten Aufbaus erreicht, die Abbildungsfehler minimiert und den Aufbau besonders platzsparend macht.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass der Detektor einen Sensor für die Strahlungsdetektion aufweist, der eine flächenintegrale Strahlungsintensität nachweist und der insbesondere nur ein einzelnes strahlungssensitives Halbleiterelement aufweist.
Die Ortsauflösung des Detektors spielt für die Ortsauflösung der Messung eine nur geringe Rolle. Der Detektor weist die an dem beleuchteten, idealerweise sehr kleinen Punkt der Bildfläche zurück geworfene Strahlung nach. Hierbei kommt es nur auf den Nachweis einer Gesamtintensität an. Der Sensor kann sehr empfindlich gewählt werden, beispielsweise als Avalanchediode.
Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass die beiden Parabolspiegel gleiche Form und Größe aufweisen. Bei einem derartigen Aufbau der Parabolspiegel ergibt sich eine l:l-Abbildung. Auch ohne eine Vergrößerung kann durch eine entsprechend gute Fokussierung eines Lasers auf einen sehr kleinen Punkt in der Bildebene eine hohe Ortsauflösung erreicht werden.
Ist die Parabelkonstante des zweiten Parabolspiegels größer als die des ersten, so lässt sich eine Vergrößerung erreichen, durch die, vereint mit guten Fokussierung des Laserstrahls, eine weiter verbesserte Ortsauflösung beim Abscannen einer Probe erreichbar ist.
Eine gute Fokussierung des Laserstrahls, der die Probe beleuchtet, lässt sich durch Wahl einer geeigneten Strahlformungsoptik erreichen. Auch die
Krümmungsradien der beiden Parabolspiegel haben einen Einfluss hierauf und können entsprechend bei der Wahl des Aufbaus optimiert werden. Das von der Probe reflektierte oder gestreute Licht oder das durch die Beleuchtung mit dem Laserstrahl erzeugte Fluoreszenzlicht wird durch den Detektor nachgewiesen. Beispielsweise kann der Durchmesser des Laserstrahls in der
Bildebene (der Objektebene, in der sich die Probe befindet) 1 μιη betragen, wodurch erreicht wird, dass die Probe mit einer Auflösung von 1 μιη abgetastet werden kann. Die Fläche der Probe kann durch Abscannen eines Winkelbereichs mit zwei unabhängigen Ablenkwinkeln von beispielsweise 40° bei entsprechender Vergrößerung erreicht werden.
Auch die Entfernung der Probe vom Fokuspunkt des zweiten Parabolspiegels ist für die Bestimmung eines Vergrö erungsfaktors maßgebend. Es kann daher zur Einstellung der Vergrößerung vorgesehen sein, dass der Abstand der Probenfläche vom Fokuspunkt des zweiten Parabolspiegels einstellbar ist.
Damit eine richtige und genaue Zuordnung der Intensität des reflektierten/gestreuten oder fluoreszierenden Lichts aus der Probe zu dem jeweils durch den Laserstrahl beleuchteten Punkt möglich wird, kann zudem vorgesehen sein, dass die Laser-Lichtquelle und die Umlenkwinkel der Umlenk- einrichtung, insbesondere die Anstellwinkel eines 2D- MEMS- Scanners, durch eine gemeinsame Einrichtung (Steuereinrichtung) derart steuerbar sind, dass zu definierbaren Zeitpunkten definierte Punkte der Probenfläche bestrahlt werden und jedem bestrahlten Punkt eine durch den Detektor nachgewiesene, von dem Punkt ausgehende Strahlungsintensität zugeordnet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Bilderzeugungseinrichtung mit zwei Parabolspiegeln und einem Mikrospiegelscanner, Fig. 2 schematisch den Strahlverlauf bei einer Anordnung mit zwei
Parabolspiegeln,
Fig. 3 den zweiten Parabolspiegel mit seiner Fokusebene und einer
Probenebene,
Fig. 4 den schematischen Aufbau einer Steuerung des Systems sowie
Fig. 5 an einem Beispiel die Ablenkungsrichtungen des Laserstrahls in der Bild-/Probenebene.
Figur 1 zeigt einen Aufbau mit einer Laserlichtquelle 1 sowie zwei Parabolspiegeln 3, 6 und einem 2D-Mikroscanner 2. Der Laserstrahl la wird aus der Laserquelle auf den Mikroscanner 2, von diesem auf den ersten Parabol- spiegel 3 und von diesem aus über den zweiten Parabolspiegel 6 zu einer
Probe 9 in einer Probenebene geleitet, die auch als Objektebene bezeichnet werden kann.
Als Laserlichtquelle kommt beispielsweise ein im ultravioletten Lichtbereich strahlender Laser in Frage. Mit dem ultravioletten Laserstrahl la wird dann ein Oberflächenbereich auf der Probe 9 in der Objektebene überstrichen, indem ein Mikrospiegel des Mikroscanners 2 ausgelenkt wird.
Durch eine entsprechende Übersetzung/Verkleinerung der Strahlauslenkung des Laserstrahls la durch die Wahl der entsprechenden Parameter der Parabolspiegel 3, 6 kann in der Objektebene ein Oberflächenbereich der Probe mit sehr hoher Ortsauflösung durch einen entsprechend stark gebündelten Laserstrahl abgescannt werden. Das von jedem einzelnen Scanpunkt zurückgeworfene Licht, beispielsweise auch Fluoreszenzlicht, kann durch einen in der Figur 1 nicht dargestellten Detektor erfasst werden. Auf diese Weise kann ein vollständiges Abbild des gescannten Bereichs auf der Probe 9 gewonnen werden.
Die Bauart und der Antrieb des 2D-Mikroscanners kann handelsüblich sein; beispielsweise kann ein Spiegel des Mikroscanners elektromagnetisch, elektrostatisch, piezoelektrisch oder anders angetrieben sein. Wichtig ist dabei jedoch, dass der Umlenkwinkel, d. h. der Stellwinkel des Mikrospiegels, genau einstellbar ist bzw. genau gemessen wird. Hierzu kann eine entsprechende Regelung im Scanner vorgesehen sein, bei der die Spiegelstellung an die Steuerung zurückgemeldet wird. Da bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 2D-Mikroscanner sich im Fokuspunkt des ersten Parabolspiegels 3 befindet, werden die Lichtstrahlen/ Laserstrahlen, die von dort zu dem Spiegel 3 reflektiert werden, in parallele Strahlen umgesetzt, wobei das Bündel der nacheinander erzeugten Strahlen in Figur 1 durch das Bezugszeichen 5 be- zeichnet ist. Die dort gezeigten parallel zueinander verlaufenden Strahlen existieren üblicherweise nicht gleichzeitig, sondern repräsentieren nacheinander durch den Mikroscanner in verschiedenen Winkelstellungen reflektierte Strahlen.
Diese Strahlen werden bei dem in Figur 1 gezeigten Aufbau parallel zur Symmetrieachse des zweiten Parabolspiegels 6 in diesen eingestrahlt und nach den Gesetzen der geometrischen Optik auf den Fokuspunkt des zweiten Parabolspiegels 6 gebündelt. Laserstrahlen, die durch den Mikroscanner 2 in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt werden, treffen im Bereich des zweiten Parabolspiegels 6 in unterschiedlichen Winkeln auf den Fokuspunkt 8 des Spiegels. Verschiedene Strahlen werden dabei im zweiten Parabolspiegel unter verschiedenen Winkeln auf den Fokuspunkt 8 treffen.
Hinter oder vor dem Fokuspunkt 8 ist die Probe 9 in einer Objektebene angeordnet, so dass die unter verschiedenen Winkeln eintreffenden Lichtstrahlen an verschiedenen Punkten der Probe auf diese auftreffen. Es ergibt sich, dass bestimmte Winkelablenkungen des 2D-Mikroscanners bei entsprechender Parametrisierung der Parabolspiegel 3, 6 in geringere Winkelablenkungen des Strahls im Bereich des zweiten Parabolspiegels 6 umgesetzt werden. Damit kann die Probe 9 mit sehr hoher Ortsauflösung abgescannt werden, wenn die Bedingung erfüllt ist, dass der Laserstrahl la optimal gebündelt ist, so dass im Bereich der Objektebene die Ouerschnittsfläche des Laserstrahls minimiert ist
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Parabelkonstante des zweiten Parabolspiegels 6 größer als die des ersten Parabolspiegels 3. Damit ergibt sich ein determinierter Übersetzungsfaktor der Vergrößerung bzw. der Ortsauflösung an der Probe.
Der Abstand der Probe 9 bzw. der Objektebene vom Fokuspunkt 8 kann zudem einstellbar sein, um die Verhältnisse an der Probe 9 an die erreichbare Winkelauflösung des Mikroscanners und die erreichbare optimierte Bündelung des Laserstrahls la anpassen zu können.
Es kann zur Bündelung des Laserstrahls la im Bereich zwischen der Laserlichtquelle 1 und dem 2D-Mikroscanner eine Strahlformungsoptik vorgesehen sein, um die Bündelung des Laserstrahls optimieren zu können.
Der absolute Abstand der Probe 9 vom Fokuspunkt des zweiten Parabolspiegels 6 wird in der Praxis nur wenige Millimeter betragen. Beträgt der Durchmesser des Laserstrahls in der Objektebene beispielsweise 1 μιη, so kann die Probe mit 1000 xlOOO nebeneinanderliegenden Abtastpunkten erfasst werden, die eine Probenfläche von einem 1 mm2 überdecken. Diese Fläche kann z. B. durch einen Winkelauslenkbereich des 2D-Mikroscanners von 40° in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Ebenen abgetastet werden. Die Vergrößerung der Bilderzeugungseinrichtung kann durch den Abstand der Objektebene vom Fokuspunkt 8 des zweiten Parabolspiegels bestimmt werden, ohne dass optische Elemente angepasst werden müssen.
In Figur 2 ist schematisch der Strahlenverlauf nochmals in einer nichtperspektivischen Darstellung wiedergegeben. Gleiche Bauteile sind in Figur 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Figur 1. Die Parabolspiegel 3, 6 sind nur schematisch dargestellt.
Aus Figur 2 ist zusätzlich zu ersehen, dass das von der Probe 9 reflektierte Fluoreszenzlicht durch einen Detektor 10 nachgewiesen wird, der beispielsweise eine Avalanchediode enthält. Zu jedem Zeitpunkt kann der Detektor, wenn er nicht durch Umgebungslicht gestört wird, ohne eine besondere Ortsauflösung auf die Probe 9 gerichtet sein, da zu einem gegebenen Zeitpunkt feststeht, welche Stelle an der Probe durch den Laserstrahl beleuchtet wird, so dass die zurückgestrahlte Lichtintensität mit Sicherheit von dem registrierten Probenoberflächenpunkt stammt. Diese Bedingung ist ohne weiteres allerdings nur dann erfüllt, wenn das durch den Detektor nachgewiesene Licht Fluoreszenzlicht ist, dessen Wellenlänge sich von derjenigen des eingestrahlten Lichts / der eingestrahlten UV-Strahlung unterscheidet, so dass das Fluoreszenzlicht ausgefiltert werden kann. Die nacheinander gemessenen Intensitätswerte werden gespeichert und in einer Verarbeitungseinrichtung den verschiedenen angesteuerten Probenoberflächenpunkten zugeordnet, so dass ein zweidimensionales Bild der Probenoberfläche entsteht.
In Figur 3 ist nochmals detaillierter der Effekt der Bildvergrößerung darge- stellt, wobei außer der Probe 9 in der ersten Objektebene eine zweite Position
11 der Probe in größerer Entfernung vom Fokuspunkt 8 dargestellt ist. Wird die Probe in eine zweite Objektebene 11 gestellt, so ergibt sich eine geringere Vergrößerung als in der durch das Bezugszeichen 9 bezeichneten Position. In der Konstellation, die in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist, sind die Parabolspiegel 3, 6 derart angeordnet, dass ihre Symmetrieachsen parallel zueinander verlaufen. Die Symmetrieachsen können beispielsweise auch deckungsgleich sein. Sie können jedoch auch unter einem Winkel zueinander verlaufen. In Figur 4 ist schematisch ein Steuerungssystem für die Bilderzeugungseinrichtung dargestellt. Das Steuerungssystem sieht eine Steuereinrichtung 12 vor, die einerseits die Laserlichtquelle 1 und andererseits mittels einer nachgeordneten Steuerung 13 einen MEMS-Mikroscanner 2 steuert. Die Laserlichtquelle 1 kann beispielsweise derart gepulst sein, dass Laserstrahlen auf den Spiegel des MEMS-Scanners erst dann fallen, wenn der jeweils gewünschte Umlenkwinkel eingestellt ist. Damit kann Laserleistung eingespart und die Erwärmung der Einrichtung, insbesondere der Laserlichtquelle und der Probe, reduziert werden. Das Laserlicht la fällt, wie in Figur 4 gestrichelt dargestellt, auf den MEMS-
Mikroscanner und wird nach Maßgabe des eingestellten Umlenkwinkels auf einen Punkt der Probe umgelenkt. Dabei findet durch das System von Parabolspiegeln, das gestrichelt durch den Kasten 14 repräsentiert werden soll, eine mehrfache Reflexion bis zur Probe 9 statt. Dort ruft der auf die Probe auftreffende Laserstrahl la am Zielpunkt die Reflexion oder Rückstreuung bzw. Aussendung von Fluoreszenzlicht hervor, das in einem Detektor 10 registriert wird. Der Detektor 10 kann durch ein Filter abgedeckt sein, das nur den nachzuweisenden Wellenlängenbereich, insbesondere im UV-Bereich, durchlässt. Die Lichtintensität wird im Detektor 10 registriert und an die Steuereinrichtung 12 weitergegeben. Die Koordinaten der momentanen Stellung des Mikroscanners und/oder entsprechend der angesteuerte Pro- benoberflächenpunkt sowie die Reflexionsintensität oder Nachweisintensität von Licht durch den Detektor 10 werden in der Steuereinrichtung 12 kombiniert und an eine Speicher- und Darstellungseinrichtung 15 gegeben, wo die Informationen zu einem Abbild der Probe zusammengesetzt und gespeichert werden. Das Bild kann dann für den Nutzer angezeigt und/oder auch automatisch ausgewertet werden.
Figur 5 zeigt beispielhaft, wie eine Winkelauslenkung an dem 2D-Mikro- scanner, die sich dort aus zwei Ablenkwinkeln in senkrecht zueinander stehenden Achsen zusammensetzt, in entsprechende Ablenkrichtungen des
Laserstrahls in der Objektebene umgesetzt wird. Durch die verschiedenen Reflexionen des Lichtstrahls an den Parabolspiegeln und außermittige Positionen des Scanners und/oder der Probe werden entsprechende Verzerrungen hervorgerufen. Wichtig ist dabei jedoch, dass durch die Winkelablenkungen in Kombination miteinander eine zweidimensionale Fläche auf der Probe überstrichen werden kann, die in Figur 5 durch die verteilten Punkte 16, 17, 18 repräsentiert ist.
Ein Vorteil bei der Erfindung gegenüber anderen scannenden Verfahren und Vorrichtungen ist die Verwendung eines einzigen 2D MEMS Scanners (2) zur
Ablenkung des Laserstrahls (la). Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Vorrichtung. Vorzugsweise wird der Laserstrahl (la) in der einen Oszillationsrichtung des 2D MEMS Scanners (2) senkrecht zur Oberfläche des Umlenkspiegels eingestrahlt und in der anderen Oszillationsrichtung mit einem Einfallswinkel von mehr als 22.5°, insbesondere zwischen 22.5° und 30°, weiter insbesondere zwischen 22,5° und 25°., bezogen auf den Pivotpunkt. Dies ermöglicht einen maximalen, gesamten, durch den Laserstrahl (la) scanbaren Raumwinkelbereich, der in der einen Scanrichtung von nahezu +/- 90° und in der anderen Richtung von nahezu +/- 45° aufgespannt wird.
Vorzugsweise werden die beiden Halbschalen (3) und (6), deren Oberflächen als parabole Hohlspiegel ausgebildet sind, in einem Abstand von zwischen lern und 2cm zueinander positioniert. Somit wird sichergestellt, dass der Laserstrahl (la) ohne Beeinträchtigung unter einem Einfallswinkel von wenigstens 22.5° auf den 2D MEMS Scanner (2) gelangt. Es ist vorteilhaft, den Abstand der beiden Parabolspiegel (3) und (6) so klein wie möglich, insbesondere kleiner als 3 cm, weiter insbesondere kleiner als 2 cm zu halten, um Justier- ungenauigkeiten bei der Positionierung der beiden Hohlspiegel (3) und (6) zueinander zu minimieren.
Grundsätzlich ist es der individuellen Gestaltung überlassen, unter welchem Winkel die Teilstrahlen (7) die Symmetrieachse des Hohlspiegels (6) schneiden. Vorzugsweise soll der Zentralstrahl der Teilstrahlen (7) die Symmetrieachse unter einem Winkel zwischen 80° und 100°, weiter vorzugsweise 90° schneiden. Unter dem Zentralstrahl ist dabei derjenige Teilstrahl (7) zu verstehen, der sich durch eine Mittelwertbildung zwischen den äußersten Winkelstellungen des 2D MEMS Scanners (2) von 0° in beiden Scanrichtungen ergibt. Unter dieser Voraussetzung sind die Durchmesser der Teilstrahlen (7) nach der Reflexion und in der Ebene (9), die sich zwischen 1mm und 5mm jenseits des Fokalpunkts (8) des Parabolspiegels (6) befindet, im Wesentlichen gleich groß.
Es kann zudem vorteilhaft sein, dass die Oberflächennormale der Objektebene (9) parallel zur Richtung des Zentralstrahls der Teilstrahlen (7) ausgerichtet ist. Unter dieser Voraussetzung sind erstens die Durchmesser der Teilstrahlen (7) nahezu gleich groß und zweitens ergibt sich auf diese Weise eine nahezu homogene Beleuchtungsdichte eines Objekts, das sich in der Objektebene (9) befindet.
In jedem durch einen Laserstrahl beleuchteten Punkt in der Objektebene (9) entsteht Streulicht und/oder Fluoreszenzlicht. Dieses Streulicht oder
Fluoreszenzlicht hat eine Abstrahlcharakteristik, die von den Oberflächeneigenschaften des Objekts in der Objektebene (9) abhängt. Für sehr viele Anwendungen kann man die Abstrahlcharakteristik eines beleuchteten Punkts in der Objektebene mit einer Cosinus-Verteilung annähern. Diese Cosinus- Verteilung ist in guter Näherung rotationssymmetrisch zur Flächennormale der Objektebene (9). Das Streulicht bzw. Fluoreszenzlicht wird mit einem Detektor in Form eines Fotodetektors, z.B. einer Avalanche Foto Diode (APD) nachgewiesen. Diese APDs haben charakteristische Oberflächen-Geometrien von wenigen 0.1mm bis wenige Millimeter. Dies bedeutet, dass sie wegen ihrer geringen Baugröße in einem geringen Abstand, d.h. einige wenige Millimeter, beispielsweise gemäß der Erfindung weniger als 1 cm, insbesondere weniger als 7 mm, weiter insbesondere weniger als 5 mm von der Objektebene (9) entfernt installiert werden. Damit ist eine hohe Lichtausbeute von Streulicht bzw. Fluoreszenzlicht sichergestellt. Der Installationswinkel der APD relativ zur Einstrahlrichtung der Teilstrahlen (7) muss als einzige Randbedin- gung sicherstellen, dass die APD nicht im Strahlweg der Teilstrahlen (7) steht.
Dies hat zur Folge, dass die APD vorteilhafterweise in einem Winkel von wenigstens 5°, weiter vorzugsweise weniger als 10° relativ zur Flächennormale der Objektebene (9) positioniert werden kann. Da die Abstrahlcharakteristik der beleuchteten Punkte der Objektebene (9) rotationssymmetrisch um die Flächennormale der Ebene (9) sind, kann auch die APD rotationssymmetrisch um die Achse der Abstrahlcharakteristik installiert werden. Es kann, da der Fotodetektor nicht in der Achse der Teilstrahlen (7) liegt, auch eine gesonderte optische Sammeleinrichtung für den Detektor, beispielsweise in Form einer Linse vorgesehen sein.
Folgende Aspekte sind außerdem Teil der Erfindung und können jeweils für sich allein oder in Kombination mit den Merkmalen der Patentansprüche Erfindungen darstellen.
Aspekt 1. Analyseeinrichtung für eine oder mehrere Proben mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten von Proben oder Abschnitten von Proben zeitlich nacheinander mit einem Beleuchtungsstrahl und mit einer Detektionseinrichtung zur Detektion von Sekundärstrahlung die infolge der Beleuchtung von der beleuchteten Probe oder dem beleuchteten
Abschnitt in Form eines Sekundärstrahls in Richtung der Detektionseinrichtung ausgeht,
wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Umlenkeinrichtung insbesondere einen regelbaren oder steuerbaren 2D-Scanner, weiter insbesondere einen 2D-MEMS-Scanner, zur Umlenkung des Beleuchtungsstrahls zu der oder den Proben aufweist und wobei im Lichtweg des Beleuchtungsstrahls und/oder im Lichtweg des Sekundärstrahls ein Paraboloidspiegel angeordnet ist.
Aspekt 2. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1, wobei der Beleuchtungsstrahl und der Sekundärstrahl an demselben Paraboloidspiegel reflektiert werden.
Aspekt 3. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1 oder 2, wobei der Beleuchtungsstrahl ein Laserstrahl ist.
Aspekt 4. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1, 2 oder 3,wobei die Umlenkeinrichtung auf der Symmetrieachse eines Paraboloidspiegels angeordnet ist. Aspekt 5. Analyseeinrichtung nach Aspekt 4, wobei die Umlenkeinrichtung (2), insbesondere der Punkt der Umlenkeinrichtung, an dem alle möglichen umgelenkten Beleuchtungsstrahlen sich treffen, weiter insbesondere der Schnittpunkt zweier Schwenkachsen des Spiegels der Umlenkeinrichtung, im Fokuspunkt eines Paraboloidspiegels oder in unmittelbarer Nähe des Fokus- punktes angeordnet ist.
Aspekt 6. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1, 2, 3 oder 4, wobei ein Detektor der Detektionseinrichtung im Fokuspunkt eines Paraboloidspiegels oder in unmittelbarer Nähe des Fokuspunktes angeordnet ist.
Aspekt 7. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1 oder einem der folgenden, wobei der Detektor ein Intensitätsintegral über eine Sensorfläche bezüglich der auf sie treffenden Strahlung
detektiert.
Aspekt 8. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1 oder einem der folgenden, wobei im Lichtweg des Sekundärstrahls ein optisches Filter angeordnet ist. Aspekt 9. Analyseeinrichtung nach Aspekt 8, wobei das optische Filter ausschließlich von der Probe ausgesandtes Fluoreszenzlicht zum Detektor durchlässt.
Aspekt 10. Analyseeinrichtung nach Aspekt 8, wobei das optische Filter ausschließlich den Wellenlängenbereich des Beleuchtungsstrahls zum Detek- tor durchlässt.
Aspekt 11. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1 oder einem der folgenden, wobei eine Strahlformungsoptik zur
Formung des Beleuchtungsstrahls vorgesehen ist.
Aspekt 12. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1 oder einem der folgenden, wobei bezüglich jedes durch den Beleuchtungsstrahl beleuchtbaren Ortes, an dem eine Probe oder ein Abschnitt einer Probe angeordnet sein kann, ein Korrekturfaktor der Beleuchtungsintensität festgelegt ist, der den Winkel berücksichtigt, unter dem der Beleuchtungsstrahl auf eine Probenoberfläche trifft, sowie insbesondere auch die Krümmung des Paraboloid-spiegels in dem Punkt, an dem der Beleuchtungsstrahl an diesem reflektiert wird.
Aspekt 13. Analyseeinrichtung nach Aspekt 1 oder einem der folgenden, wobei bezüglich jedes durch den Beleuchtungsstrahl beleuchtbaren Ortes, an dem eine Probe oder ein Abschnitt einer Probe angeordnet sein kann, ein Korrekturfaktor der Detektionssensitivität festgelegt ist, der den Winkel berücksichtigt, unter dem der von dem Detektor detektierte Sekundärstrahl von der Probenoberfläche ausgeht, sowie insbesondere die Krümmung eines Paraboloidspiegels in dem Punkt, an dem der Sekundärstrahl an diesem reflektiert wird.
Den obigen Aspekten liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau für eine Analyseeinrichtung anzugeben, der die Messung in mehreren Probenabschnitten oder an mehreren Proben ermöglicht und dabei eine effiziente Strahlführung bei der Beleuchtung der Probe und der Detektion einer von der Probe ausgehenden Sekundärstrahlung erlaubt.
Sämtliche der obigen Aspekte sind auch kombinierbar mit den Gegenständen der beiliegenden Patentansprüche bezüglich einer Analyseeinrichtung.
Demgemäß beziehen sich die Aspekte auf eine Analyseeinrichtung für eine oder mehrere Proben mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten von Proben oder Abschnitten von Proben zeitlich nacheinander mit einem Beleuchtungsstrahl und mit einer Detektionseinrichtung zur Detektion von Sekundärstrahlung, die infolge der Beleuchtung von der beleuchteten Probe oder dem beleuchteten Abschnitt in Form eines Sekundärstrahls in Richtung der Detektionseinrichtung ausgeht, wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Umlenkeinrichtung, insbesondere einen steuerbaren oder regelbaren 2D- Scanner, weiter insbesondere einen MEMS-Scanner, zur Umlenkung des Beleuchtungsstrahls zu der oder den Proben aufweist und wobei im Lichtweg des Beleuchtungsstrahls und/oder im Lichtweg des Sekundärstrahls, ein Paraboloidspiegel angeordnet ist. Es kann somit ein Beleuchtungsstrahl mittels der Umlenkeinrichtung auf verschiedene Abschnitte einer Probe oder mehrerer Proben gelenkt und jeweils ein auf die Beleuchtung hin von der Probe ausgehender Sekundärstrahl detektiert werden. Dadurch können in sehr schneller Folge verschiede- ne Proben oder Probenabschnitte analysiert werden, die sich beispielsweise auf einem gemeinsamen Probenträger befinden. Mittels der Verwendung von Paraboloidspiegeln lässt sich in besonders gut kontrollierbarer und steuerbarer Weise, insbesondere im Zusammenhang mit einer Umlenkeinrichtung, der Strahlengang des Beleuchtungsstrahls festlegen. Es kann dabei weit- gehend auf dispersive Elemente (beispielsweise Linsen) verzichtet werden.
Auf der Detektionsseite können beispielsweise laserinduzierte Fluoreszenz, Absorption des eingestrahlten Lichtes oder Streulichtintensität gemessen werden. Für die verschiedenen zu detektierenden Strahlungsarten sind jeweils abgewandelte Aufbauten notwendig.
Die Umlenkeinrichtung ermöglicht es, durch einen Beleuchtungsstrahl eine größere Menge von Proben oder eine größere Probenfläche durch Abscannen zu beleuchten. Hierzu kann ein wandernder Lichtspot oder ein nacheinander verschiedene Pixel beleuchtender spot Spot verwendet werden, der mittels der gesteuerten Umlenkeinrichtung nacheinander in kontrollierter Weise
Proben oder Probenabschnitte abfährt. Da die Stellung der Umlenkeinrichtung, insbesondere wenn es sich um einen 2D-Scanner, besonders dann, wenn es sich um einen MEMS-Scanner handelt, sehr genau festliegt und feststellbar ist, ist für jede Zeit oder Zeiteinheit genau bekannt, welcher Abschnitt einer Probe oder welche Probe gerade durch den Beleuchtungsstrahl beleuchtet wird, so dass auch die auf der Detektionsseite von der Detektionseinrichtung erfasste Signalantwort einer Probe oder einem Probenabschnitt zweifelsfrei zugeordnet werden kann. Damit können auch Signalintensitäten über die Teilflächen einer Probe addiert oder Intensitäts- Verteilungen in Abhängigkeit vom jeweils beleuchteten Probenort erfasst werden, um beispielsweise einen integrierten Signalverlauf über die Gesamtfläche oder Teilflächen einer Probe zu erhalten. Es können somit auch Intensitäten der Sekundärstrahlung von verschiedenen Proben miteinander verglichen werden, so dass beispielsweise Streuintensitäten, Transmissionsintensi- täten oder Fluoreszenzintensitäten von verschiedenen Proben und auch deren zeitliche Veränderungen miteinander verglichen werden können. Die Detektionseinrichtung benötigt hierzu keinen ortsauflösenden Strahlungsdetektor, sondern es reicht ein Sensor aus, der eine Gesamtstrahlungsintensität auf seiner Fläche nachweist. Die Auflösung bezüglich der Probenoberfläche findet durch die selektive Beleuchtung durch den Beleuchtungsstrahl statt, falls eine derartige Auflösung notwendig ist.
Auch auf der Detektionsseite im Bereich der Detektionseinrichtung kann, ebenso wie im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls vor der Probe / den Proben, die Verwendung eines Paraboloidspiegels vorteilhaft sein, der Strahlungssignale von einer größeren Fläche eines Probenhalters, d. h. auch von mehreren Proben, zu einem feststehenden Detektor mit relativ geringen Verzerrungen fokussieren kann. Eine besondere Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Beleuchtungsstrahl und der Sekundärstrahl an demselben Paraboloidspiegel reflektiert werden. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise möglich, wenn die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet ist, von der Probe zurückgestreute Strahlung oder von der Probe ausgehende Fluoreszenzstrahlung in derselben Richtung nachzuweisen, aus der der Beleuchtungsstrahl kommt. Der Paraboloidspiegel kann dann vor der Probe angeordnet werden und sowohl zur Reflexion des Beleuchtungsstrahls auf die Probe hin als auch zur Fokussierung der Sekundärstrahlen auf einen Sensor der Detektionseinrichtung dienen. Um sowohl die Intensität als auch die Strahlführung besonders gut steuerbar und kontrollierbar zu machen und außerdem beispielsweise für Fluoreszenzeffekte den Wellenlängenbereich des Beleuchtungsstrahls anforderungsgerecht gestalten zu können, kann zudem vorgesehen sein, dass der Beleuchtungsstrahl ein Laserstrahl ist. Auch die gewünschte oder im Einzelfall erforderliche Intensität des Beleuchtungsstrahls ist auf diese Weise einfach erreichbar.
Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Umlenkeinrichtung auf der Symmetrieachse eines Paraboloidspiegels angeordnet ist. Mit einer solchen Anordnung der Umlenkeinrichtung wird ein symmetrischer Aufbau erreicht, durch den die verschiedenen Bereiche des Probenhalters, d. h.
verschiedene auf diesem befindliche Proben oder verschiedene Probenab- schnitte möglichst gleichmäßig durch den Beleuchtungsstrahl erreicht und beleuchtet werden können. Verbleibende Verzerrungen, beispielsweise im Bereich größerer Ablenkwinkel der Umlenkeinrichtung, können rechnerisch bei der Auswertung der detektierten Signale berücksichtigt werden.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Umlenkeinrichtung, insbesondere der Punkt der Umlenkeinrichtung, an dem alle möglichen umgelenkten Beleuchtungsstrahlen sich treffen, weiter insbesondere der Schnittpunkt zweier Schwenkachsen des Spiegels oder von Spiegeln der Umlenkeinrichtung, im Fokuspunkt eines Paraboloidspiegels oder in unmittelbarer Nähe des Fokuspunktes angeordnet ist. Durch einen derartigen Aufbau kann sichergestellt werden, dass der Beleuchtungsstrahl unabhängig vom Umlenkwinkel, der durch die Umlenkeinrichtung eingestellt wird, vom Fokuspunkt des Paraboloidspiegels ausgeht und somit nach Reflexion im Spiegel jedenfalls parallel zur Symmetrieachse des Paraboloidspiegels abgestrahlt wird. Damit lässt sich in einem weiten Bereich erreichen, dass verschiedene nebeneinanderliegende Proben auf einem Probenhalter oder verschiedene Abschnitte einer Probe unter demselben Einfallwinkel mit dem Beleuchtungsstrahl beleuchtet werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Symmetrieachse des Paraboloidspiegels parallel zur Flächennormalen einer Probenebene verläuft, in der eine oder verschiedene Proben angeordnet sind. In diesem Fall wird die Probe oder werden verschiedene nebeneinander angeordnete Proben nacheinander, jedoch jeweils senkrecht zur Probenfläche beleuchtet.
Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass ein Detektor der Detektions- einrichtung im Fokuspunkt eines Paraboloidspiegels oder in unmittelbarer Nähe des Fokuspunktes angeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung werden parallel in den Paraboloidspiegel einfallende Strahlen jeweils auf den
Detektor der Detektionseinrichtung reflektiert. Damit wird aus der Abstrahlcharakteristik jeder einzelnen Probe oder jedes Probenabschnitts jeweils Strahlung auf den Detektor gelenkt, die unter einem festgelegten Winkel der Abstrahlkeule von den einzelnen Proben oder Probenabschnitten ausgesandt wird. Der Raumwinkelausschnitt der von den Proben ausgehenden Sekundärstrahlung, der jeweils den Detektor trifft, ist somit für alle vermessenen Probenabschnitte/Proben derselbe. Dies vermeidet Verzerrungen beim Vergleich der Signalantworten von verschiedenen Proben, die dadurch entstehen können, dass von verschiedenen Proben verschiedene Abstrahlraum- winkelanteile detektiert werden.
Bei einer Anordnung der Detektionseinrichtung nicht unmittelbar im Fokuspunkt, sondern in seiner Nähe, wird dieses Ziel zumindest annähernd erreicht. Ein derartiger Aufbau kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn die Umlenkeinrichtung unmittelbar im Fokuspunkt des Paraboloidspiegels liegt und damit dort für den Detektor kein Platz ist. Es kann jedoch auch umgekehrt vorgesehen sein, dass der Detektor unmittelbar im Fokuspunkt liegt und dass die Umlenkeinrichtung aus dem Fokuspunkt verschoben ist. Die Verschiebung vom Fokuspunkt weg sollte in beiden Fällen sowohl für den Detektor als auch für die Umlenkeinrichtung minimal gehalten werden, d. h. optimal weniger als 1 cm, vorteilhaft weniger als 5 mm.
Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass im Lichtweg des Sekundärstrahls ein optisches Filter angeordnet ist. Dadurch soll die detektierte Strahlung, die den Sensor trifft, selektiert und Umgebungslicht ausgesondert werden, wobei der Sensor keine Ortsauflösung benötigt, sondern eine Gesamtintensität der ihn treffenden Strahlung nachweist. Technisch kann der Sensor dennoch aus mehreren lichtempfindlichen oder strahlungsempfindlichen Sensoren bestehen, deren Signale unmittelbar aufaddiert oder integriert werden.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass das optische Filter ausschließlich den Wellenlängenbereich des Beleuchtungsstrahls zum Detektor durchlässt.
Hiermit kann beispielsweise sichergestellt werden, dass nur der Teil des Lichtes von der Probe detektiert wird, der von dem Beleuchtungsstrahl unmittelbar reflektiert wird, oder ein Teil des Lichtes, der durch die Probe durchgelassen wird. Das optische Filter muss dann derart gestaltet sein, dass es die Wellenlängen des Beleuchtungsstrahls durchlässt.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das optische Filter ausschließlich den Wellenlängenbereich oder einen Teil des Wellenlängenbereichs der Fluoreszenzstrahlung zum Detektor durchlässt. In diesem Fall ist das Filter auf die erwartete Fluoreszenzstrahlung ausgelegt und sperrt fremdes Störlicht, so dass beispielsweise das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird oder beispielsweise spezifische Wellenlängenbereiche gesondert untersucht werden können.
Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass bezüglich jedes durch den Beleuchtungsstrahl beleuchtbaren Ortes, an dem eine Probe oder ein Abschnitt einer Probe angeordnet sein kann, ein Korrekturfaktor der Beleuchtungsintensität festgelegt ist, der den Winkel berücksichtigt, unter dem der Beleuchtungsstrahl auf eine Probenoberfläche trifft, sowie insbesondere auch die Krümmung des Paraboloidspiegels in dem Punkt, an dem der Beleuchtungsstrahl an diesem reflektiert wird.
Zudem kann im Weg des Beleuchtungsstrahls eine Strahlformungsoptik vorgesehen sein. Eine derartige Strahlformungsoptik umfasst üblicherweise eine oder mehrere Linsen, die den Strahldurchmesser und/oder die Strahldivergenz einstellen.
Obwohl durch den beschriebenen Aufbau bereits ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit bei der Beleuchtung verschiedener Proben und ein hohes Maß von Gleichförmigkeit bei der Sensitivität im Nachweis der Sekundärstrahlung verwirklicht wird, kann es notwendig sein, bei der Auswertung von Signalen, die von verschiedenen Proben oder Probenabschnitten stammen, Korrekturberechnungen durchzuführen. Entsprechende Korrekturfaktoren sind im Wesentlichen oder sogar ausschließlich von dem Ort abhängig, an dem die jeweilige Probe oder der Probenabschnitt sich bei der Beleuchtung und der Detektion der Sekundärstrahlung befindet. Somit kann der Analyseeinrichtung eine Matrix von Korrekturwerten zugeordnet werden, die die Korrekturen bei der Berechnung der am Probenort ankommenden Beleuchtungsintensität und/oder die Korrekturen beim Nachweis der vom Probenort stammenden Sekundärstrahlung berücksichtigen. Eine solche Matrix kann in einer Auswertungseinrichtung gespeichert sein und bei der Auswertung der Messungen berücksichtigt werden.
Hierzu kann im Einzelnen vorgesehen sein, dass bezüglich jedes durch den Beleuchtungsstrahl beleuchtbaren Ortes, an dem eine Probe oder ein Ab- schnitt einer Probe angeordnet sein kann, ein Korrekturfaktor der Detektions- sensitivität festgelegt ist, der den Winkel berücksichtigt, unter dem der von dem Detektor detektierte Sekundärstrahl von der Probenoberfläche ausgeht, sowie insbesondere die Krümmung eines Paraboloidspiegels in dem Punkt, an dem der Sekundärstrahl an diesem reflektiert wird.

Claims

Patentansprüche
Bilderzeugungseinrichtung mit einer Laserlichtquelle (1), einer Spiegelanordnung mit zwei Parabolspiegeln (3, 6), über die ein durch die Laserlichtquelle erzeugter Abtast-Lichtstrahl (la, 5) auf eine Probenfläche (9) geleitet wird, und mit einer Umlenkeinrichtung (2), insbesondere einem Mikrospiegel-Scanner, die derart steuerbar ist, dass der Abtast-Lichtstrahl gezielt Punkte der Probenfläche (9) abtastet, sowie mit einem Detektor (10), der Strahlung nachweist, die von einem abgetasteten Punkt der Probenfläche ausgeht.
Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (2) einen 2D-MEMS-Scanner umfasst.
Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (2) im Fokuspunkt des zuerst von dem Abtast-Lichtstrahl passierten ersten Parabolspiegels (3) angeordnet ist.
Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung ein Winkelstellelement, insbesondere ein statisches Winkelstellelement, aufweist.
Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenfläche (9) in Richtung des Abtast- Lichtstrahls zwischen 1 mm und 5 mm vor oder hinter dem Fokuspunkt (8) des zweiten Parabolspiegels (6) angeordnet ist, der nach dem ersten Parabolspiegel (3) von dem Abtast-Lichtstrahl (la, 5) passiert wird.
Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen des ersten und des zweiten Parabolspiegels (3, 6) zueinander parallel verlaufen, insbesondere zueinander deckungsgleich sind.
7. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (10) einen Sensor für die Strahlungsdetektion aufweist, der eine flächenintegrale Strahlungsintensität nachweist und der insbesondere nur ein einzelnes strahlungssensitives Halbleiterelement aufweist.
8. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (10) eine, insbesondere genau eine Avalanchediode aufweist.
9. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Parabolspiegel (3, 6) gleiche Form und Größe aufweisen.
10. Bilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Parabolspiegel (3, 6) verschiedene Größen und/oder Formkoeffizienten aufweisen.
11. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Probenfläche (9) vom Fokuspunkt (8) des zweiten Parabolspiegels (6) einstellbar ist.
12. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Lichtquelle (1) und die Umlenkwinkel der Umlenkeinrichtung (2), insbesondere die Anstellwinkel eines 2D-MEMS-Scanners, durch eine Steuereinrichtung (12) derart steuerbar sind, dass zu definierbaren Zeitpunkten definierte Punkte der Probenfläche (9) bestrahlt werden und jedem bestrahlten Punkt eine durch den Detektor (10) nachgewiesene, von dem Punkt ausgehende Strahlungsintensität zugeordnet wird.
13. Verfahren zum Betrieb einer Bilderzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach der Abtastung der Probenfläche (9) der Abtast-Lichtstrahl in einer statischen Einstellung der Umlenkeinrichtung auf eine Teilfläche der Probenfläche (9) gelenkt und in dieser Einstellung eine spektroskopische Untersuchung der von der Teilfläche ausgesandten Strahlung durchgeführt wird.
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