LU92924B1 - Abtastvorrichtung zum Abtasten eines Objekts für den Einsatz in einem Rastermikroskop - Google Patents

Abstract

Eine Abtastvorrichtung (10) zum Abtasten eines Objekts (122) für den Einsatz in einem Rastermikroskop (100) umfasst mindestens eine Abtasteinheit (12) zum zweidimensionalen Abtasten des Objekts (122) mit Hilfe eines Lichtstrahls (104) und mindestens eine Rotationsvorrichtung (14) zum Drehen der Abtasteinheit (12) um eine Rotationsachse (16), um eine Bildfeldrotation zu erzeugen. Dabei umfasst die Abtasteinheit (12) mindestens ein Ablenkelement (18) zum Ablenken eines auf das Ablenkelement (18) auftreffenden Lichtstrahls (110). Ferner hat das Ablenkelement (18) eine rotationssymmetrische Form. (Figur 1a) 92924

Description

Beschreibung

Titel: Abtastvorrichtung zum Abtasten eines Objekts für den Einsatz in einem Rastermikroskop

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum Abtasten eines Objekts für den Einsatz in einem Rastermikroskop. Ferner betrifft die Erfindung ein Rastermikroskop mit einer im Strahlengang des Rastermikroskops angeordneten Abtastvorrichtung.

Opto-mechanische Scanner in Form mikro-elektromechanischer Systeme (MEMS-Scanner) sind im Stand der Technik bekannt und werden in Laser-Rastermikroskopen, insbesondere konfokalen Laser-Rastermikroskopen, eingesetzt.

Beispielsweise sind aus dem Dokument US 2008/0143196 Al und dem Dokument EP 1 719 012 Bl MEMS-Scanner bekannt, die einen mikromechanischen Spiegel um zwei senkrecht zueinander angeordnete Rotationsachsen kippen (2D-Scanner). Derartige MEMS-Scanner sind beispielsweise auch von der Firma Mirrorcle Technologies, Inc. bekannt.

In den Dokumenten V. Milanovic, "Multilevel-Beam SOI-MEMS Fabrication and Applications," IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 13, no. 1, Seiten 19-30, Feb. 2004; V. Milanovic, D. T. McCormick, G. Matus," Gimbal-Iess Monolithic Silicon Actuators For Tip-Tilt-Piston Micromirror Applications," IEEE J. of Select Topics in Quantum Electronics, Volume: 10, Issue: 3 , May-June 2004, Seiten 462-471; Veljko Milanovic, N. Siu, A. Kasturi, M. Radojicic, Y. Su, "MEMSEye for Optical 3D Position and Orientation Measurement," Proceedings of SPIE Photonics West 2011, Volume: 7930-27(4] und Veljko Milanovic, Kenneth Castelino, Daniel McCormick," Highly Adaptable MEMS-based Display with Wide Projection Angle," 2007 IEEE Int

Cont. on Microelectromechanical Systems (MEMS'07), Kobe, Japan, Jan. 25, 2007 ist die Technologie ebenfalls beschrieben.

Insbesondere schneiden sich beide Rotationsachsen dabei im Mittelpunkt des mikromechanischen Spiegels, so dass der Drehpunkt eines abgelenkten Lichtstrahls genau in der Spiegelmitte liegt. Diese sogenannte kardanische Aufhängung („gimbaled mounting") ist in der Optik weit verbreitet. Die bekannten 2D-MEMS-Scanner sind insbesondere für Rastermikroskope geeignet, da mit ihrer Hilfe der zu rasternde Laserstrahl in zwei vorzugsweise senkrechte Richtungen abgelenkt werden kann. Zur Erzeugung eines 2D-Bildes kann der Laserstrahl mit nur einem MEMS-Scanner abgelenkt werden, was kostengünstig und technisch vorteilhaft ist. Bei der Nutzung von MEMS-Scannern mit nur einer Kippachse sind hingegen mindestens zwei Scanner für die 2D-Ablenkung notwendig. Der Einsatz derartiger Scanner in miniaturisierten, konfokalen Rastermikroskopen ist ebenfalls bekannt, beispielsweise aus dem Dokument US 2012/0330157 Al und den Dokumenten Hyun-Joon Shin, et al., in Optics Express, 2007, Vol. 15, Seiten 9113 ff, „Fiber-optic confocal microscope using MEMS scanner" und Hyejun Ra et al., Journal of Microelectromechanical Systems, 2007, Vol. 16, Seiten 969 ff, „Two-Dimensional MEMS Scanner for Dual-Axes Confocal Microscopy".

Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einer Reflexion eines Laserstrahls an einem 2D-Scanner 12' gemäß dem Stand der Technik. Wie in Figur 4 gezeigt, ist der 2D-Scanner 12' Bestandteil einer Scanvorrichtung 10'. Ferner ist in Figur 4 gezeigt, dass der 2D-Scanner 12' einen Scanspiegel 18' umfasst. Mit Hilfe des Scanners 12' wird der Scanspiegel 18' um eine oder mehrere Achsen gekippt, wie es beispielsweise aus dem Dokument US 2008/0143196 Al bekannt ist. Dabei muss der Scanner 12' sinnvollerweise so angeordnet werden, dass der erzeugte Reflexionswinkel a0' zwischen dem eintreffenden Laserstrahl 110' und dem reflektierten Laserstrahl 112' in einer Scanner-Ruhestellung immer größer ist als der maximale optische Scanwinkel as' des Scanners 12' (siehe Figur 4). Insbesondere entspricht der maximale optische Scanwinkel as'einem auf den reflektierten Laserstrahl 112' in der Scanner-Ruhestellung bezogenen Drehwinkel, der zwischen dem reflektierten Laserstrahl 114' in einer Scanner-Arbeitsstellung und dem reflektierten Laserstrahl 112' in der Scanner-Ruhestellung gebildet wird. Um die technische Realisierung möglichst einfach zu halten, werden dabei üblicherweise Reflexionswinkel a0'von größer oder gleich 45°, oftmals 90°, benutzt. Weitere mikro-mechanische Scanner, sogenannte deformierbare Spiegeleinheiten (DMD, „deformable mirror device") sind beispielsweise aus dem Dokument Larry J. Hornbeck, "Deformable-Mirror Spatial Light Modulators", Proceedings of SPIE, The International Society for Optical Engineering, Volume 1150, San Diego, US, 6. -11. August 1989 und dem Dokument US 5,096,279 A bekannt.

Um eine möglichst kleine Dimensionierung des Scanspiegels 18' zu erreichen, wird der Scanspiegel 18' des bekannten MEMS-Scanners 12' nach Figur 4 üblicherweise elliptisch ausgeprägt. Somit ist die projizierte Spiegelfläche in Richtung des eintreffenden und austretenden Laserstrahls 110', 112' kreisförmig. Dies hat den Vorteil, dass beide Hauptachsen 32', 34' der in Figur 4 gezeigten Ellipse kleinstmöglich gewählt werden können, um den zu rasternden Laserstrahl gerade noch vollständig zu erfassen. Diese Miniaturisierung ermöglicht insbesondere kleinstmögliche optische Aufbauten und gleichzeitig maximale Scangeschwindigkeiten, da die Trägheitsmomente des Scanspiegels 18' minimal gehalten werden können. Typischerweise muss man bei einer Anordnung des bekannten MEMS-Scanners 12' unter einem Winkel von 45° zum eintreffenden Laserstrahl 110', bei der der Scanspiegel 18' einen Reflexionswinkel a0' von 90° in der Scanner-Ruhestellung erzeugt, ein Verhältnis der Spiegel-Halbachsen 32', zu 34' von l/cos(45°) =V2 verwenden.

Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik ein optischer Bildfeldrotator bekannt, wie er in hochwertigen Laser-Rastermikroskopen eingesetzt wird. Beispielsweise ist ein optischer Bildfeldrotator in dem Dokument EP 0 950 206 Bl beschrieben. Dieser bekannte Bildfeldrotator ist ein optisches Modul, welches ein rotierbares Abbe-oder Dove-Prisma umfasst. Die Funktionsweise dieser Prismen ist dem Fachmann bekannt und beispielsweise in dem Dokument William L. Wolfe: Chapter 4. Nondisper-sive Prisms. In: Michael Bass (Ed.): Handbook of optics, Bd. 2: Devices, Measurements, and Properties. 2. Aufl. McGraw-Hill, New York 1995, ISBN 0-07-047740-X erläutert.

Der Einsatz einer Bildfeldrotation ist in Rastermikroskopen wichtig, damit bei rechteckigen Bildformaten stark unterschiedlicher Kantenlängen (d.h. ein möglichst kleines, an die interessierende Probenstruktur angepasstes Scanfeld) die Lage des Scanfeldes an die interessierende Probenstruktur ideal angepasst werden kann. Dies ermöglicht kleine Scanfelder, die eine Proben-schonende und vor allem eine schnelle Bildaufnahme sicherstellen, da nicht interessierende Bereiche nicht abgetastet werden müssen. Als Anwendungsbeispiel sei eine einzelne Zellfaser genannt, beispielsweise eine Tubulin- oder Actinfaser, die diagonal durch die Probe läuft. Der Vorteil beim Einsatz eines optischen Bildfeldrotators ist, dass die Probe selbst nicht bewegt werden muss, was die Stabilität des Mikroskops erhöht. Insbesondere wird dadurch vermieden, dass die Probe um eine beliebig zu wählende Achse rotiert werden muss, d.h. um die aktuelle Bildfeldmitte.

Die bekannten Bildfeldrotatoren haben jedoch den Nachteil, dass sie vergleichsweise groß dimensioniert sind. Daher sind sie insbesondere für den Einsatz in miniaturisierten Rastermikroskopen, die MEMS-Technologien nutzen, nicht geeignet. Ferner haben die bekannten Bildfeldrotatoren den Nachteil, dass sie einen vergleichsweise komplizierten Aufbau haben und hohe Kosten verursachen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Bildfeldrotatoren ist, dass die Polarisationseigenschaften des Laserstrahls nicht erhalten bleiben, was für einige Anwendungen jedoch wichtig ist.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Abtastvorrichtung zum Abtasten eines Objekts für den Einsatz in einem Rastermikroskop anzugeben, die einen optimierten Strahlengang für einen Abtaststrahl zum Abtasten des Objekts und gleichzeitig eine Bildfeldrotation ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Abtastvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Durch eine Abtastvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 werden ein optimierter Strahlengang für einen Abtaststrahl zum Abtasten des Objekts und gleichzeitig eine Bildfeldrotation ermöglicht, da mindestens eine Abtasteinheit und mindestens eine Rotationsvorrichtung vorgesehen sind. Die Abtasteinheit dient zum zweidimensionalen Abtasten des Objekts mit Hilfe eines Lichtstrahls. Die Rotationsvorrichtung dient zum Drehen der Abtasteinheit um eine Rotationsachse, um eine Bildfeldrotation zu ermöglichen. Dabei umfasst die Abtasteinheit mindestens ein Ablenkelement zum Ablenken eines auf das Ablenkelement auftreffenden Lichtstrahls. Ferner hat das Ablenkelement eine rotationssymmetrische Form. Vorzugsweise ist die rotationssymmetrische Form eine Kreisform. Mit Hilfe der rotationssymmetrischen Form des Ablenkelements kann eine Vorzugsrichtung bzw. ein vorbestimmter Ablenkwinkel des Abtaststrahls bereitgestellt werden, der einerseits vergleichsweise klein und andererseits größer als ein maximaler Abtastwinkel ist. Dadurch wird ein hinsichtlich seiner Dimensionierung optimierter Strahlengang für den Abtaststrahl erreicht. Dies ermöglicht insbesondere den Einsatz der Abtastvorrichtung in miniaturisierten Rastermikroskopen. Gleichzeitig kann durch eine Drehung der Abtasteinheit um die Ro tationsachse eine vorteilhafte Bildfeldrotation erzeugt werden. Somit kann ein optimierter Strahlengang für einen Abtaststrahl zum Abtasten des Objekts und gleichzeitig eine Bildfeldrotation realisiert werden.

Vorzugsweise verläuft die Rotationsachse, um die die Abtasteinheit drehbar ist, senkrecht zu einer Ebene, in der sich die Abtasteinheit erstreckt. Somit kann eine Drehung der Abtasteinheit in einer Ebene derselben erreicht werden.

Vorzugsweise ist das Ablenkelement um eine erste Schwenkachse und/oder um eine zweite Schwenkachse entsprechend einem maximalen Abtastwinkel schwenkbar. Dabei verlaufen die erste Schwenkachse und die zweite Schwenkachse parallel zu einer Ebene, in der sich die Abtasteinheit erstreckt. Somit kann ein Abtaststrahl zum zweidimensionalen Abtasten des Objekts bereitgestellt werden.

Vorzugsweise verlaufen die erste Schwenkachse und die zweite Schwenkachse jeweils durch einen Mittelpunkt des Ablenkelements. Somit kann erreicht werden, dass das Ablenkelement kardanisch aufgehängt ist.

Vorzugsweise bezieht sich die rotationssymmetrische Form auf einen Mittelpunkt des Ablenkelements. Dabei verläuft die Rotationsachse, um die die Abtasteinheit drehbar ist, durch diesen Mittelpunkt des Ablenkelements. Somit kann sichergestellt werden, dass in jeder Drehstellung der Abtasteinheit eine definierte Bildfeldrotation erzeugt wird.

Vorzugsweise ist die Abtasteinheit zumindest in einem Winkelbereich von 0° bis 180° um die Rotationsachse drehbar. Bei einer Drehung der Abtasteinheit in diesem Winkelbereich können die Schwenkachsen in jede beliebige Drehstellung zwischen einer waagerechten Drehstellung und einer senkrechten Drehstellung gebracht werden, um ein vollständiges Abtasten des Objekts zu erreichen.

Vorzugsweise ist das Ablenkelement ein reflektierendes Element zum Reflektieren eines auf dasselbe auftretenden Lichtstrahls. Dabei ist das Ablenkelement ausgebildet, um den auftreffenden Lichtstrahl polarisationserhaltend zu reflektieren. Somit kann eine unerwünschte Polarisationseigenschaft des reflektierten Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, vermieden werden.

Vorzugsweise weist die Abtasteinheit einen MEMS(„microelectromechanical sys-tems")-Scanner oder einen DMD(„deformable mirror device")-Scanner auf. Somit kann eine für den Einsatz in miniaturisierten Rastermikroskopen geeignete Abtasteinheit (d.h. Scanner) bereitgestellt werden.

Vorzugsweise ist der MEMS-Scanner ein monolithischer 2D-Scanner. Somit kann mit Hilfe eines einzigen MEMS-Scanners ein zweidimensionales Abtasten des Objekts erreicht werden.

Vorzugsweise umfasst die Rotationsvorrichtung eine mit Hilfe einer Antriebseinheit antreibbare Zahnradanordnung. Dabei ist die Zahnradanordnung ausgebildet, die Abtasteinheit um die Rotationsachse zu drehen. Somit kann ein zuverlässiger Antrieb für eine Drehung der Abtasteinheit um die Rotationsachse bereitgestellt werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Rastermikroskop mit einer im Strahlengang des Rastermikroskops angeordneten, erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung wird insbesondere ein miniaturisiertes Rastermikroskop realisiert. Beispielsweise ist das Rastermikroskop ein Laser-Rastermikroskop, vorzugsweise ein konfokales Laser-Rastermikroskop.

Vorzugsweise ist die Abtasteinheit derart angeordnet, dass der auf das Ablenkelement auftreffende Lichtstrahl in einer Ruhestellung der Abtasteinheit derart abgelenkt wird, dass der abgelenkte Lichtstrahl und der auftreffende Lichtstrahl einen vorbestimmten Ablenkwinkel bilden. Dabei ist der vorbestimmte Ablenkwinkel größer als ein maximaler Abtastwinkel zum zweidimensionalen Abtasten des Objekts und kleiner als 45°. Somit kann der im Vergleich zum Stand der Technik optimierte, d.h. minimierte Strahlengang für den Abtaststrahl zum Abtasten des Objekts erreicht werden.

Vorzugsweise ist der vorbestimmte Ablenkwinkel kleiner oder gleich 35°, kleiner oder gleich 30°, kleiner oder gleich 25°, kleiner oder gleich 20°, kleiner oder gleich 15° oder kleiner oder gleich 10°. Somit kann die Vorzugsrichtung bzw. der vorbestimmte Ablenkwinkel des Abtaststrahls in verschiedenen Winkelbereichen bereitgestellt werden.

Vorzugsweise beträgt der maximale Abtastwinkel ±25°, ±20°, ±15°, ±10° oder ±5°. Somit können verschiedene maximale Abtastwinkel für das zweidimensionale Abtasten des Objekts vorgegeben werden.

Vorzugsweise umfasst das Rastermikroskop eine Bilderfassungseinheit zum Erfassen eines digitalen Bildes des abgetasteten Objekts und eine Bildverarbeitungseinheit zum Verarbeiten des digitalen Bildes. Mit Hilfe der Bildverarbeitungseinheit können beispielsweise Spiegelungen und Drehungen des digitalen Bildes im Speicher eines Rechners (PC) durchgeführt werden, um jede beliebige Bildlage in einer Anzeigeeinheit darzustellen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1A eine schematische Darstellung einer Abtastvorrichtung mit einer Abtasteinheit in einer ersten Drehstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Figur 1B eine schematische Darstellung der Abtastvorrichtung nach Figur 1A mit der Abtasteinheit in einer zweiten Drehstellung;

Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines Rastermikroskops mit der Abtastvorrichtung nach Figur 1A gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Figur 3 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einer Reflexion eines Lichtstrahls an der Abtastvorrichtung nach Figur 1A; und

Figur 4 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einer Reflexion eines Laserstrahls an einem 2D-Scanner gemäß dem Stand der Technik.

Figur 1A zeigt eine schematische Darstellung einer Abtastvorrichtung 10 mit einer Abtasteinheit 12 in einer ersten Drehstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Abtastvorrichtung 10 nach Figur 1A dient zum Abtasten eines Objekts 122 für den Einsatz in einem Rastermikroskop 100, wie es in Figur 2 beispielhaft dargestellt ist. Wie in Figur 1A gezeigt, umfasst die Abtastvorrichtung 10 die Abtasteinheit 12, die auf einer Rotationsvorrichtung 14 angeordnet ist. Die Abtasteinheit 12 dient zum zweidimensionalen Abtasten des Objekts 122 mit Hilfe eines Lichtstrahls. Die Rotati- onsvorrichtung 14 client zum Drehen der Abtasteinheit 12 um eine Rotationsachse 16, um eine Bildfeldrotation zu erzeugen. Ferner ist in Figur 1A gezeigt, dass die Abtasteinheit 12 ein Ablenkelement 18 umfasst, das eine rotationssymmetrische Form hat. Das Ablenkelement 18 dient zum Ablenken eines auf das Ablenkelement 18 auftreffenden Lichtstrahls. In Figur 1A ist insbesondere eine erste Drehstellung der Abtasteinheit 12 gezeigt. Beispielsweise entspricht diese erste Drehstellung einem Drehwinkel von 0°. Eine Drehung der Abtasteinheit 12 um die Rotationsachse 16 ist in Figur 1A durch den Doppelpfeil Ri schematisch dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1A hat das Ablenkelement 18 eine Kreisform.

Gemäß Figur 1A umfasst die Rotationsvorrichtung 14 eine Antriebseinheit 30, mit deren Hilfe eine Zahnradanordnung antreibbar ist. Die Zahnradanordnung umfasst ein erstes Zahnrad 24 und ein zweites Zahnrad 26. Das erste Zahnrad 24 ist mit Hilfe der Antriebseinheit 30 antreibbar. Das zweite Zahnrad 26 ist mit der Abtasteinheit 12 verbunden und steht mit dem ersten Zahnrad 24 derart in Eingriff, dass beim Antrieb des ersten Zahnrads 24 die mit dem zweiten Zahnrad 26 verbundene Abtasteinheit 12 um die Rotationsachse 16 gedreht wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1A verläuft die Rotationsachse 16 senkrecht zu einer Ebene P, in der sich die Abtasteinheit 12 erstreckt. Ferner verläuft die Rotationsachse 16 durch einen Mittelpunkt M des Ablenkelements 18. Dabei entspricht dieser Mittelpunkt M einem Mittelpunkt der Kreisform des Ablenkelements 18.

Wie in Figur 1A gezeigt, ist das Ablenkelement 18 um eine erste Schwenkachse 22A und um eine zweite Schwenkachse 22B schwenkbar. Mit Hilfe dieser Schwenkachsen 22A, 22B kann das Ablenkelement 18 jeweils entsprechend einem maximalen Abtastwinkel as geschwenkt werden, wie er in Figur 3 beispielhaft dargestellt ist. Ferner ist in Figur 1A gezeigt, dass die beiden Schwenkachsen 22A, 22B parallel zur Ebene P verlaufen, in der sich die Abtasteinheit 12 erstreckt. Ein Schwenken des Ablenkelements 18 um die jeweilige Schwenkachse 22A, 22B ist in Figur 1A durch die Doppelpfeile R2 bzw. R3 schematisch dargestellt.

Gemäß Figur 1A umfasst die Abtasteinheit 12 einen ersten Rahmen 20A und einen zweiten Rahmen 20B. Der erste Rahmen 20A umgibt den zweiten Rahmen 20B. Der zweite Rahmen 20B ist mit dem ersten Rahmen 20a verbunden und an diesem um die zweite Schwenkachse 22B drehbar gelagert. Das Ablenkelement 18 ist mit dem zweiten Rahmen 20B verbunden und an diesem um die erste Schwenkachse 22A drehbar gelagert. Somit umfasst die Abtasteinheit 12 insbesondere eine kardanische Aufhängung zur Lagerung des Ablenkelements 18. Bei dieser kardanischen Aufhängung verlaufen die beiden Schwenkachsen 22A, 22B jeweils durch den Mittelpunkt M des Ablenkelements 18.

Bei dem in Figur 1A gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ablenkelement 18 ein reflektierendes Element zum Reflektieren eines auf dasselbe auftreffenden Lichtstrahls. Das Ablenkelement 18 dient insbesondere zur polarisationserhaltenden Reflexion des auftreffenden Lichtstrahls (wie z.B. ein Lasterstrahl). Vorzugsweise ist das Ablenkelement 18 ein Spiegel mit einer kreisförmigen Spiegelfläche.

Wie in Figur 1A gezeigt, ist die Abtasteinheit 12 mit einem Kabel 28 zur Signalübertragung verbunden.

Figur 1B zeigt eine schematische Darstellung der Abtastvorrichtung 10 nach Figur 1A mit der Abtasteinheit 12 in einer zweiten Drehstellung. Beispielsweise entspricht diese zweite Drehstellung einem Drehwinkel innerhalb eines Winkelbereichs von 0° bis 180°. Ferner kann die Abtasteinheit 12 mit Hilfe der Rotationsvorrichtung 14 auch um größere Drehwinkel, beispielsweise größer oder gleich 180°, oder größer oder gleich 360°, gedreht werden. Insbesondere sollte die Drehung durch das mit der Abtasteinheit 12 verbundene Kabel 28 nicht beeinträchtigt werden.

Mit Hilfe der Rotationsvorrichtung 14 können insbesondere die in Figur 1A und 1B gezeigten Drehstellungen der Abtasteinheit 12 erhalten werden. Dabei sind diese Drehstellungen jeweils verschiedenen Einstellungen für die Bildfeldrotation zugeordnet.

Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Rastermikroskops 100 mit der Abtastvorrichtung 10 nach Figur 1A gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das in Figur 2 gezeigte Rastermikroskop 100 ist insbesondere ein konfokales Laser-

Rastermikroskop. Wie in Figur 2 gezeigt, ist die Abtastvorrichtung 10 im Strahlengang des Rastermikroskops 100 angeordnet. Das Rastermikroskop 100 umfasst eine Laserlichtquelle 102, die einen Abtaststrahl 104 zum Abtasten des Objekts 122 erzeugt.

Das Objekt 122 ist auf einem Objekttisch 124 angeordnet. Zwischen der Abtastvorrichtung 10 und der Laserlichtquelle 102 ist ein Strahlteiler 108 angeordnet. Ferner sind zwischen dem Strahlteiler 108 und der Laserlichtquelle 102 Linsen 106a, 106b angeordnet, durch die der Abtaststrahl 104 verläuft. In Richtung des Abtaststrahls 104 hinter der Abtastvorrichtung 10 ist ein Spiegel 116 angeordnet, der den Abtaststrahl 104 in Richtung eines oberhalb des Objekttisches 124 angeordneten Objektivs 120 reflektiert. Zwischen dem Objektiv 120 und dem Spiegel 116 ist eine Abbildungsoptik angeordnet, die durch Linsen 118a, 118b gebildet wird. Mit Hilfe dieser Abbildungsoptik wird der Abtaststrahl 104 auf eine Fokalebene 121 des Objektivs 120 abgebildet. Der von dem abgetasteten Objekt 122 ausgehende und im Wesentlichen entgegengesetzt zu dem Abtaststrahl 104 verlaufende Detektionsstrahl 126 (wie z.B. Fluoreszenzstrahlung) wird mit Hilfe eines Detektors 132 detektiert. In Richtung des Detektionsstrahls 126 hinter dem Strahlteiler 108 ist eine Detektionsoptik angeord- net, die durch Linsen 128a, 128b und eine Lochblende 130 gebildet wird. Diese Detektionsoptik dient zur Abbildung des Objekts 122 auf den Detektor 132.

Wie in Figur 2 gezeigt, umfasst der Abtaststrahl 104 einen ersten Strahlabschnitt 110 in Richtung des Abtaststrahls 104 vor der Abtastvorrichtung 10 und einen zweiten Strahlabschnitt 112 (bzw. 114a, 114b) in Richtung des Abtaststrahls 104 nach der Abtastvorrichtung 10. Dabei entspricht der erste Strahlabschnitt 110 einem auf das Ablenkelement 18 der Abtasteinheit 12 auftreffenden Lichtstrahl, während der zweite Strahlabschnitt 112 bzw. 114a, 114b einem von dem Ablenkelement 18 der Abtasteinheit 12 abgelenkten Lichtstrahl entspricht. Insbesondere ist in Figur 2 das mit Hilfe der Abtasteinheit 12 durchgeführte, zweidimensionale Abtasten des Objekts 122 schematisch dargestellt. Dabei entspricht der Strahlabschnitt 112 einem in einer Ruhestellung der Abtasteinheit 12 abgelenkten Lichtstrahl, während die Strahlabschnitte 114a, 114b jeweils einem in einer Arbeitsstellung der Abtasteinheit 12 abgelenkten Lichtstrahl entspricht. Ferner hat der Strahlabschnitt 112 eine Vorzugsrichtung, die durch einen vorbestimmten Ablenkwinkel a0 (d.h. Winkel zwischen den Strahlenabschnitten 110,112) definiert ist, während die Strahlabschnitte 114a, 114b jeweils eine Richtung haben, die durch einen maximalen Abtastwinkel as definiert sind. Beispielsweise entspricht der maximale Abtastwinkel as einem positiven oder negativen Drehwinkel, der auf den Strahlenabschnitt 112 mit der Vorzugsrichtung bezogen ist. Nähere Einzelheiten zu den Winkeln aobzw. as werden im Folgenden anhand von Figur 3 beschrieben.

Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einer Reflexion eines Lichtstrahls 104 an der Abtastvorrichtung 10 nach Figur la. Gemäß Figur 3 ist die Abtasteinheit 12 derart angeordnet, dass der Strahlabschnitt 110 in einer Ruhestellung der Abtasteinheit 12 derart abgelenkt wird, dass die Strahlabschnitte 110,112 einen vorbestimmten Ablenkwinkel (d.h. a0) bilden. Dabei ist dieser vorbestimmte Ablenkwin- kel α0 insbesondere größer als ein maximaler Abtastwinkel (d.h. as) und vorzugsweise kleiner als 45°. Der vergleichsweise kleine Ablenkwinkel a0 kann mit Hilfe des rotationssymmetrisch ausgebildeten Ablenkelements 18 erreicht werden. Für den Fall, dass das Ablenkelement 18 kreisförmig ausgebildet ist, sind die beiden Halbachsen 32, 34 der entsprechenden Kreisform gleich groß.

Beispielsweise ist der vorbestimmte Ablenkwinkel a0 kleiner oder gleich 30°, vorzugsweise kleiner oder gleich 25°, wenn der maximale Abtastwinkel as = ± 20° beträgt.

Beispielsweise ist der vorbestimmte Ablenkwinkel oto kleiner oder gleich 15°, wenn der maximale Abtastwinkel as = ± 10° beträgt.

Alternativ zu dem in Figur 1A gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Abtastvorrichtung beispielsweise eine erste Abtasteinheit zum eindimensionalen Abtasten des Objekts, eine zweite Abtasteinheit zum eindimensionalen Abtasten des Objekts, eine erste Rotationsvorrichtung zum Drehen der ersten Abtasteinheit und eine zweite Rotationsvorrichtung zum Drehen der zweiten Abtasteinheit. Dabei sind die erste Rotationsvorrichtung und die zweite Rotationsvorrichtung ausgebildet, um die erste Abtasteinheit und die zweite Abtasteinheit derart zu drehen, dass deren Drehbewegungen synchronisiert sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen einen rein optischen, kostengünstigen Bildfeldrotator in einem miniaturisierten optischen Aufbau eines Laser-Rastermikroskops 100 mittels eines 2D-Scanners 12. Im Gegensatz zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Bildfeldrotator kann der erfindungsgemäße Bildfeldrotator miniaturisiert werden und erfordert keinen komplexen Strahlengang. Vorzugs weise wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bildfeldrotators die Polarisation des eintreffenden Laserstrahls 104 erhalten.

Die Erfindung hat insbesondere die folgenden Vorteile. Es wurde erkannt, dass die Wahl eines vergleichsweise großen Ablenkwinkels a0'gemäß Figur 4 nicht notwendig ist. Im Gegensatz dazu kann der optische Scanwinkel as des miniaturisierten 2D-MEMS-Scanners 12 beispielsweise kleiner als ± 20°, vorzugsweise kleiner als ± 10°, gewählt werden. Bei der Wahl eines Reflexionswinkels <x0 in Scanner-Ruhestellung, der nur minimal größer als der maximale Rasterwinkel as ist, wie beispielsweise kleiner als 25°, hat der projizierte Laserstrahl 104 auf der Spiegeloberfläche lediglich ein Verhältnis beider Halbachsen des projizierten elliptischen Strahlprofils von etwa 1,1. Die große Halbachse 32' des elliptischen MEMS-Spiegels 18' müsste bei optimierter, also minimierter Größe, lediglich etwa 10% größer sein als die kleine Halbachse 34' (siehe Figur 4). Es ist in diesem Fall von keinem nennenswerten Nachteil, runde, d.h. rotationssymmetrische MEMS-Spiegel 18 mit gleichen Längen 32, 34 einzusetzen (siehe Figur 3). Solche Spiegel an sich sind im Stand der Technik auch bekannt und weit verbreitet. Es ist somit möglich, einerseits runde Spiegel zu nutzen und gleichzeitig die Kenngrößen des MEMS-Scanners (nahezu) ideal zu halten. Dies bedeutet konkret eine (nahezu) minimierte Spiegelgröße, minimierte Trägheitsmomente und somit maximierte Scanfrequenz.

Analoges gilt auch noch bei der Wahl leicht größerer Ablenkwinkel a0, beispielsweise größer als 25°, und erst recht bei der Wahl kleinerer Ablenkwinkel a0.

Die Erfindung macht von einem 2D-Scanner Gebrauch, vorzugsweise von einem miniaturisierten zweiachsigen MEMS-Scanner 12. Im Gegensatz zu klassischen Scan-Modulen, die beispielsweise auf Galvanometer-Scannern basieren, ist es ein zentraler Vorteil bei der Nutzung des 2D-Scanners 12, dass beide Scanachsen 22a, 22b in einem

Element vereint sind und denselben Spiegel 18 durch eine kardanische oder nahezu kardanische Aufhängung kippen. Zwei separate Scaneinheiten, beispielsweise bestehend aus zwei getrennten Galvanometer-Scannern für die X- und Y-Achse, sind somit nicht mehr notwendig.

Darüber hinaus wurde erkannt, dass die Wahl eines runden Scanspiegels 18 in dem 2D-MEMS-Scanner 12 und die gleichzeitige Wahl kleiner Ablenkwinkel a0 von beispielsweise kleiner als 25° die Realisierung des erfindungsgemäßen optischen Bildfeldrotators ohne komplizierte optische Elemente im Strahlengang ermöglichen. Dies ist insbesondere anhand von Figur 2 verdeutlicht.

Gemäß Ausführungsbeispielen führt eine Rotation des 2D-Scanners 12 um eine Rotationsachse 16, die senkrecht zur Spiegelebene P liegt und diese mittig schneidet, zu einer Bildfeldrotation des Mikroskopaufbaus, wie er in Figur 2 schematisch dargestellt ist. Eine Rotation um die Rotationsachse 16, d. h. die sogenannte Bildfeldrotation, führt insbesondere zu einer azimutalen Lageänderung der Scanachsen 22a, 22b in der Spiegelebene P. Wenn beispielsweise die Achse 22a die schnelle Scanachse ist und der Bildkoordinate X zugeordnet ist, wird diese rotiert. Im Mikroskopaufbau wird diese Scanrichtung des Laserstrahls 104 entsprechend in der Probe 122 rotiert, während die Probe 122 unbewegt bleibt.

Besonders vorteilhaft im Sinne einer idealen Scanbewegung und Bildfeldrotation ist es, wenn die Achsen 22a, 22b und 16 sich im Mittelpunkt M des Spiegels 18 schneiden (d. h. kardanisch aufgehängter Spiegel mit einem Schnittpunkt der Achsen 22a, 22b im Spiegelmittelpunkt M). Anstelle der kardanischen Aufhängung ist es auch möglich, dass die Achsen 22a, 22b sich nicht im Spiegelmittelpunkt M schneiden. Die Achse 16 sollte den Spiegel 18 jedoch im oder nahe am Mittelpunkt M des Spiegels 18 schneiden, um die Funktion des Scanners 12 in allen Rotationslagen sicherzustellen.

Die so erzeugte Bildfeldrotation kann aus technischen Gründen nicht beliebig oft 360°-Drehungen in gleicher Richtung machen, da das Kabel 28 zur Signalübertragung zum rotierenden Scanner 12 führt und nicht beliebig viele Umdrehungen erlaubt. Es ist aber vollkommen ausreichend für das Erreichen des gewünschten Effektes, wenn eine Bildfeldrotation von 0° bis 180° oder von -90° bis +90° realisiert wird. Falls gewünscht, können alle weiteren Bildlagen in der digitalen Darstellung (Rechner) dann durch eine simple Bildverarbeitung erzeugt werden, also Spiegelungen und Drehungen des digitalen Bildes im Speicher des PC. Wichtig ist lediglich, dass im opto-mechanischen Aufbau jede Orientierung der Scanachsen 22a, 22b erreichbar ist. Dies ist bereits bei einem abgedeckten Winkelbereich von insgesamt 180° gegeben.

Es sei angemerkt, dass es sich prinzipiell nicht um einen MEMS-Scanner handeln muss, um die Erfindung zu realisieren. Vielmehr ist es lediglich Voraussetzung, dass der Strahl 104 auf den Spiegel 18 unter jedem Bildfeldrotationswinkel vollständig trifft, d. h. die Projektion des Strahls 104 auf den Spiegel 18 immer vollständig die Spiegelfläche erfasst. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass vergleichsweise kleine Ablenkwinkel a0 und runde Spiegelformen verwendet werden. Elliptische Spiegel gemäß dem Stand der Technik sollten nicht benutzt werden, da die Rotationslage dann nicht mehr definiert ist.

Vorzugsweise ist die zum Rastern bzw. Abtasten benutzte Einheit, d. h. der Scanner 12, ein monolithischer 2D-Scanner, der einen einzigen Spiegel 18 in zwei vorzugsweise senkrechten Scanrichtungen ablenkt. Wenn die beiden Scanrichtungen auf zwei verschieden Einheiten aufgeteilt werden, in der jeweils nur eine Scanrichtung realisiert ist, funktioniert die Erfindung ebenfalls durch eine Rotationsvorrichtung ent sprechend Figur la und lb für jede einzelne dieser Einheiten. Die verschiedenen Rotationsvorrichtungen sollten dann synchronisiert zueinander rotieren.

Gemäß Ausführungsbeispielen können anstelle von Spiegeln auch andere Strahl-Ablenkelemente benutzt werden. Dies können beispielsweise in MEMS-Technologie integrierte Elemente wie Linsen, Linsensysteme oder Prismen sein, die eine Strahlablenkung durch laterale Verschiebung oder Verkippung erzeugen. Auch der Einsatz von deformierbaren Spiegeleinheiten (DMD, „deformable mirror device"), wie beispielsweise in Larry J. Hornbeck, „Deformable-Mirror Spatial Licht Modulators", Proceedings of SPIE, The International Society of Optical Engineering, Volume 1150, San Diego, US, 6. -11. August 1989 beschrieben, von auf Flüssigkristallen basierenden Lichtmodulatoren („spatial light modulator") oder von (2D)-Scannern basierend auf akusto-optischen Rastereinheiten („acousto optic deflectors", AOD) in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Bildfeldrotator ist möglich. In den genannten Fällen sollte dann die entsprechende Scaneinheit gänzlich in analoger Weise rotiert werden. Da diese Ansätze jedoch relativ kostspielig und/oder technisch aufwendig sind, hat in der praktische Umsetzung die Nutzung von MEMS- oder DMD-Spiegelscannern die zentrale Bedeutung, denn das hauptsächlich verfolgte Ziel ist die Realisierung eines miniaturisierten Scanners mit ebenfalls miniaturisierter optischer Bildfeldrotation ohne zusätzliche komplizierte, optische Elemente im Strahlengang.

Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen einen 2D-Scanner, der unter vergleichsweise kleinen Ablenkwinkeln im Rastermikroskop verbaut ist und daher rotationssymmetrisch (rund) sein kann. Erfindungsgemäß wird der Einsatz runder Scanspiegel ermöglicht. Damit verbunden ist die Realisierung kleiner Ablenkwinkel a0, die nur minimal größer als der maximale optische Scanwinkel as des Scanners sind. Gemäß Ausführungsbeispielen erfolgt eine Rotation der gesamten Scaneinheit. Dabei ist die Bildfeldrotationsachse senkrecht zur Spiegelebene und schneidet den Spiegelmit telpunkt. Ferner ist gemäß Ausführungsbeispielen der Winkelbereich der Bildfeldrotation wegen der Kabelzuführung begrenzt, was jedoch keine funktionelle Einschränkung bedeutet.

Bezugzeichenliste 10 Abtastvorrichtung 12 Abtasteinheit 14 Rotationsvorrichtung 16 Rotationsachse 18 Ablenkelement 20a, 20b Rahmen 22a, 22b Schwenkachse 24,26 Zahnrad 28 Kabel 30 Antriebseinheit 32,34 Halbachsen 100 Rastermikroskop 102 Laserlichtquelle 104 Abtaststrahl 106a, 106b, 118a, 118b, 128a, 128b Linse 108 Strahlteiler 110,112,114a, 114b Strahlabschnitt 116 Spiegel 120 Objektiv 121 Fokalebene 122 Objekt 124 Objekttisch 126 Detektionsstrahl 130 Lochblende 132 Detektor α0, as Winkel M Mittelpunkt P Ebene

Ri bis R3 Richtung 10' bis 114', a0', as' bekannte Komponenten bzw. Winkel

Claims (15)

1. Abtastvorrichtung (10) zum Abtasten eines Objekts (122) für den Einsatz in einem Rastermikroskop (100), mit mindestens einer Abtasteinheit (12) zum zweidimensionalen Abtasten des Objekts (122) mit Hilfe eines Lichtstrahls (104), und mit mindestens einer Rotationsvorrichtung (14) zum Drehen der Abtasteinheit (12) um eine Rotationsachse (16), um eine Bildfeldrotation zu erzeugen, wobei die Abtasteinheit (12) mindestens ein Ablenkelement (18) zum Ablenken eines auf das Ablenkelement (18) auftreffenden Lichtstrahls (110) umfasst, wobei das Ablenkelement (18) eine rotationssymmetrische Form hat.

2. Abtastvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (16), um die die Abtasteinheit (12) drehbar ist, senkrecht zu einer Ebene (P) verläuft, in der sich die Abtasteinheit (12) erstreckt.

3. Abtastvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkelement (18) um eine erste Schwenkachse (22a) und/oder um eine zweite Schwenkachse (22b) entsprechend einem maximalen Abtastwinkel (as) schwenkbar ist, und dass die erste Schwenkachse (22a) und die zweite Schwenkachse (22b) parallel zu einer Ebene (P) verlaufen, in der sich die Abtasteinheit (12) erstreckt.

4. Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwenkachse (22a) und die zweite Schwenkachse (22b) jeweils durch einen Mittelpunkt (M) des Ablenkelements (18) verlaufen.

5. Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die rotationssymmetrische Form auf einen Mittelpunkt (M) des Ablenkelements (18) bezieht, und dass die Rotationsachse (16), um die die Abtasteinheit (12) drehbar ist, durch diesen Mittelpunkt (M) des Ablenkelements (18) verläuft.

6. Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (12) zumindest in einem Winkelbereich von 0° bis 180° um die Rotationsachse (16) drehbar ist.

7. Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkelement (18) ein reflektierendes Element zum Reflektieren eines auf dasselbe auftreffenden Lichtstrahls (110) ist, und dass das Ablenkelement (18) ausgebildet ist, um den auftreffenden Lichtstrahl (110) polarisationserhaltend zu reflektieren.

8. Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (12) einen MEMS-Scanner oder einen DMD-Scanner aufweist.

9. Abtastvorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Scanner ein monolithischer 2D-Scanner ist.

10. Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsvorrichtung (14) eine mit Hilfe einer Antriebseinheit (30) antreibbare Zahnradanordnung (24, 26) umfasst, und dass die Zahnradanordnung (24, 26) ausgebildet ist, die Abtasteinheit (12) um die Rotationsachse (16) zu drehen.

11. Rastermikroskop (100) mit einer im Strahlengang des Rastermikroskops (100) angeordneten Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Rastermikroskop (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (12) derart angeordnet ist, dass der auf das Ablenkelement (18) auftreffende Lichtstrahl (110) in einer Ruhestellung der Abtasteinheit (12) derart abgelenkt wird, dass der abgelenkte Lichtstrahl (112) und der auftreffende Lichtstrahl (110) einen vorbestimmten Ablenkwinkel (a0) bilden, und dass der vorbestimmte Ablenkwinkel (oto) größer als ein maximaler Abtastwinkel (ocs) zum zweidimensionalen Abtasten des Objekts (122) und kleiner als 45° ist.

13. Rastermikroskop (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Ablenkwinkel (oto) kleiner oder gleich 35°, kleiner oder gleich 30°, kleiner oder gleich 25°, kleiner oder gleich 20°, kleiner oder gleich 15° o-der kleiner oder gleich 10° ist.

14. Rastermikroskop (100) nach einem der Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Abtastwinkel (as) ± 25°, ± 20°, ± 15°, ± 10° oder ± 5° beträgt.

15. Rastermikroskop (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermikroskop (100) ein Laser-Rastermikroskop, vorzugsweise ein konfokales Laser-Rastermikroskop, ist.