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Die vorliegende Erfindung betrifft optische Abtastsysteme, insbesondere des Typs, der
zur Verwendung in konfokalen Rastermikroskopen geeignet ist.
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Die GB-A-2,184,321 offenbart ein konfokales Rastermikroskop mit einem Abtastsystem,
das einem Laserstrahl zweidimensionale transversale Ablenkung gibt. Das Abtastsystem
verwendet einen rotierenden Polygonalspiegel, um Linienabtastung durchzuführen, und
einen von einem Galvanometer angetriebenen Spiegel, um Bildabtastung
durchzuführen. Der Abtaststrahl wird durch ein Mikroskopokular und Objektiv
geschickt und auf einer Probe fokussiert. Von der Probe ausgesandtes fluoreszierendes
Licht wird über einen Großteil desselben Strahlenwegs zurückgeführt (wodurch
Descanning durchgeführt wird) und durch einen geeigneten Strahlenteiler zu einem
Detektor gelenkt. Optische Teleskope werden zum optischen Koppeln entlang dem
optischen Weg der einfallenden und zurückkehrenden Strahlen verwendet.
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Die US-A-3,669,522 offenbart ein lichtreflektierendes System zur Übertragung eines
Lichtstrahls, um zweidimensionales Abtasten eines Strahls zu erreichen. Die optischen
Elemente umfassen zwei sphärische Spiegel, die konfokal ausgerichtet sind, plus einen
X-Achsen-Scanner oder Deflektor und einen Y-Achsen-Scanner oder Deflektor. Die
Abtastlinienkrümmung wird korrigiert, indem die Spiegelablenkungseinrichtung mit
einer elektrischen Rückkopplungskompensation versehen wird. Die DE-A-3,215,564
beschreibt eine Vorrichtung zur Bildfeldabtastung, bei der ein rotierender Spiegel mit
mehreren Facetten Licht durch das erste optische Element zu einer reflektierenden
Einrichtung ablenkt, welches Licht dann zur ersten reflektierenden Einrichtung
zurückreflektiert wird. Dieses Licht wird durch die zweite reflektierende Einrichtung zu
einem rotierenden Spiegel geschickt, der für Lichtablenkung sorgt. Schließlich schafft
die US-A4,745,270 ein Abtastsystem, bei dem ein Paar einander gegenüberliegender
galvanometrischer Spiegel so angeordnet ist, daß sie für Abtasten sorgen. Zwischen den
Abtastspiegeln sind optische Elemente angeordnet.
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Das System nach dem Stand der Technik der GB-A-2,184,321 funktioniert gut, aber die
optische Qualität der Teleskope muß hoch sein. Darüberhinaus ist das System nicht
achromatisch und arbeitet nicht notwendigerweise bei allen Wellenlängen gut.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein achromatisches Abtastsystem bereit, das durch
extreme Einfachheit und hohe Leistungsfähigkeit gekennzeichnet ist.
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Im Gegensatz zu der in der US-A-3669522 geoffenbarten Anordnung ist eine
Abtastanordnung wie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegt vorgesehen.
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Die Winkelversetzung des ersten Ablenkspiegels um seine Achse sorgt für Abtasten in
einer Richtung. Der Strahl wird dann durch die konkaven Spiegel zum zweiten
Ablenkspiegel geschickt und trifft auf den zweiten Ablenkspiegel an einem Punkt seiner
Rotationsachse auf. Dieser Punkt bleibt unabhängig von der Winkelversetzung des
ersten Ablenkspiegels im wesentlichen stationär. Die Richtung des Strahls an diesem
Punkt hängt jedoch von der Winkelversetzung des ersten Ablenkspiegels ab. Die
Winkelversetzung des zweiten Ablenkspiegels um seine Achse sorgt für Abtasten in die
zweite Richtung. Der Ausgangsstrahl kann mit einem Mikroskopokular oder dergleichen
gekoppelt werden, indem das Okular mit seiner Austrittspupille am stationären Punkt
auf dem zweiten Ablenkspiegel angeordnet wird.
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Das Verstehen der Beschaffenheit und der Vorteile der vorliegenden Erfindung kann
weiter verbessert werden, indem auf die nachfolgenden Abschnitte der Beschreibung
und die beiliegenden Zeichnungen zurückgegriffen wird.
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In den Zeichnungen:
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ist Fig. 1 ein bildliches optisches Schema eines konfokalen Mikroskops, das die
Abtastoptikanordnung gemäß vorliegender Erfindung enthält; und
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ist Fig. 2 ein ebenes optisches Schema der Abtastanordnung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abtastoptikanordnung, die einen
hereinkommenden Lichtstrahl einer Winkelablenkung in zwei orthogonale Richtungen
unterzieht. Die Erfindung ist zwar für eine Anzahl von Anwendungen geeignet, wird
jedoch in Verbindung mit einem konfokalen Rastermikroskop beschrieben.
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Fig. 1 ist ein bildliches optisches Schema eines konfokalen Mikroskops 10, das die
Abtastoptikanordnung gemäß vorliegender Erfindung enthält. Fig. 2 ist ein ebenes
Schema der Abtastoptikanordnung. Spezifische Abmessungen sind nicht Teil der
Erfindung, sie werden jedoch zu Veranschaulichungszwecken angegeben.
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Eine Lichtquelle 22 wie ein Argonionenlaser sendet einen Strahl aus, der auf einen
optischen Zug trifft, der einen Strahlenteiler 23, eine Abtastoptikanordnung 25, ein
Okular 27 und ein (nicht gezeigtes) Objektiv umfaßt. Das Objektiv fokussiert den Strahl,
um den Punkt auf der Probe zu bilden. Von der Probe im Bereich des Punkts
austreten des Licht geht den gleichen Weg (aber in umgekehrte Richtung) entlang wie
das hereinkommende Laserlicht, bis es den Strahlenteiler 23 erreicht, an welchem Punkt
es auf einen zusätzlichen Strahlenteiler 32 trifft. Licht in einem Weg wird zu einer
Photovervielfacherröhre 30 gelenkt, vor der eine Irisblende 31 (variabel 0,7-7,0 mm)
angeordnet ist. Licht im anderen Weg wird zu einer zweiten Irisblende 33 und einer
Photovervielfacherröhre 34 gelenkt.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Abtastoptikanordnung 25 erste und
zweite ebene Spiegel 35a und 35b und eine optisch dazwischen angeordnete
brennpunktlose Anordnung, die erste und zweite konkave Spiegel 42a und 42b umfaßt.
Die Spiegel sind so angeordnet daß der hereinkommende Strahl vier
aufeinanderfolgenden Reflexionen, nämlich von den Spiegeln 35a, 42a, 42b und 35b,
unterworfen wird, wie im Detail nachstehend erklärt.
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Der ebene Spiegel 35a ist normalerweise in einem Winkel zur Richtung des
hereinkommenden Strahls angeordnet und ist um eine Achse 45a drehbar. Die Achse
45a liegt in der Ebene der reflektierenden Oberfläche des ebenen Spiegels 35a und in
der Ebene von Fig. 2. So verursacht das Drehen des Spiegels 35a um die Achse 45a eine
Winkelablenkung des Strahls in die und aus der Ebene von Fig. 2. Der ebene Spiegel
35b ist normalerweise in einem Winkel zur Richtung des Ausgangsstrahls angeordnet
und ist um eine Achse 45b drehbar. Die Achse 45b liegt in der Ebene der
reflektierenden Oberfläche des ebenen Spiegels 35b und steht zur Ebene von Fig. 2
rechtwinkelig. So verursacht die Drehung von Spiegel 35b um die Achse 45b eine
Winkelablenkung des Strahls in der Ebene von Fig. 2. Die ebenen Spiegel 35a und 35b
werden von jeweiligen Galvanometern 46a und 46b (schematisch gezeigt) angetrieben,
die dazu geeignet sind, Winkelversetzungen von etwa ± 17,5º an der Linie und
Bildfolgen von 525 sec&supmin;¹ und 1 sec&supmin;¹ zu ergeben. Es ist festgestellt worden, daß die
Krümmung der Abtastlinien in einer Konfiguration minimiert werden kann, bei der die
beiden ebenen Spiegel mittlere (unabgelenkte) Ausrichtungen aufweisen, die nicht
parallel zueinander liegen.
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Die konkaven Spiegel 42a und 42b sind einander zugewandt und fungieren als
Teleskop, um den Strahl vom ebenen Spiegel 35a zum ebenen Spiegel 35b und somit
zum Okular 27 zu übertragen. Die konkaven Spiegel können sphärisch oder
paraboloidisch sein oder eine andere Form haben. Bei der zur Veranschaulichung
dienenden Ausführungsform betragen die Brennweiten 75 mm. Es ist nicht absolut
erforderlich, daß die Brennweiten der beiden Spiegel gleich sind, und tatsächlich sorgt
die Verwendung unterschiedlicher Brennweiten für Freiheitsgrade bei den
grundlegenden Abtastwinkeln und der Breite des Strahls am Okular. Da der abgetastete
Strahl nur enen schmalen Streifen auf jedem der konkaven Spiegel verfolgt, müssen die
konkaven Spiegel keine kreisförmige Außenlinie aufweisen, sondern können stattdessen
die Form von Streifen (Länge etwa 50 mm) haben.
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Während des Betriebs des Mikroskops fällt der Laserstrahl, der parallel ausgerichtet
(oder beinahe parallel ausgerichtet) ist, der Reihe nach auf den ebenen Spiegel 35a, den
konkaven Spiegel 42a, den konkaven Spiegel 42b und den ebenen Spiegel 35b auf. Das
vom konkaven Spiegel 42a reflektierte Licht wird an einem mit 47 bezeichneten
dazwischenliegenden Punkt fokussiert, dessen Stelle mit dem Abtastwinkel des Spiegels
35a variiert. Das Licht tritt dann aus dem Punkt 47 heraus, woraufhin der konkave
Spiegel 42b den Strahl wieder in seinen parallel ausgerichteten Zustand zurückbringt
und ihn zum ebenen Spiegel 35b zurücklenkt, wo er von einem stationären Bereich 48
entlang der Rotationsachse 45b reflektiert wird. So ist der Strahl in zwei Richtungen
abgelenkt worden, und die brennpunktlose Anordnung hat den Strahl vom ersten
Ablenkelement zum zweiten Ablenkelement übertragen. Die Abtastoptikanordnung ist
so angeordnet, daß die Austrittspupille des Mikroskopokulars 27 auf den Bereich des
ebenen Spiegels 35b nahe der Achse 45b fällt. Auf diese Art wird der aus der
Abtastanordnung austretende parallel ausgerichtete Strahl mit dem Okular 27 und somit
mit dem Objektiv gekoppelt, das den Strahl auf einen kleinen Punkt fokussiert.
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Die Tatsache, daß der abgetastete Strahl aus dem stationären Bereich 48 auf dem
ebenen Spiegel 35b austritt, bewirkt daß die Abtastanordnung für jede Art von
Abbildung geeignet ist, die durch ein Okular erfolgen kann (z.B. Endoskopie,
Opthalmoskopie, teleskopische Beobachtung) oder durch eine kleine Öffnung erfolgen
muß.
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Obige Ausführungen stellen zwar eine vollständige Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung dar, es können jedoch verschiedene Modifikationen,
alternative Konstruktionen und Äquivalente verwendet werden. Beispielsweise werden
bei der bevorzugten Ausführungsform zwar ebene Abtastspiegel verwendet, es kann
jedoch Anwendungen geben, bei denen optische Leistungsstärke in einem oder beiden
vorteilhaft ist. Daher sollte die obige Beschreibung nicht als Schutzumfang der
Erfindung angenommen werden, der durch die beiliegenden Ansp1rüche definiert ist.