DE102005047217A1

DE102005047217A1 - Verfahren zur Steuerung eines optischen Scanners und Steuereinrichtung für einen optischen Scanner

Info

Publication number: DE102005047217A1
Application number: DE200510047217
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Meisel
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2005-10-01
Filing date: 2005-10-01
Publication date: 2007-04-05
Also published as: WO2007039053A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Scanners (4) zur Ablenkung wenigstens eines Strahls (2, 7) optischer Strahlung, insbesondere eines Scanners (4) für ein Laser-Scanning-Mikroskop oder einen Laser-Manipulator, werden über eine Eingabeschnittstelle Eingabesignale erfasst, die wenigstens eine Soll-Stellung wenigstens eines zur Strahlenablenkung bewegten Koppelelements des Scanners (4) oder des Strahls (2, 7) oder einer Folge solcher Soll-Stellungen wiedergeben. Zur Bewegung des Strahls (2, 7) werden in Abhängigkeit von dem Eingabesignal unter Verwendung wenigstens eines wenigstens eine Antriebseigenschaft des Scanners (4) wiedergebenden Scannerparameters Ansteuersignale für den Scanner (4) erzeugt und an den Scanner (4) abgegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines optischen Scanners und eine Steuereinrichtung für einen optischen Scanner.

Bei der Untersuchung und/oder Bearbeitung bzw. Manipulation von kleinen Objekten wie beispielsweise mikroskopisch zu untersuchenden Proben wird häufig ein Beleuchtungsstrahl oder -strahlenbündel über das Objekt geführt, um vorgegebene Bereiche des Objekts zu untersuchen und/oder zu bearbeiten bzw. manipulieren. Bei scannenden Mikroskopen wird ein Bild einer Probe erzeugt, in dem von verschiedenen Teilbereichen der Probe ausgehende Beobachtungsstrahlen oder -strahlenbündel auf einen feststehenden Detektor abgelenkt werden, der die Intensität der Beobachtungsstrahlen oder -strahlenbündel in Abhängigkeit von der Richtung der Beobachtungsstrahlen oder -strahlenbündel erfaßt. Bekannte und wichtige Beispiele hierfür sind Laser-Scanning-Mikroskope oder sogenannte Laser-Manipulatoren, mittels derer mikroskopisch zu untersuchende Proben bearbeitet, z. B. gebleicht werden können.

Zur Ablenkung des zu lenkenden Strahls oder Strahlenbündels, d. h. des Beleuchtungs- und/oder Beobachtungsstrahls bzw. -strahlenbündels, wird eine durch Ansteuersignale ansteuerbare Ablenkeinrichtung, die auch als optischer Scanner bezeichnet wird, verwendet. Diese Ablenkeinrichtung verfügt über wenigstens eine Antriebseinheit, mittels derer ein strahlablenkendes Element, beispielsweise ein Spiegel, entsprechend den der Antriebseinheit zugeführten Ansteuersignalen in verschiedene Stellungen und damit der Strahl bzw. das Strahlenbündel entlang vorgegebener Bahnen bewegt werden kann. Zur Ansteuerung des optischen Scanners dient eine Steuereinheit, die üblicherweise als Echtzeitrechner ausgebildet ist.

Bei bekannten Laser-Scanning-Mikroskopen wird die zu untersuchende Probe zeilenweise mit einem Laserstrahl abgetastet bzw. abgescannt, um ein Bild der Probe zu erhalten. Die Bewe gung des Strahls kann mit bekannten Scannern und Steuereinrichtungen meist mit guter Genauigkeit und akzeptabler Geschwindigkeit durchgeführt werden.

Für eine Reihe von Untersuchung oder Bearbeitungen von Proben oder Objekten ist es jedoch wünschenswert, den Strahl bzw. das Strahlenbündel auf einen gewünschten vorgegebenen Bereich der Probe richten bzw. den Strahl bzw. das Strahlenbündel nacheinander auf verschiedene vorgegebene Punkte bzw. Bereiche der Probe fahren zu können. Eine solche Arbeitsweise ist zwar mit bekannten Laser-Scanning-Mikroskopen denkbar, doch kann das Anfahren einzelner Punkte bzw. Bereiche nur mit einer geringen Geschwindigkeit in der gewünschten Genauigkeit erfolgen. Auch wird der Strahl bei Erreichen eines Punktes in der Regel bis auf den Stillstand abgebremst. Dies reduziert die Arbeitsgeschwindigkeit, mit der ein Benutzer eine Probe untersuchen bzw. bearbeiten oder manipulieren kann. Eine geringe Reaktionsgeschwindigkeit des Scanners auf Eingaben eines Benutzers kann insbesondere für den Benutzer sehr unkomfortabel sein, da eine Reaktion auf Eingaben langsamer erfolgt als die Eingaben getätigt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Scanners zur Ablenkung wenigstens eines Strahls optischer Strahlung bereitzustellen, das eine schnelle Positionierung des Strahls erlaubt, sowie eine entsprechende Steuereinrichtung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Scanners zur Ablenkung wenigstens eines Strahls optischer Strahlung, insbesondere eines optischen Scanners für ein Laser-Scanning-Mikroskop oder einen Laser-Manipulator, bei dem über eine Eingabeschnittstelle Eingabesignale erfaßt werden, die wenigstens eine Soll-Stellung wenigstens eines zur Strahlablenkung bewegten Koppelelements des Scanners oder des Strahls oder eine Folge solcher Soll-Stellungen wiedergeben, und zur Bewegung des Strahls in Abhängigkeit von den Eingabesignalen unter Verwendung wenigstens eines wenigstens eine Antriebseigenschaft des Scanners wiedergebenden Scannerparameters Ansteuersignale für den Scanner erzeugt und an den Scanner abgegeben werden.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Steuereinrichtung für einen optischen Scanner zur Ablenkung wenigstens eines Strahls optischer Strahlung, insbesondere eines Scanners für ein Laser-Scanning-Mikroskop oder einen Laser-Manipulator, umfassend eine Eingabeschnittstelle zur Erfassung von Eingabesignalen, die wenigstens eine Soll-Stellung wenigstens eines zur Strahlablenkung bewegten Koppelelements des Scanners oder des Strahls oder eine Folge solcher Soll-Stellungen wiedergeben, und eine mit der Eingabeschnittstelle verbundene Ansteuersignalerzeugungseinrichtung, die einen Speicher enthält, in der wenigstens ein wenig stens eine Antriebseigenschaft des Scanners wiedergebenden Scannerparameter gespeichert ist, und die zur Bewegung des Strahls in Abhängigkeit von über die Eingabeschnittstelle erfaßten Eingabesignalen unter Verwendung des wenigstens einen Scannerparameters Ansteuersignale für den Scanner erzeugt und abgibt.

Ein optischer Scanner, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Steuereinrichtung steuerbar ist, kann insbesondere über eine Antriebseinheit zur Bewegung wenigstens eines strahlablenkenden Elements wie beispielsweise eines Spiegels oder eines Prismas verfügen, die selbst wenigstens einen Antrieb und gegebenenfalls eine Antriebselektronik, beispielsweise eine Treiberelektronik, enthält. Zur Übertragung der Bewegung des Antriebs auf das strahlablenkende Element dient das zur Strahlablenkung bewegte Koppelelement, bei dem es sich beispielsweise um eine Abtriebswelle handeln kann. Die zur Ansteuerung zu erzeugenden Ansteuersignale richten sich dabei in ihrer Art nach dem Scanner, der gesteuert werden soll. Der Scanner kann den Strahl in ein oder zwei Dimensionen ablenken. Insbesondere im Fall einer Ablenkung in zwei Dimensionen kann die Antriebseinheit zwei Antriebe aufweisen, die jeweils ein strahlablenkendes Element für eine Ablenkung in einer der beiden Dimensionen bewegen können. In diesem Fall können dann insbesondere auch zwei Koppelelemente vorgesehen sein.

Zur Steuerung werden zunächst die Eingabesignale über die Eingabeschnittstelle erfaßt, die die eine Soll-Stellung oder eine Folge von nacheinander anzufahrenden Soll-Stellungen des von dem Antrieb bewegten Koppelelements des Scanners bzw. des damit verbundenen strahlablenkenden Elements oder des abgelenkten Strahls wiedergeben. Die Soll-Stellung des Strahls kann beispielsweise durch Winkel angegeben werden, um die Spiegel als strahlablenkende Elemente gekippt werden. Insbesondere können die Eingabesignale eine Position, beispielsweise eines durch einen Zeiger oder ein Zeigegerät markierten Punkts, in einem Bild einer Probe wiedergeben. Die Soll-Stellung des Strahls kann jedoch auch durch Angabe der Lage eines durch den Strahl auf einer vorgegebenen Fläche, insbesondere einer Ebene, erzeugten Lichtflecks auf der Fläche angegeben werden.

In Abhängigkeit von diesen Eingabesignalen und gegebenenfalls weiterer Parameter oder Signale werden dann die Ansteuersignale für den Scanner erzeugt und abgegeben. Um eine schnelle und genaue Bewegung des strahlablenkenden Elements bzw. des Strahls zu ermöglichen, wird dabei der wenigstens eine wenigstens eine Antriebseigenschaft des Scanners wiedergebende Scannerparameter verwendet. Unter dem Scannerparameter wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere auch ein beliebiger Parameter verstanden, der eine physische bzw. physikalische Eigenschaft des Scanners, insbesondere der Antriebseinheit des Scanners, wiedergibt, die insbesondere auch durch den Aufbau des Scanners bedingt sein kann. Beispiele für solche Scannerparameter sind maximale Beschleunigungen oder maximale Geschwindigkeiten, mit denen das strahlablenkende Element oder die strahlablenkenden Elemente bewegt werden kann bzw. können und die durch den Aufbau des Scanners bedingt möglich sind.

Durch Verwendung dieses Scannerparameters oder mehrerer solcher Scannerparameter ist es möglich, die Ansteuersignale so zu erzeugen, daß die durch den Aufbau des Scanners ermöglichten Bewegungsmöglichkeiten auch dann voll ausgeschöpft werden können, wenn die Soll-Stellung nach Einbau des Scanners in eine Vorrichtung erst eingegeben wird. Dies hat den Vorteil, das Soll-Stellungen schnell und genau angefahren werden können, was ein schnelles und komfortables Arbeiten ermöglicht.

Die Steuerung braucht grundsätzlich nur eine Bewegung in einer Richtung zu betreffen, vorzugsweise wird die Steuerung jedoch für einen Scanner, der eine Ablenkung des Strahls in zwei Dimension ermöglicht, und eine Bewegung des abgelenkten Strahls in zwei voneinander unabhängigen Richtungen bzw. in zwei Dimensionen ermöglicht.

Die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung der Steuereinrichtung kann eine zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete elektronische Schaltung umfassen, die im wesentlichen nicht programmierbar ist. Vorzugsweise verfügt die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung jedoch über einen mit dem Speicher verbundenen Prozessor zur Ausführung von Instruktionen eines Computerprogramms. In dem Speicher ist dann vorzugsweise ein Computerprogramm gespeichert, das Instruktionen umfaßt, bei deren Ausführung die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung und insbesondere der Prozessor darin das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, und insbesondere über eine Eingabeschnittstelle der Steuereinrichtung Eingabesignale erfaßt, die wenigstens eine Soll-Stellung des Scanners oder des Strahls oder einer Folge von solchen Soll-Stellungen wiedergeben, zur Bewegung des Strahls aus den Eingabesignalen unter Verwendung wenigstens eines Scannerparameters Ansteuersignale für den Scanner erzeugt und an den Scanner abgibt. Weiter ist diesem Fall wenigstens ein Softwareteil der Eingabeschnittstelle vorzugsweise durch die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung gegeben.

Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Computerprogramm zur Ansteuerung eines optischen Scanners zur gesteuerten Ablenkung wenigstens einen Strahls optischer Strahlen, insbesondere eines Scanners für ein Laser-Scanning-Mikroskop oder einen Laser-Manipulator, das Instruktionen umfaßt, bei deren Ausführung eine Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere ein Prozessor darin, das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, und insbesondere über eine Eingabeschnittstelle der Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise der Steuereinrichtung, Eingabesignale erfaßt, die wenigstens eine Soll-Stellung wenigstens eines zur Strahlab lenkung bewegten Koppelelements des Scanners oder des Strahls oder einer Folge von solchen Soll-Stellungen wiedergeben, zur Bewegung des Strahls aus den Eingabesignalen unter Verwendung wenigstens eines Scannerparameters Ansteuersignale für den Scanner erzeugt und an den Scanner abgibt.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Datenspeichermedium, das computerlesbar ist und auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert ist. Als Datenträger kommen insbesondere magnetische, magneto-optische oder optische Datenträger sowie nichtflüchtige Speicherelemente, beispielsweise EEPROMs oder Flash-Speicher in Betracht.

Die erzeugten Ansteuersignale können vorzugsweise über eine Ansteuersignalausgabeschnittstelle an den Scanner abgegeben werden, über die die Steuereinrichtung vorzugsweise verfügt.

Die Ansteuersignale brauchen nicht allein in Abhängigkeit von den Eingabesignalen und dem wenigstens einen Scannerparameter erzeugt zu werden. Vielmehr wird vorzugsweise auch die Ist-Stellung des Koppelelements oder des Strahls bei der Erzeugung der Ansteuersignale berücksichtigt. Die Ist-Stellung kann dabei während der Ausführung des Verfahrens, d. h. bei Eingabe der Eingangssignale, ermittelt werden. Vorzugsweise verfügt die Steuereinrichtung, insbesondere die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung, hierzu über eine Rückmeldesignalschnittstelle, über die Rückmeldesignale eines Stellungssensors erfaßbar sind, der die Stellung des Koppelelements des Scanners erfaßt.

Die Erzeugung der Ansteuersignale aus den Eingabesignalen kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zur Erzeugung der Ansteuersignale in Abhängigkeit von wenigstens den Eingabesignalen eine Soll-Bahn ermittelt und aus der Soll-Bahn werden die Ansteuersignale erzeugt. Vorzugsweise ermittelt die Steuereinrichtung und insbesondere die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung zur Erzeugung der Ansteuersignale in Abhängigkeit von wenigstens den Eingabesignalen eine Soll-Bahn und erzeugt aus der Soll-Bahn die Ansteuersignale. Das Computerprogramm umfaßt dazu vorzugsweise Instruktionen, bei deren Ausführung der die Instruktionen ausführende Prozessor zur Erzeugung der Ansteuersignale in Abhängigkeit von wenigstens den Eingabesignalen eine Soll-Bahn ermittelt und aus der Soll-Bahn die Ansteuersignale erzeugt. Unter der Soll-Bahn wird dabei der kontinuierliche Verlauf einer oder mehrerer, die Stellung des wenigstens eines zur Strahlablenkung bewegten Koppelelements des Scanners bzw. des Strahls festlegender Variablen verstanden, der nicht unbedingt den zeitlichen Verlauf wiederzugeben braucht. Wird die Soll-Stellung durch Angabe der Lage eines durch den Strahl erzeugten Leuchtflecks in einer Ebene definiert, kann die Soll-Bahn genau der vorgegebenen Bahn des Leuchtflecks entsprechen.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Festlegung der Soll-Bahn zunächst mit oder ohne Berücksichtigung des Scannerparameters erfolgen kann.

Die Soll-Bahn kann auf wenigstens zwei verschiedene Arten und Weisen bestimmt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden aus der Soll-Bahn unter Verwendung des wenigstens einen Scannerparameters eine Soll-Bewegung und aus der Soll-Bewegung die Ansteuersignale ermittelt. Dazu ist die Steuereinrichtung so ausgebildet und umfaßt das Computerprogramm solche Instruktionen, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung bzw. der die Instruktionen ausführende Prozessor aus der Soll-Bahn unter Verwendung des wenigstens einen Scannerparameters eine Soll-Bewegung und aus der Soll-Bewegung die Ansteuersignale ermittelt.

Unter einer Soll-Bewegung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei nicht nur die Angabe der Soll-Bahn, sondern auch die Angabe des zeitlichen Verlaufs der Bewegung des wenigstens einen Koppelelements oder des Strahls verstanden. Insbesondere wird unter der Soll-Bewegung die Zeitabhängigkeit einer oder mehrerer Variablen verstanden, die die Stellung des wenigstens einen zur Strahlablenkung bewegten Koppelelements des Scanners bzw. des Strahls festlegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Soll-Bahn zunächst ohne Berücksichtigung der Eigenheiten des Scanners bzw. des Scannerparameters festgelegt werden kann und erst danach die Soll-Bewegung ermittelt zu werden braucht, wobei dann der wenigstens eine Scannerparameter verwendet wird. Insbesondere kann die typischerweise nur durch wenige Soll-Stellungen vorgegebene Bahn des Koppelelements bzw. des von dem strahlablenkenden Element abgelenkten Strahls im Hinblick auf die Stellungen zwischen den Soll-Stellungen einfach und gezielt ergänzt werden. So kann gegebenenfalls durch Erfassung eines weiteren Eingabesignals, das wenigstens eine Formangabe in Verbindung mit den Soll-Stellungen wiedergibt, die Soll-Bahn vollständig definiert sein, und es kann in Abhängigkeit von diesem weiteren Eingabesignal die Soll-Bahn ermittelt werden. Beispiele für solche, durch zusätzliche Formangaben genauer festgelegten Soll-Bahnen sind beispielsweise ein durch wenigstens drei vorgegebene Punkte oder einen Punkt und einen Radius vorgegebener Kreis, eine durch wenigstens drei Punkte gegebene Ellipse, eine die Soll-Stellungen interpolierende Spline-Kurve, eine ebenfalls interpolierende Bezier-Kurve oder ähnliches. Die eigentliche Bewegung des Scanners bzw. des Strahls kann dann unter Vorgabe dieser Soll-Bahn ermittelt werden. Die eigentliche Soll-Bewegung kann dann in Abhängigkeit von dem Scannerparameter und gegebenenfalls weiterer Vorgaben ermittelt werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform wird schon zur Ermittlung der Soll-Bahn der wenigstens eine Scannerparameter verwendet. Die Steuereinrichtung ist dazu vorzugsweise so ausgebildet und das Computerprogramm enthält dazu solche Instruktionen, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung bzw. der die Instruktionen ausführende Prozessor zur Ermittlung der Soll-Bahn der wenigstens eine Scannerparameter verwendet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Festlegung der Soll-Bahn bereits unter Verwendung des wenigstens einen Scannerparameters erfolgen kann und daher bereits optimiert sein kann. Dies kann insbesondere dann ein erheblicher Vorteil sein, wenn nur verschiedene Soll-Stellungen angefahren werden sollen, der Weg zwischen diesen jedoch unerheblich ist.

So ist es bei einer Weiterbildung bevorzugt, daß die Soll-Bahn und/oder die Soll-Bewegung in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Scannerparameter mit dem Ziel einer möglichst kurzen Gesamtdauer der Bewegung des Strahls ermittelt wird. Die Steuereinrichtung ist dazu so ausgebildet und das Computerprogramm weist dazu solche Instruktionen auf, daß die Ansteuersignaleinrichtung bzw. der die Instruktionen ausführende Prozessor die Soll-Bahn und/oder die Soll-Bewegung in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Scannerparameter mit dem Ziel einer möglichst kurzen Gesamtdauer der Bewegung des Strahls ermitteln kann. Diese Ausführungsform ist besonders in dem Fall, daß der Strahl in vorgegebene Stellungen bewegt werden soll, die Bewegung zwischen den Stellungen jedoch aus Sicht des Benutzers keine Rolle spielt, vorteilhaft. Die Soll-Bahn und/oder die Soll-Bewegung kann im Hinblick auf die Form der Bahn wie auch der dabei zu verwendenden Beschleunigungen unter Berücksichtung des wenigstens einen Scannerparameters mit dem Ziel einer kurzen Gesamtdauer der Bewegung bestimmt werden. Die Bewegung kann dabei aus der aktuellen Ist-Stellung oder der ersten Soll-Stellung heraus zu der letzten Soll-Stellung erfolgen. Beispielsweise können zur Ermittlung der Soll-Bahn und der Soll-Bewegung Verfahren aus der Theorie der Optimalen Steuerung verwendet werden. Je nach maximal möglichem Rechenaufwand für die Ermittlung der Soll-Bahn und/oder Bewegung braucht die ermittelte Bewegung nicht unbedingt ein Minimum der Gesamtdauer der Bewegung darzustellen, jedoch ist die Gesamtdauer einer Bewegung von einer Startstellung zu einer Endstellung über wenigstens eine mittlere vorgegebene Stellung geringer als bei einer bekannten Bewegung, bei der der Strahl zum Anfahren jeder Stellung aus der Ruhe beschleunigt, dann mit konstanter Geschwindigkeit bewegt und schließlich bis zum Stillstand abgebremst wird.

Besonders bevorzugt ist dann eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der in dem Fall, daß die Eingabesignale wenigstens zwei Soll-Stellungen wiedergeben, aus den Eingabesignalen die Soll-Bewegung so ermittelt wird, daß das Koppelelement des Scanners bzw. der Strahl durch die erste einzustellende Soll-Stellung bewegt wird. Vorzugsweise ist dazu die Steuereinrichtung so ausgebildet bzw. enthält dazu vorzugsweise das Computerprogramm solche Instruktionen, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung bzw. der die Instruktionen ausführende Prozessor nach Erfassung von Eingabesignalen, die wenigstens zwei Soll-Stellungen wiedergeben, aus den Eingabesignalen die Soll-Bewegung so ermittelt, daß das Koppelelement des Scanners bzw. der Strahl durch die erste einzustellende Soll-Stellung bewegt wird. Mit anderen Worten wird das Koppelelement bzw. der Strahl nicht in der ersten Soll-Stellung angehalten, sondern durch diese hindurchbewegt, was den Vorteil hat, daß sich einen besonders kurze Dauer der Bewegung ergibt. Insbesondere kann dabei als Scannerparameter eine maximal mögliche Beschleunigung oder Abbremsung des Koppelelements verwendet werden.

Weiter ist es bei dem Verfahren bevorzugt, bei der Erzeugung der Ansteuersignale aus den Eingabesignalen eine Soll-Bewegung des Strahls zu ermitteln, wobei eine Vorverzerrung durchgeführt wird, um Abweichungen zwischen Ist-Bewegung und Soll-Bewegung zu reduzieren. Die Steuereinrichtung ist dazu vorzugsweise so ausgebildet und das Computerprogramm enthält dazu vorzugsweise solche Instruktionen, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung bzw. ein die Instruktionen ausführender Prozessor bei Erzeugung der Ansteuersignale aus den Eingabesignalen eine Soll-Bewegung des Strahls ermittelt, wobei eine Vorverzerrung durchgeführt wird, um Abweichungen zwischen Ist-Bewegung und Soll-Bewegung zu reduzieren. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß durch die Vorverzerrung eine bei der Umsetzung der Ansteuersignale in die Bewegung des Strahls auftretende Verzerrung von Signalen durch die Vorverzerrung kompensiert werden kann, so daß die Ist-Bewegung des Scanners bzw. des Strahls möglichst genau der Soll-Bewegung entspricht und damit eine genaue Bewegung des Strahls einfach möglich ist. Insbesondere kann bei einer Darstellung der Ansteuersignale durch Fourierkomponenten die Vorverzerrung darin bestehen, daß die aus den Eingabesignalen erzeugten Fourieramplituden bzw. -phasen durch entsprechende Amplitudenanteile einer Übertragungsfunktion des Scanners dividiert bzw. von diesen entsprechende Phasenanteile der Übertragungsfunktion subtrahiert werden.

Die Erfindung kann zum einen dazu benutzt werden, aus einem Zustand, in dem das Koppelelement des Scanners bzw. der Strahl ruht, das Koppelelemente des Scanners bzw. den Strahl zu bewegen. Es ist bei dem Verfahren jedoch auch möglich, bei Erfassung der Eingabesignale eine Bewegung des Strahls durch den Scanner zu unterbrechen, die Ist-Stellung festzustellen und zur Erzeugung der Ansteuersignale zu verwenden, und nach Abgabe der erzeugten Ansteuersignale weitere Ansteuersignale abzugeben, so daß die unterbrochene Bewegung des Strahls fortgesetzt wird. Die Steuereinrichtung ist dazu vorzugsweise so ausgebildet bzw. das Computerprogramm enthält dazu solche Instruktionen, daß die Steuereinrichtung bzw. ein die Instruktionen ausführender Prozessor bei Erfassung der Eingabesignale eine Bewegung des Strahls durch den Scanner unterbricht, die Ist-Stellung feststellt und zur Erzeugung der Ansteu ersignale verwendet, und nach Abgabe der erzeugten Ansteuersignale weitere Ansteuersignale abgibt, so daß die unterbrochene Bewegung des Strahls fortgesetzt wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß ein Benutzer beispielsweise während der Erfassung eines entsprechenden durch Scannen zu erhaltenden Bildes, den Scanvorgang mit einer für die Bilderfassung vorgegebenen Sildscanbewegung unterbrechen und die Bewegung den Strahl nach seinen eigenen Vorstellungen fortsetzen lassen kann. Die unterbrochene Bildscanbewegung des Strahls kann insbesondere eine durch einen vorgegebenen Modus der Steuereinrichtung vorgegebene Bewegung sein, beispielsweise eine zeilenförmige Abtastung einer Probe. Um ein möglichst schnelles Anfahren der Soll-Stellungen unter Berücksichtung des Scannerparameters zu ermöglichen, wird die Soll-Bewegung des Scanners bzw. Strahls vorzugsweise so ermittelt, daß bei der Unterbrechung der vorgegebenen Bildscanbewegung des Strahls der Strahl ohne Anhalten in Richtung der nächsten anzufahrenden Soll-Stellung bewegt wird.

Als Eingabeschnittstellen können grundsätzlich beliebige Schnittstellen in Betracht kommen. Insbesondere kann die Eingabeschnittstelle auch verschiedene Typen von Schnittstellen umfassen. So ist es bei dem Verfahren bevorzugt, daß die Eingabeschnittstelle eine Schnittstelle für ein Eingabegerät zur Eingabegerät zur Eingabe von Daten durch einen Benutzer umfaßt. Bei der Steuereinrichtung umfaßt dazu die Eingabeschnittstelle einer Hardwareschnittstelle zu einem Eingabegerät. Als Hardwareschnittstellen kommen beispielsweise serielle Schnittstellen, RS232-Schnittstellen, USB-Schnittstellen oder drahtlos arbeitende Schnittstellen wie beispielsweise IrDa-, Bluetooth oder WLAN-Schnittstellen in Betracht. Das von einem Benutzer bedienbare Eingabegerät kann dabei beliebig gewählt sein. Beispielsweise kann es sich um ein Zeigegerät, beispielsweise eine Maus, ein Trackball oder einen Joystick, oder eine Tastatur handeln, wobei die Eingabeschnittstelle dann auch noch ein entsprechendes Softwaremodul und eine graphische Benutzerschnittstelle umfassen kann. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Benutzer sehr einfach unmittelbar die Soll-Stellungen eingeben kann und die Eingaben bzw. die entsprechenden Eingabesignale sehr schnell verarbeitet werden können.

Dabei können als Eingabesignale neben Digitalsignalen insbesondere auch Analog-Signale verwendet werden. Bei der Steuereinrichtung umfaßt dann die Eingabeschnittstelle bevorzugt einen Analog-/Digitalwandler. Die Verwendung von analogen Eingabesignalen hat den Vorteil, daß sehr einfache Eingabegeräte verwendet werden können.

Bei einer anderen Ausführungsform ist es bei dem Verfahren bevorzugt, daß die Eingabeschnittstelle eine Softwareschnittstelle für wenigstens ein anderes Programm oder einen anderen Prozeß ist. Bei der Steuereinrichtung umfaßt die Eingabeschnittstelle hierzu eine Softwareschnittstelle für wenigstens ein anderes Programm oder einen anderen Prozeß. Die Eingabesignale sind dann vorzugsweise Digitalsignale. Die Softwareschnittstelle braucht dabei nur die Übertragung von Daten zu ermöglichen, die die Soll-Bewegung wiedergeben, kann jedoch noch zusätzlich zur Erfassung von weiteren Steuerdaten ausgebildet sein. Das Programm oder der Prozeß kann dabei in der Steuereinrichtung selbst oder auch auf einem mit der Steuereinrichtung gekoppelten Bedienungsrechner ablaufen. Insbesondere kann bei Verwendung eines hinreichend schnellen Prozessors das Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens auf dem gleichen Prozessor ausgeführt werden, wie der Prozeß oder das Programm, das die Eingabesignale abgibt. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich, gespeicherte oder über das Programm erzeugte, die Soll-Stellungen wiedergebende Daten als Eingabesignale zu verwenden und so die Bedienung zu erleichtern.

Die Eingabesignale brauchen sich nicht allein auf die Soll-Stellungen zu beziehen. So ist es bei dem Verfahren bevorzugt, daß über die Eingabeschnittstelle weitere Eingabesignale erfaßt werden, die wenigstens eine gewünschte Eigenschaft des abzulenkenden Strahls oder Befehle für eine Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung wiedergeben, und unter Verwendung der weiteren Eingabesignale Beleuchtungssteuersignale für eine Beleuchtungseinrichtung zur Abgabe des abzulenkenden Strahls mit der gewünschten Eigenschaft bzw. Steuersignale für die Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung erzeugt und an diese abgegeben werden. Die Steuereinrichtung weist dazu vorzugsweise eine Ausgabeschnittstelle zur Ausgabe von Beleuchtungssteuersignalen an eine Beleuchtungseinrichtung zur Abgabe des abzulenkenden Strahls und/oder zur Abgabe von Steuersignalen an eine Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung auf und ist weiter dazu ausgebildet, über die Eingabeschnittstelle weitere Eingabesignale zu erfassen, die wenigstens eine gewünschte Eigenschaft des abzulenkenden Strahls oder Befehle für die Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung wiedergeben, und Beleuchtungssteuersignale für eine mit der Ausgabeschnittstelle verbundene Beleuchtungseinrichtung zur Abgabe des abzulenkenden Strahls bzw. Steuerbefehle für die Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung zu erzeugen und über die Ausgabeschnittstelle an diese abzugeben. Diese Ausführungsform erlaubt es in vorteilhafter Weise, über nur eine Schnittstelle nicht nur die Soll-Stellungen des Strahls einzugeben, sondern auch dessen Beleuchtungseigenschaften oder Befehle zur Erfassung und/oder Verarbeitung von Bildern, was die Bedienung erleichtert. Insbesondere kann vorzugsweise auch die Intensität bzw. Fluence des Strahls in Abhängigkeit von den Soll-Stellungen angegeben werden, so daß eine Bewegung des Strahls in die Soll-Stellungen mit den Soll-Stellungen jeweils zugeordneten Intensitäts- bzw. Fluence-Werten erfolgen kann. Darüber hinaus kann beispielsweise die Darstellung erfaßter Bilder, die die Grundlage für die Eingabe von Soll-Stellungen bilden, einfach durch Eingabe entsprechender weiterer Eingabesignale geändert werden, so daß auch hierdurch die Bedienung vereinfacht wird.

Die Steuereinrichtung kann auf verschiedene Arten und Weisen realisiert sein. Gemäß einer Ausführungsform ist es bevorzugt, daß die Steuereinrichtung einen Echtzeitrechner umfaßt. Dieser Echtzeitrechner kann insbesondere dazu dienen, in Echtzeit aus den Eingabesignalen die Ansteuersignale zu erzeugen, und die erzeugten Ansteuersignale direkt an den Scanner auszugeben, was den Vorteil hat, daß keine wesentlichen zeitlichen Verzögerungen durch langsame Schnittstellen entstehen können.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, daß die Steuereinrichtung durch einen Bedienungsrechner mit einer Benutzerschnittstelle gegeben ist. Insbesondere kann als Benutzerschnittstelle eine graphische Benutzerschnittstelle (GUI) verwendet werden, was eine besonders einfache Bedienung erlaubt. Die Steuereinrichtung kann dann durch ein entsprechendes Softwaremodul gegeben sein, das bei entsprechender Leistungsfähigkeit des Prozessors, gegebenenfalls parallel zu anderen Prozessen, ebenfalls in Echtzeit die Ansteuersignale erzeugt.

Die Erfindung ist grundsätzlich für beliebige Scanner einsetzbar, insbesondere jedoch für Scanner in Laser-Scanning-Mikroskopen oder Laser-Manipulatoren. Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist daher auch ein Laser-Scanning-Mikroskop oder ein Laser-Manipulator mit einem Scanner und einer mit dem Scanner verbundenen erfindungsgemäßen Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Scanners.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Laser-Scanning-Mikroskops nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Scanners, einer Steuer- und Auswertevorrichtung und einer Bildanzeigeeinrichtung des Laser-Scanning-Mikroskops in 1, und
3 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines von einer Ansteuersignalerzeugungseinrichtung in 2 durchgeführten Verfahrens nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die 1 umfaßt ein Laser-Scanning-Mikroskop nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Beleuchtungsmodul 1 mit einem Laser zur Abgabe eines kollimierten Beleuchtungslaserstrahls 2 mit geringem Querschnitt, einen Strahlteiler 3, durch den der Beleuchtungslaserstrahl 2 hindurchtritt, eine Ablenkeinrichtung bzw. einen optischen Scanner 4 zur gesteuerten Ablenkung des Beleuchtungslaserstrahls 2 in zwei voneinander unabhängigen Richtungen x und y und eine Mikroskopoptik 5 mit einer Tubuslinse und einem Objektiv zur Fokussierung des Beleuchtungslaserstrahls 2 auf eine vorgegebene ebene Schicht S in einem Objekt bzw. einer Probe 6. Von der Probe 6 im Bereich des Fokus F des Beleuchtungslaserstrahls 2 ausgehende Detektionsstrahlung 7 gelangt durch die Mikroskopoptik 5 zu dem Scanner 4, der die Detektionsstrahlung 7 descannt. Unter Descannen wird verstanden, daß der Scanner 4 von dem auf bzw. in der Probe 6 entsprechend der Ablenkung des Beleuchtungslaserstrahls 2 wandernden Bereich mit dem Fokus F ausgehende Strahlung in einen festen Abschnitt des Detektionsstrahlengangs, insbesondere auf den Strahlteiler 3 ablenkt, so daß der Abschnitt des Detektionsstrahlengangs zwischen der Probe 6 und dem Scanner 4 entsprechend der Bewegung des Abschnitts des Beleuchtungsstrahlengangs zwischen dem Scanner 4 und der Probe 6 geschwenkt wird, der restliche Teil des Detektionsstrahlengangs jedoch unverändert bleibt.
Die gescannte Detektionsstrahlung wird dann über den Strahlteiler 3 umgelenkt, hinter dem im Detektionsstrahlengang nacheinander eine Detektionsoptik 8, eine feine Blende bzw. pinhole-Blende 9 sowie ein Detektor 10 angeordnet sind. Die Detektionsoptik 8 fokussiert dabei von dem Fokusbereich in der Probe 6 ausgehende Detektionsstrahlung auf die pinhole-Blende 9 bzw. bildet den Fokusbereich konfokal auf die pinhole-Blende 9 ab, so daß im wesentlichen nur Detektionsstrahlung aus der Schicht S der Probe 6, in der der Fokus F des Beleuchtungslaserstrahls 2 liegt, auf den Detektor 10 gelangt. Zur Ansteuerung des Scanners 4 und zum Empfang von Detektionssignalen des Detektors 10, die dieser entsprechend der Intensität der von ihm empfangenen Detektionsstrahlung 7 erzeugt und abgibt, ist eine Steuer- und Auswertevorrichtung 11 vorgesehen, an die ein externes Eingabegerät 12, eine Anzeigeeinrichtung 13 in Form eines Farbmonitors und wenigstens ein weiteres Eingabegerät 14, im Beispiel in Form einer Tastatur, angeschlossen sind. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 11 dient weiterhin zur Verschiebung eines in der 1 nicht gezeigten Probentischs, der die Probe 6 trägt, entlang der gestrichelt gezeigten optischen Achse der Mikroskopoptik 5 bzw. der z-Achse, wodurch die abzubildende Schicht S in der Probe 6 ausgewählt werden kann. Darüber hinaus ist sie auch mit dem Beleuchtungsmodul 1 verbunden, um den Laser darin zu steuern.
Die Anordnung in 1 ist bis auf die Ausbildung der Steuer- und Auswertevorrichtung 11 mit dem daran angeschlossenen externen Eingabegerät 12 grundsätzlich bekannt.
Der Scanner 4 dient zur Ablenkung des Beleuchtungslaserstrahls 2 in den zwei zu der optischen Achse der Mikroskopoptik 5 bzw. der z-Achse orthogonalen Richtungen x und y und umfaßt dazu für jede der Richtungen einen Antrieb mit einer Treiberschaltung 16, der über ein Koppelelement 17 mit einem strahlablenkenden Element 18, beispielsweise einen Spiegel, gekoppelt ist, so daß es von dem jeweiligen Antrieb durch Bewegung des Koppelelements 17 in verschiedene Stellungen gestellt werden kann. Im Beispiel wird das strahlablenkende Element 18 in einer durch die jeweilige Ablenkrichtung vorgegebenen Ebene verkippt. Der Übersichtlichkeit halber ist der Scanner 4 in 2 nur grobschematisch vereinfacht gezeigt, wobei nur der Antrieb 15 mit der Treiberschaltung 16 und dem Koppelelement 17 sowie das strahlablenkende Element 18 für die Ablenkung in x-Richtung gezeigt sind. Bis auf die Ausrichtung ist der Antrieb für den zweiten Spiegel entsprechend aufgebaut.
Die Treiberschaltung 16 umfaßt einen Regler, der die Stellung des Antriebs bzw. Koppelelements 17 in Abhängigkeit von Rückmeldesignalen eines in 2 nicht gezeigten Stellungssensors des Scanners 4 für das jeweilige Koppelelement 17 regelt, die die Stellung des Koppelelements 17 wiedergeben.
Die Steuer- und Auswertevorrichtung 11 umfaßt einen Bedienungsrechner 19 in Form eines Personalcomputers und eine Steuereinrichtung 20 nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Von dem Bedienungsrechner 19 sind nur einige für die Erfindung relevante, aber nicht unbedingt wesentliche Teile gezeigt. Der Bedienungsrechner 19 dient über die im folgenden genannten Funktionen hinaus zur Erfassung und Auswertung der von dem Detektor 10 übermittelten Bilddaten und Darstellung der Bilddaten auf der Anzeigeeinrichtung 13, wozu er über die gezeigten Bestandteile hinaus weitere Komponenten aufweisen kann. Darüber hinaus dient der Bedienungsrechner 19 zur Bedienung des Laser-Scanning-Mikroskops, wozu auch das mit dem Bedienungsrechner 19 über eine Schnittstelle verbundene weitere Eingabegerät 14 dient, mittels dessen über eine graphische Benutzerschnittstelle und mittels der Anzeigevorrichtung 13 eine Bedienung des Laser-Scanning-Mikroskops ermöglicht wird.
Der Bedienungsrechner 19 verfügt weiterhin über eine Softwareschnittstelle 21 und eine entsprechende, in 2 nicht ausdrücklich gekennzeichnete Hardwareschnittstelle zu der Steuereinrichtung 20.
Die Steuereinrichtung 20 umfaßt eine Eingabeschnittstelle, über die das externe Eingabegerät 12 angeschlossen ist und von der in 2 nur der Hardwareteil 22 gezeigt ist, sowie eine Ansteuersignalerzeugungseinrichtung 23 in Form eines Echtzeitrechners mit einem Prozessor 24 und einem mit dem Prozessor 24 verbundenen Speicher 25. Die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung 23 ist zur Erzeugung und Abgabe von Ansteuersignalen an den Scanner 4 sowie zum Empfang von Rückmeldesignalen, die die Stellung des Scanners 4 bzw. der Antriebe wiedergeben, ausgebildet. In dem Speicher 25 ist dazu ein Computerprogramm mit Instruktionen abgespeichert, bei deren Ausführung der Prozessor 24 das folgende Verfahren nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durchführt. Weiterhin sind eine Ansteuersignalausgabeschnittstelle 26 zur Ausgabe von Ansteuersignalen an den Scanner 4, eine Rückmeldesignalschnittstelle 27 zur Erfassung von Rückmeldesignalen der in 2 nicht gezeigten Stellungssensoren, eine Ausgabeschnittstelle 28 zur Abgabe von Beleuchtungssteuersignalen an das Beleuchtungsmodul 1 und eine Eingabe-Ausgabeschnittstelle 29 zum Empfang von Signalen des Bedienungsrechners 19 und zur Abgabe von Befehlssignalen an den Bedienungsrechner 19 vorgesehen. Die Eingabe-Ausgabeschnittstelle 29 dient auch zur Erfassung von Eingabesignalen von auf dem Prozessor des Bedienungsrechners 19 ablaufenden Prozessen und ist insofern im Sinne der Erfindung auch als Teil einer Eingabeschnittstelle anzusehen.
Die Eingabeschnittstelle 22 ist im vorliegenden Beispiel eine USB-Schnittstelle für das externe Eingabegerät 12, beispielsweise eine Maus, und umfaßt weiterhin eine durch das Computerprogramm in dem Echtzeitrechner 23 realisierte Software-Eingabeschnittstelle.
In dem Speicher 25 sind weiterhin Scannerparameter für die beiden Antriebe des Scanners 4 abgelegt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel die maximale Beschleunigung, die maximale Abbremsung, d.h. eine minimale relative Beschleunigung, sowie eine maximale Geschwindigkeit wiedergeben.
In den Speicher 25 sind weiterhin in einer Tabelle Daten abgelegt, die zur Vorverzerrung der zu erzeugenden Ansteuersignale dienen. Insbesondere können die Daten das Inverse von Frequenzkomponenten einer Übertragungsfunktion des Scanners 4, d.h. einer Funktion, die die Stellung der Koppelelemente 17 bzw. des Strahls als Antwort auf ein an den Scanner 4 abgegebenes Ansteuersignal wiedergibt, repräsentieren.
Das in 3 veranschaulichte Verfahren läuft folgendermaßen ab:
Zunächst erfaßt die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung 23 in Schritt S10 über die Eingabeschnittstelle 22 Eingabesignale des externen Eingabegeräts 12, die zum einen einen Modus der weiteren Verarbeitung und zum anderen eine Soll-Stellung oder eine Folge von Soll-Stellungen der Koppelelemente des Scanners 4 und damit auch des Beleuchtungsstrahls 2 wiedergeben. Zur Eingabe werden die graphische Benutzerschnittstelle des Bedienungsrechners 19 und die daran angeschlossene Anzeigeeinrichtung 13 verwendet, Insbesondere kann auf der Anzeigeeinrichtung 13 bereits ein Bild der Probe 6 gezeigt sein, aus dem der Benutzer durch Bewegung eines Zeigers mittels des Eingabegeräts 12 und Anklicken vorgegebenen Punkte und damit nach Umrechnung in geeignete Koordinaten Soll-Stellungen auswählt.
In Schritt S12 ermittelt die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung 23 dann anhand von Rückmeldesignalen der Stellungssensoren des Scanners 4, die sie über die Rückmeldesignalschnittstelle 27 erfaßt, eine Ist-Stellung der Koppelelemente und damit des Beleuchtungsstrahls 2.
In Schritt S14 stellt die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung 23 auf der Basis der Eingabesignale fest, mit welchem Modus das Verfahren fortgesetzt werden soll, und verzweigt dann in entsprechende Softwaremodule, in 3 den Zweig mit den Schritten S16 und S18 oder den Zweig S24.
In dem ersten Zweig mit den Schritten S16 und S18 wird zur Erzeugung der Ansteuersignale in Abhängigkeit von den Eingabesignalen und von der in Schritt S12 ermittelten Ist-Stellung eine Soll-Bahn ermittelt, und aus der Soll-Bahn werden die Ansteuersignale erzeugt, indem aus der Soll-Bahn unter Verwendung der Scannerparameter eine Soll-Bewegung und aus der Soll-Bewegung die Ansteuersignale ermittelt werden. Dabei wird die Soll-Bewegung in Abhängigkeit von den Scannerparametern mit dem Ziel einer möglichst kurzen Gesamtdauer der Bewegung des Strahls ermittelt.
In dem im folgenden noch näher zu beschreibenden zweiten Zweig S24 dagegen wird die Soll-Bewegung in Abhängigkeit von den Eingabesignalen, d.h. den Soll-Stellungen, von der in Schritt S12 ermittelten Ist-Stellung, und den Scannerparametern mit dem Ziel einer möglichst kurzen Gesamtdauer der Bewegung des Strahls ermittelt. Insofern werden bereits zur Ermittlung der Soll-Bahn die Scannerparameter verwendet, da die Abschnitte der Soll-Bahn zwischen den Soll-Stellungen nicht durch den Benutzer vorgegeben sind, sondern in Abhängigkeit von den Scannerparametern ermittelt werden.
In Schritt S16 werden zunächst aus den Eingabesignalen die Soll-Stellungen ermittelt. Aus den Soll-Stellungen werden dann je nach den Eingabesignalen Soll-Bahnen ermittelt.
Gemäß einer ersten Variante wird aus den Soll-Stellungen eine Soll-Bahn ermittelt, die einer Spline-Kurve durch eine Folge von Punkten in dem Bild bzw. auf der Probe 6 entspricht. Die Punktfolge ist dabei durch die Folge der Soll-Stellungen gegeben.
Gemäß einer zweiten Variante werden drei Soll-Stellungen eingelesen und eine Soll-Bahn ermittelt, die einem Kreis durch drei durch die Soll-Stellungen gegebene Punkte auf der Probe 6 bzw. in dem Bild entsprechen.
In Schritt S18 wird dann aus der Soll-Bahn eine Soll-Bewegung unter Verwendung der Scannerparameter erstellt. Dabei wird in dem Fall, daß die Eingabesignale wenigstens zwei Soll-Stellungen wiedergeben, die Soll-Bewegung so ermittelt, daß die Koppelelemente bzw. der Strahl durch die erste einzustellende Soll-Stellung bewegt, also nicht darin angehalten wird.
Die Soll-Bewegung wird dazu in Abhängigkeit von den Scannerparametern mit dem Ziel einer möglichst kurzen Gesamtdauer der Bewegung des Strahls ermittelt.
In dem zweiten Zweig wird dagegen unmittelbar die Soll-Bewegung, d.h. der zeitliche Verlauf der Stellungen, aus den Eingabesignalen bzw. den Soll-Stellungen unter Verwendung der Scannerparameter ermittelt. Dazu können beispielsweise beliebige durch Parameter anpaßbare Funktionen verwendet werden, die die Soll-Stellungen interpolieren. Die Parameter werden dann so angepaßt, das unter der Nebenbedingung, daß die Scannerparameter, d.h. die Maximalgeschwindigkeiten und Maximalbeschleunigungen bzw. -abbremsungen, nicht durch entsprechende Bewegungsparameter überschritten werden, die Dauer der Bewegung minimiert wird.
Es können jedoch auch andere Verfahren aus der Theorie der optimalen Steuerung verwendet werden.
Nachdem in einem der Zweige die Soll-Bewegung ermittelt wurde, wird in Schritt S20 eine Vorverzerrung durchgeführt. Dazu wird die Soll-Bewegung, gegeben durch Funktionen der Zeit, durch entsprechende Fourier-Komponenten dargestellt. Diese werden dann durch die entsprechenden Fourier-Komponenten der Übertragungsfunktion, die die Antwort des Scanners 4 bzw. der Koppelelemente auf Ansteuersignale wiedergibt, dividiert.
Aus den Ergebnissen werden dann in Schritt S22 Ansteuersignale gebildet und an den Scanner 4 abgegeben. Durch die Vorverzerrung wird erreicht, daß die Ist-Bewegung von der Soll-Bewegung nicht oder nur sehr gering abweicht.
Findet bei der Erfassung der Eingabesignale eine Bewegung des Beleuchtungsstrahls 2 durch den Scanner 4 statt, beispielsweise um ein Bild zu erfassen, so wird diese Bewegung in Schritt S10 bereits unterbrochen. Nach Abgabe der Ansteuersignale, die durch die Eingabesignale gegeben sind, wird dann die unterbrochene Bewegung des Beleuchtungsstrahls 2 fortgesetzt.
Es ergibt sich so in jedem Fall eine schnelle und genaue Umsetzung der Eingabesignale in entsprechende Bewegungen des Beleuchtungsstrahls.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Eingabeschnittstelle die Ein- und Ausgabeschnittstelle 29 und eine entsprechende Softwareschnittstelle für ein anderes Programm oder einen anderen Prozeß, das bzw. der auf dem Bedienungsrechner 19 ausgeführt wird, umfaßt. Nach der Erfassung der Eingabesignale, die von dem Programm oder Prozeß erzeugt und ausgegeben werden, erfolgt der Ablauf des Verfahrens wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Steuereinrichtung unterscheidet sich von der des ersten Ausführungsbeispiels darin, daß ein anderes Computerprogramm darin gespeichert ist.
Noch ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß zusätzlich durch die Eingabesignale eine Steuerung des Beleuchtungsmoduls 1 und/oder des Bedienungsrechners 19, d.h. genauer einer Bilddatenerfassung und -auswertung gesteuert wird.
Bei dem Verfahren werden über die Eingabeschnittstelle 12 weitere Eingabesignale erfaßt, die wenigstens eine gewünschte Eigenschaft des abzulenkenden Beleuchtungsstrahls 2, beispielsweise dessen Intensität, und/oder Befehle für die Bilderfassungs- und -verarbeitungseinrichtung bzw. den Bedienungsrechner 19 wiedergeben. Unter Verwendung der weiteren Eingabesignale werden dann Beleuchtungssteuersignale für das Beleuchtungsmodul bzw. die Beleuchtungseinrichtung zur Abgabe des abzulenkenden Beleuchtungsstrahls 2 mit der gewünschten Eigenschaft bzw. Steuersignale für die Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung erzeugt und an diese über die Ausgabeschnittstelle 28 bzw. die ein- und Ausgabeschnittstelle 29 abgegeben.
Insbesondere können die Beleuchtungssteuersignale in Abhängigkeit von den Soll-Stellungen erzeugt werden, um entlang der Soll-Bahn gegebenenfalls unterschiedliche Intensitäten zu verwenden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Echtzeitrechner in den Bedienungsrechner 19 integriert, wobei für das Steuerverfahren ein entsprechender Prozeß auf dem Prozessor des Bedienungsrechners 19 abläuft. Der Prozessor muß dann entsprechend leistungsstark sein.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß statt der USB-Schnittstelle eine serielle RS232-Schnittstellen oder eine drahtlose Schnittstellen wie IrDA oder Bluetooth verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Steuereinrichtung in einem Laser-Manipulator statt in einem Laser-Scanning-Mikroskop eingesetzt. Der Manipulator kann dabei wie das Laser- Scanning-Mikroskop aufgebaut sein, wobei jedoch die Einrichtungen zur Detektion bzw. Bilderfassung nicht notwendig sind.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Scanners (4) zur Ablenkung wenigstens eines Strahls (2, 7) optischer Strahlung, insbesondere eines Scanners (4) für ein Laser-Scanning-Mikroskop oder einen Laser-Manipulator, bei dem über eine Eingabeschnittstelle (22, 29) Eingabesignale erfaßt werden, die wenigstens eine Soll-Stellung wenigstens eines zur Strahlablenkung bewegten Koppelelements (17) des Scanners (4) oder des Strahls (2, 7) oder einer Folge solcher Soll-Stellungen wiedergeben, und zur Bewegung des Strahls (2, 7) in Abhängigkeit von dem Eingabesignal unter Verwendung wenigstens eines wenigstens eine Antriebseigenschaft des Scanners (4) wiedergebenden Scannerparameters Ansteuersignale für den Scanner (4) erzeugt und an den Scanner (4) abgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Erzeugung der Ansteuersignale in Abhängigkeit von wenigstens den Eingabesignalen eine Soll-Bahn ermittelt wird, und aus der Soll-Bahn die Ansteuersignale erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem aus der Soll-Bahn unter Verwendung des wenigstens einen Scannerparameters eine Soll-Bewegung und aus der Soll-Bewegung die Ansteuersignale ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem zur Ermittlung der Soll-Bahn der wenigstens eine Scannerparameter verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Soll-Bahn und/oder die Soll-Bewegung in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Scannerparameter mit dem Ziel einer möglichst kurzen Gesamtdauer der Bewegung des Strahls (2, 7) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem in dem Fall, daß die Eingabesignale wenigstens zwei Soll-Stellungen wiedergeben, aus den Eingabesignalen die Soll-Bewegung so ermittelt wird, daß das Koppelelement (17) des Scanners (4) bzw. Strahl (2, Bewegung so ermittelt wird, daß das Koppelelement (17) des Scanners (4) bzw. Strahl (2, 7) durch die erste einzustellende Soll-Stellung bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei der Erzeugung der Ansteuersignale aus den Eingabesignalen eine Soll-Bewegung des Strahls (2, 7) ermittelt wird, wobei eine Vorverzerrung durchgeführt wird, um Abweichungen zwischen Ist-Bewegung und Soll-Bewegung zu reduzieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei Erfassung der Eingabesignale eine Bewegung des Strahls (2, 7) durch den Scanner (4) unterbrochen wird, die Ist-Stellung festgestellt und zur Erzeugung der Ansteuersignale verwendet wird, und bei dem nach Abgabe der erzeugten Ansteuersignale weitere Ansteuersignale abgegeben werden, so daß die unterbrochene Bewegung des Strahls (2, 7) fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eingabeschnittstelle (22, 29) eine Schnittstelle (22) für ein Eingabegerät (12) zur Eingabe von Daten durch einen Benutzer umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eingabeschnittstelle (22, 29) eine Softwareschnittstelle (29) für wenigstens ein anderes Programm oder einen anderen Prozeß umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem über die Eingabeschnittstelle (22, 29) weitere Eingabesignale erfaßt werden, die wenigstens eine gewünschte Eigenschaft des abzulenkenden Strahls (2, 7) oder Befehle für eine Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung (19) wiedergeben, und unter Verwendung der weiteren Eingabesignale Beleuchtungssteuersignale für eine Beleuchtungseinrichtung (1) zur Abgabe des abzulenkenden Strahls (2, 7) gewünschten Eigenschaft bzw. Steuersignale für die Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung (19) erzeugt und an diese abgegeben werden.
Steuereinrichtung für einen optischen Scanner (4) zur Ablenkung wenigstens eines Strahls (2, 7) optischer Strahlung, insbesondere eines Scanners (4) für ein Laser-Scanning-Mikroskop oder ein Laser-Manipulator, umfassend eine Eingabeschnittstelle (22, 29) zur Erfassung von Eingabesignalen, die wenigstens eine Soll-Stellung wenigstens eines von dem Scanner (4) zur Strahlablenkung bewegten Koppelelements (17) des Scanners (4) oder des Strahls (2, 7) oder eine Folge solcher Soll-Stellungen wiedergeben, und eine mit der Eingabeschnittstelle (22, 29) verbundene Ansteuersignalerzeugungseinrichtung (20), die einen Speicher (25) enthält, in dem wenigstens ein wenigstens eine Antriebseigenschaft des Scanners (4) wieder gebender Scannerparameter gespeichert ist, und die zur Bewegung des Strahls (2, 7) in Abhängigkeit von über die Eingabeschnittstelle (22, 29) erfaßten Eingabesignalen unter Verwendung des wenigstens einen Scannerparameters Ansteuersignale für den Scanner (4) erzeugt und an diesen abgibt.
Steuereinrichtung nach Anspruch 12, die so ausgebildet ist, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung (20) zur Erzeugung der Ansteuersignale in Abhängigkeit von wenigstens den Eingabesignalen eine Soll-Bahn ermittelt und aus der Soll-Bahn die Ansteuersignale erzeugt.
Steuereinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, die so ausgebildet ist, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung (20) aus der Soll-Bahn unter Verwendung des wenigstens einen Scannerparameters eine Soll-Bewegung und aus der Soll-Bewegung die Ansteuersignale ermittelt.
Steuereinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, die so ausgebildet ist, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung (20) zur Ermittlung der Soll-Bahn den wenigstens einen Scannerparameter verwendet.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, die so ausgebildet ist, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung (20) die Soll-Bahn und/oder die Soll-Bewegung in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Scannerparameter mit dem Ziel einer möglichst geringen Gesamtdauer der Bewegung ermitteln kann.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16; die so ausgebildet ist, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung (20) nach Erfassung von Eingabesignalen, die wenigstens zwei Soll-Stellungen wiedergeben, aus den Eingabesignalen die Soll-Bewegung so ermittelt, daß das Koppelelement (17) des Scanners (4) bzw. Strahl (2, 7) durch die erste einzustellende Soll-Stellung bewegt wird.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, die so ausgebildet ist, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung (20) bei der Erzeugung der Ansteuersignale aus den Eingabesignalen eine Soll-Bewegung des Strahls (2, 7) ermittelt, wobei eine Vorverzerrung durchgeführt wird, um Abweichungen zwischen Ist-Bewegung und Soll-Bewegung zu reduzieren.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, die so ausgebildet ist, daß die Ansteuersignalerzeugungseinrichtung (20) bei Erfassung der Eingabesignale eine Bewegung des Strahls (2, 7) durch den Scanner (4) unterbricht, die Ist-Stellung feststellt und zur Erzeugung der Ansteuersignale verwendet, und nach Abgabe der erzeugten Ansteuersignale weitere Ansteuersignale abgegeben werden, so daß die unterbrochene Bewegung des Strahls (2, 7) fortgesetzt wird.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei der die Eingabeschnittstelle (22, 29) eine Hardwareschnittstelle (22) zu einem Eingabegerät (12) umfaßt.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei der die Eingabeschnittstelle (22, 29) eine Softwareschnittstelle (29) für wenigstens ein anderes Programm oder einen anderen Prozeß umfaßt.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, die eine Ausgabeschnittstelle (28, 29) zur Ausgabe von Beleuchtungssteuersignalen an eine Beleuchtungseinrichtung (1) zur Abgabe des abzulenkenden Strahls (2, 7) und/oder zur Abgabe von Steuersignalen an eine Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung (19) aufweist und weiter dazu ausgebildet ist, über die Eingabeschnittstelle (22, 29) weitere Eingabesignale zu erfassen, die wenigstens eine gewünschte Eigenschaft des abzulenkenden Strahls (2, 7) oder Befehle für die Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung (19) wiedergeben, und Beleuchtungssteuersignale für eine mit der Ausgabeschnittstelle (28, 29) verbundene Beleuchtungseinrichtung (1) zur Abgabe des abzulenkenden Strahls (2, 7) bzw. Steuerbefehle für die Bilderfassungs- und/oder -verarbeitungseinrichtung (19) zu erzeugen und über die Ausgabeschnittstelle (28, 29) an diese abzugeben.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, die einen Echtzeitrechner (23) umfaßt.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, die durch einen Bedienungsrechner (19) mit einer Benutzerschnittstelle gegeben ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Laser-Manipulator mit einem optischen Scanner (4) und einer mit dem Scanner (4) verbundenen Steuereinrichtung (20) zur Ansteuerung des Scanners (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 24.
Computerprogramm zur Ansteuerung eines optischen Scanners (4) zur gesteuerten Ablenkung wenigstens einen Strahls (2, 7) optischer Strahlen, insbesondere eines Scanners (4) für ein Laser-Scanning-Mikroskop oder einen Laser-Manipulator, das Instruktionen umfaßt, bei deren Ausführung eine Datenverarbeitungseinrichtung (23) ein Verfahren nach einem der An sprüche 1 bis 11 ausführt, und insbesondere über eine Eingabeschnittstelle (22, 29) der Steuereinrichtung (20) Eingabesignale erfaßt, die wenigstens eine Soll-Stellung wenigstens eines zur Strahlablenkung bewegten Koppelelements (17) des Scanners (4) oder des Strahls (2, 7) oder einer Folge von solchen Soll-Stellungen wiedergeben, zur Bewegung des Strahls (2, 7) aus den Eingabesignalen unter Verwendung wenigstens eines Scannerparameters Ansteuersignale für den Scanner (4) erzeugt und an den Scanner (4) abgibt.
Datenspeichermedium, das computerlesbar ist und auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 26 gespeichert ist.