DE102010007727A1

DE102010007727A1 - Vorrichtung nach Art eines Scan-Mikroskops, Vorrichtung in Form einer Baueinheit für ein Mikroskop und Verfahren und Vorrichtung zum optischen Abtasten einer oder mehrerer Proben

Info

Publication number: DE102010007727A1
Application number: DE201010007727
Authority: DE
Inventors: Bernd 69221 Widzgowski; Holger Dr. 74909 Birk; Volker Dr. 69226 Seyfried
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-18
Also published as: US20130003172A1; WO2011098555A1; EP2534520A1; JP2013519908A; JP5779597B2; CN102782557B; CN102782557A; US9042010B2

Abstract

Eine Vorrichtung in Form eines Scan-Mikroskops hat eine Lichtquelle (42), die einen Beleuchtungslichtstrahl (32) aussendet. Eine Fokussieroptik (34) fokussiert den Beleuchtungslichtstrahl (32) auf einen zu untersuchenden Bereich einer Probe (36). Eine Aktoranordnung bewegt die Fokussieroptik (34) gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster quer zu einer Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls (32) und/oder relativ zu einem Gehäuse einer Baueinheit (20) die die Fokussieroptik (34) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Art eines Scan-Mikroskops. Die Vorrichtung nach Art eines Scan-Mikroskops umfasst eine Lichtquelle, die einen Beleuchtungslichtstrahl aussendet. Eine Fokussieroptik fokussiert den Beleuchtungslichtstrahl auf einen zu untersuchenden Bereich einer Probe. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung in Form einer Baueinheit für ein Mikroskop und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer oder mehrerer Proben.
Beim optischen Abtasten der Probe mit dem Scan-Mikroskop wird zu einem vorgegebenen Zeitpunkt lediglich ein ausgewählter punktförmiger oder zeilenförmiger Bereich der Probe optisch abgetastet. Dazu fokussiert eine Fokussieroptik des Mikroskops einen Beleuchtungslichtstrahl des Mikroskops auf den ausgewählten Bereich der Probe und detektiert den Anteil des Lichts, der von dem ausgewählten Bereich beispielsweise aufgrund von Fluoreszenzeffekten in der Probe zurückgeworfen wird. Die gewonnenen Bilddaten werden gespeichert. Nachfolgend werden weitere punktförmige bzw. zeilenförmige Bereiche untersucht, die vorzugsweise aneinander grenzen und beispielsweise eine Linie bzw. eine Fläche bilden. Auf diese Weise kann ein großer Bereich der Probe Punkt für Punkt und Zeile für Zeile optisch abgetastet werden. Die Daten der einzelnen Punkte werden nachfolgend mittels einer Datenverarbeitungsanlage zu einem Gesamtbild des untersuchten Bereichs der Probe zusammengesetzt.
Es ist bekannt, zum Lenken des Beleuchtungslichtstrahls auf die einzelnen ausgewählten Bereiche den Beleuchtungslichtstrahl in dem Mikroskop über eine Scan-Vorrichtung mit mehreren Spiegeln abzulenken. Die Spiegel sind jeweils mit einem oder mehreren Aktoren gekoppelt. Ein Ansteuern der Aktoren bewirkt ein Verstellen der Spiegel, wodurch der Beleuchtungslichtstrahl umgelenkt wird. Der umgelenkte Beleuchtungslichtstrahl trifft nach Durchgang durch die Fokussieroptik auf den entsprechend ausgewählten Bereich der Probe.
Derartige Scan-Mikroskope sind vielfach bekannt und aufgrund ihrer komplizierten Ausführungsform grundsätzlich sehr kostspielig. Die Bildqualität wird maßgeblich durch die Qualität der Optik des Mikroskops bestimmt. Diese muss für alle auftretenden Scanwinkel gute Abbildungseigenschaften, beispielsweise Farbkorrekturen, aufweisen.
Aus der DE 102 09 322 A1 sind eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles und ein Scan-Mikroskop bekannt. Die Vorrichtung zum Ablenken des Lichtstrahles hat eine um eine erste Achse drehbare Einheit, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen beinhaltet und die einen Lichtstrahl empfängt und an eine dritte Reflexionsfläche weiterleitet, die um eine zweite Achse, die senkrecht zur ersten Drehachse verläuft, drehbar ist. Die drehbare Einheit weist eine zu der ersten und zu der zweiten Reflexionsfläche ortsfeste weitere Reflexionsfläche auf, wobei die erste und die weitere Reflexionsfläche senkrecht zu der zweiten Reflexionsfläche angeordnet sind.
Aus der DE 100 33 549 A1 ist eine optische Anordnung zum Ablenken eines Lichtstrahls in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander liegenden Richtungen bekannt. Die Anordnung hat zwei Spiegel, die jeweils mittels eines Drehantriebs um senkrecht zueinander liegende Achsen drehbar sind. Einem der Spiegel ist ein weiterer Spiegel in einer vorgegebenen Winkelposition drehfest zugeordnet.
Bei den bekannten konfokalen Mikroskopen werden mehrere Linsen und aufwändige Objektive verwendet. Dabei wird ein Beleuchtungslichtstrahl mittels Spiegeln, die mit galvanometrisch arbeitenden Stellelementen gekoppelt sind, über die Probe gerastert. Alternativ dazu ist auch die linsenfreie optische Nahfeldmikroskopie bekannt. Bei dieser wird eine extrem scharfe Spitze benötigt, die im Sub-Wellenlängen-Abstand über die Probe geführt wird und nur Informationen über die Oberfläche liefert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung in Form eines Scan-Mikroskops, eine Baueinheit für ein Mikroskop und ein Verfahren zum optischen Abtasten einer Probe zu schaffen, die auf einfache Weise ein günstiges optisches Abtasten einer Probe ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung in Form eines Scan-Mikroskops, mit einer Lichtquelle, die einen Beleuchtungslichtstrahl aussendet, einer Fokussieroptik, die den Beleuchtungslichtstrahl auf einen zu untersuchenden Bereich einer Probe fokussiert, und mit einer Aktoranordnung, die die Fokussieroptik gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster quer zu einer Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls bewegt.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist eine bildgebende optische Vorrichtung. Insbesondere werden optische Merkmale einzelner Punkte der Proben in Form von Bilddaten erfasst und gespeichert und zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Die Fokussieroptik entspricht vorzugsweise der Optik, die den Beleuchtungslichtstrahl als letztes vor Auftreffen auf die Probe absichtlich beeinflusst, insbesondere auf den aktuell zu untersuchenden Bereich der Probe fokussiert. Das Bewegen der Fokussieroptik quer zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls und somit gegebenenfalls relativ zu einem Gehäuse, das die Fokussieroptik umfasst, ermöglicht es, besonders kostengünstige Bauelemente zu verwenden. Ferner können die bewegten Teile, insbesondere eine Linse der Fokussieroptik, verglichen mit herkömmlichen Scan-Spiegeln relativ leicht ausgebildet werden und können aufgrund der geringeren Masseträgheit schnell, einfach und präzise bewegt werden. Dies trägt zu einem günstigen optischen Abtasten der Probe bei. Vorzugsweise umfasst die Fokussieroptik zumindest eine Linse.
Die Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls ist in diesem Zusammenhang und nachfolgend die Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls in einer Referenzposition der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls. Beispielsweise kann die Fokussieroptik zusammen mit einem optischen Element, beispielsweise einer Lichtleitfaser, bewegt werden, das den Beleuchtungslichtstrahl auf die Fokussieroptik richtet. Dann bewegt sich die Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls zusammen mit der Fokussieroptik und die Fokussieroptik bewegt sich quer zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls in der Referenzposition des Beleuchtungslichtstrahls. Die Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls befindet sich insbesondere in ihrer Referenzposition, wenn die Aktoranordnung nicht aktiv ist.
Auf herkömmliche aufgrund der Anforderungen an die Feldoptik sehr komplizierte Komponenten wie Objektiv, Tubus- oder Scanlinse kann verzichtet werden. Ferner können bezüglich Bildfeld (z. B. > 1 mm²), Arbeitsabstand (z. B. > 1 mm) und numerischer Apertur (z. B. > 0,7 in Luft) sehr gute Werte erreicht werden.
Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung in Form einer Baueinheit für ein Mikroskop. Sie umfasst ein Gehäuse, eine Fokussieroptik und eine Aktoranordnung. Die Fokussieroptik ist in dem Gehäuse angeordnet und fokussiert den Beleuchtungslichtstrahl auf den zu untersuchenden Bereich der Probe. Die Aktoranordnung bewegt die Fokussieroptik relativ zu dem Gehäuse, insbesondere gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster.
Falls der Beleuchtungslichtstrahl bezüglich des Gehäuses ortsfest ist, so bewegt die Aktoranordnung die Fokussieroptik auch quer zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls. Die Baueinheit kann somit ein Bestandteil des Scan-Mikroskops sein. Alternativ dazu kann die Baueinheit auch als Objektiveinsatz für ein einfaches Mikroskop, das zunächst keine Scanfunktion hat, verwendet werden. Auf diese Weise kann ein herkömmliches Mikroskop ohne Abtastfunktion zu einem Scan-Mikroskop ausgebildet werden. Ferner kann die Baueinheit beispielsweise einzeln mit einem Stativ verwendet oder auf einer Plotter-ähnlichen Vorrichtung zum optischen Abtasten der Probe angeordnet werden und beispielsweise mittels einer Lichtleitfaser mit einer Auswertevorrichtung gekoppelt sein. Das Stativ kann dann von Hand bewegt werden, bzw. kann die Baueinheit mittels der Vorrichtung zum optischen Abtasten der Probe in einer Ebene beliebig bewegt werden, so dass mehrere Proben durch Verschieben der gesamten Baueinheit nacheinander abgetastet werden können. Alternativ dazu können an der Vorrichtung auch mehrere Baueinheiten angeordnet werden. Dies ermöglicht ein besonders schnelles Verarbeiten mehrerer Proben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst zumindest eine der Vorrichtungen eine Kollimationsoptik. Die Kollimationsoptik kollimiert den Beleuchtungslichtstrahl. Die Aktoranordnung bewegt die Fokussieroptik dann gemäß dem vorgegebenen Abtastmuster quer zu der Mittelachse des kollimierten Beleuchtungslichtstrahls. Insbesondere trifft der kollimierte Beleuchtungslichtstrahl auf die Fokussieroptik. Das Kollimieren des Beleuchtungslichtstrahls trägt auf einfache Weise zu einem besonders präzisen optischen Abtasten der Probe bei, da alle Strahlen gleichförmig auf die Fokussieroptik treffen und so Abbildungsfehler gering gehalten werden.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Projektion des kollimierten Beleuchtungslichtstrahls eine optische Fläche der Fokussieroptik vollständig überlappt, insbesondere an unterschiedlichen Positionen der Fokussieroptik, die die Fokussieroptik gemäß dem vorgegebenen Abtastmuster einnimmt. Somit ist die Fokussieroptik vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt vollständig durch den kollimierten Beleuchtungslichtstrahl überleuchtet. Dies trägt dazu bei, Randeffekte zu vermeiden, die auftreten würden, wenn die Fokussieroptik nur teilweise überstrahlt wäre.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung in Form eines Scan-Mikroskops oder in Form einer Baueinheit einen Trägerkörper, über den die Fokussieroptik mit der Aktoranordnung gekoppelt ist. Dabei kann der Trägerkörper als Fassung für die Fokussieroptik dienen oder die Fassung für die Fokussieroptik tragen. Vorzugsweise umfasst der Trägerkörper eine Blende, die einen Anteil des Beleuchtungslichtstrahls ausblendet. Ferner ist vorzugsweise zwischen der Fokussieroptik und der Probe ein Frontglas angeordnet, das bezüglich der beweglichen Fokussieroptik ortsfest angeordnet ist. In anderen Worten bewegt die Aktoranordnung die Fokussieroptik relativ zu dem Frontglas. Ferner kann eine lichtundurchlässige Abschottung vorgesehen sein, die den Beleuchtungslichtstrahl und/oder die Fokussieroptik vor störendem Umgebungslicht schützt.
Die Erfindung betrifft gemäß einem dritten Aspekt eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer, vorzugsweise mehrerer Proben. Die Vorrichtung umfasst die Baueinheit und einen Basiskörper, der eine Probenfläche hat zum Aufnehmen der einen oder mehreren Proben. Die Probenfläche kann beispielsweise Bestandteil eines Objekttisches sein. Die Baueinheit ist zumindest in einer Ebene parallel zur Probenfläche beweglich angeordnet.
Beispielsweise ist ein Schienensystem zumindest auf einer Seite der Probenfläche angeordnet. Eine Laufschiene ist beweglich in dem Schienensystem gelagert. Die Laufschiene ist mittels des Schienensystems über die Proben fahrbar. Die Laufschiene ist vorzugsweise senkrecht zu dem Schienensystem ausgerichtet. Ferner ist die Baueinheit in der Laufschiene senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Laufschiene beweglich gelagert. Die Vorrichtung ermöglicht so, die gesamte Baueinheit an jede beliebige Stelle über der Probenfläche zu fahren. So können mehrere Proben nebeneinander untersucht werden, wobei dann mittels der Baueinheit jede einzelne Probe gescannt werden kann. Die Art und Weise, wie die Baueinheit bewegt wird, entspricht somit der Art und Weise, auf die ein Stift in einem Flächen-Plotter bewegt wird. Zusätzlich können mehrere Baueinheiten und eventuell mehrere Laufschienen vorgesehen sein, so dass mehrere Proben gleichzeitig untersucht werden können. Alternativ zu dem Schienensystem kann die Baueinheit auch mittels eines Knickarmes relativ zu den Proben bewegt werden.
Die Erfindung betrifft gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum optischen Abtasten der Probe. Dabei wird der Beleuchtungslichtstrahl erzeugt und durch eine Fokussieroptik auf den zu untersuchenden Bereich der Probe fokussiert. Die Fokussieroptik wird mit Hilfe eines Aktors gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster quer zu dem Beleuchtungslichtstrahl bewegt. Vorzugsweise wird der Beleuchtungslichtstrahl kollimiert und der kollimierte Beleuchtungslichtstrahl leuchtet vorzugsweise die gesamte optisch wirksame Fläche der Fokussieroptik aus.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Baueinheit für ein Mikroskop,
2 ein Scan-Mikroskop mit der Baueinheit,
3 eine Maske und eine Linse der Baueinheit,
4 die Maske und die Linse gemäß 3 mit einer Projektion eines Beleuchtungslichtstrahls,
5 die Maske und die Linse gemäß 4 nach einer Bewegung der Linse gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster,
6 eine weitere Ausführungsform der Baueinheit,
7 eine weitere Ausführungsform des Scan-Mikroskops,
8 ein Stativ mit der Baueinheit,
9 ein herkömmliches Mikroskop,
10 das Mikroskop mit der Baueinheit als Objektiveinsatz,
11 eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Probe,
12 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Probe.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine Vorrichtung in Form einer Baueinheit 20, insbesondere eine Baueinheit 20, für ein Mikroskop. Das Mikroskop kann beispielsweise ein Scan-Mikroskop (2) oder ein Mikroskop 80 ohne Scanfunktion (9) sein. Die Baueinheit 20 umfasst ein Gehäuse 22. In dem Gehäuse 22 ist eine Fokussieroptik 24 angeordnet, die vorzugsweise eine Linse 62 (3) umfasst und die über einen Trägerkörper 26 mit einer Aktoranordnung gekoppelt ist. Der Trägerkörper 26 ist vorzugsweise als Fassung für die Linse 62 ausgebildet oder trägt die Fassung für die Linse 62. Die Linse 62 kann als Achromat oder als Linsen-Dublette ausgeführt sein. Die Aktoranordnung umfasst vorzugsweise elektromagnetische Stellelemente, beispielsweise Antriebsspulen 28, die mit dem Trägerkörper 26 fest gekoppelt sind und die erste Magnetfelder erzeugen. Alternativ dazu kann die Aktoranordnung beispielsweise auch piezoelektrische (bspw. mit Ultraschall), mechanische oder elektrostatische Stellelemente umfassen, wie zum Beispiel Spindeln, Fäden in Verbindung mit galvanometrisch arbeitenden Stellelementen und weitere.
Die Antriebsspulen 28 sind teilweise in oder zumindest nahe einem äußeren magnetischen Feld angeordnet, das vorzugsweise durch Permanentmagnete 29 der Aktoranordnung erzeugt wird. Abhängig von einem Stromfluss in den Antriebsspulen 28 werden die Antriebsspulen 28 in das äußere magnetische Feld hineingezogen oder davon abgestoßen, was eine Bewegung der Fokussieroptik 24 bewirkt. Das äußere magnetische Feld kann alternativ dazu durch weitere Spulen erzeugt werden.
Der Trägerkörper 26 mit der Fokussieroptik 24 ist über zumindest ein, vorzugsweise mehrere Halteelemente 30 in dem Gehäuse 22 aufgehängt. Die Halteelemente 30 sind beispielsweise durch einzelne Federstahldrähte oder durch Festkörpergelenke gebildet. Die Federstahldrähte können so ausgebildet sein, dass sie bei einer Biegebeanspruchung in eine erste Richtung eine andere Federkonstante haben als in eine zweite Richtung, die beispielsweise senkrecht auf der ersten Richtung steht. Dies ermöglicht es, die Fokussieroptik in die erste Richtung in einem Resonanzbereich schwingen zu lassen, ohne dass Resonanzeffekte in der zweiten Richtung auftreten. Ferner können die Federdrähte als Stromzufuhrleitungen für die Aktoranordnung genutzt werden. Dies spart Material, Platz im Gehäuse und Kosten.
Bei bestimmungsgemäßem Einsatz der Baueinheit 20 wird über eine nicht dargestellte Öffnung des Gehäuses 22 ein Beleuchtungslichtstrahl 32 auf die Fokussieroptik 24 gerichtet. Vorzugsweise ist der Beleuchtungslichtstrahl 32 kollimiert. Ferner überdeckt der Beleuchtungslichtstrahl 32 vorzugsweise die gesamte optische wirksame Fläche der Linse 62 der Fokussieroptik 24, so dass für jede Rasterposition die gesamte Apertur der Linse 62 ausgenutzt wird.
Der Trägerkörper 26 hat zusätzlich zu der Haltefunktion für die Fokussieroptik 24 die Funktion einer Maske und/oder Blende, so dass ein Teil des Beleuchtungslichtstrahls 32 durch den Trägerkörper 26 ausgeblendet wird, bevor er auf die Fokussieroptik 24 trifft. Die Fokussieroptik 24 fokussiert den Beleuchtungslichtstrahl 32 zu einem fokussierten Beleuchtungslichtstrahl 34 auf eine Probe 36. Die Probe 36 befindet sich auf eifern Objektträger 38. Ferner kann der Trägerkörper 26 vorteilhaft als Bestandteil eines Positionssensors genutzt werden. Beispielsweise kann auf einer Seite des Trägerkörpers 26 eine Lichtquelle angeordnet sein, die eine Ausnehmung in dem Trägerkörper 26 beleuchtet. In Beleuchtungsrichtung hinter der Ausnehmung ist beispielsweise ein lichtempfindlicher Sensor angeordnet, der abhängig von der Position des Trägerkörpers 26 unterschiedlich beleuchtet wird und sich so zum Feststellen der Position des Trägerkörpers 26 und damit der Fokussieroptik 24 eignet. Alternativ dazu kann auch ein anderer Positionssensor angeordnet sein, der beispielsweise optisch gemäß einem Encoder, elektrisch, kapazitiv oder magnetisch arbeitet.
Die Fokussieroptik 24 kann durch entsprechendes Ansteuern der Aktoren der Aktoranordnung in einer Ebene senkrecht zu dem Beleuchtungslichtstrahl 32 also quer zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls 32 und relativ zu dem Gehäuse 22 bewegt werden. Dabei sind die Aktoren vorzugsweise so ausgebildet, dass die Fokussieroptik 24 senkrecht zu einer Richtung z, entlang der sich der Beleuchtungslichtstrahl 32 erstreckt, bewegt werden. Wird die Fokussieroptik 24 bewegt, so bewegt sich auch der fokussierte Beleuchtungslichtstrahl 34 und damit der Punkt, auf den der Beleuchtungslichtstrahl 32 fokussiert ist. Alternativ dazu kann der Beleuchtungslichtstrahl 32 auch auf eine Zeile fokussiert sein, beispielsweise bei Verwendung eines Zeilenscanners. Durch Bewegen der Fokussieroptik 24 wird so nach und nach ein gesamter zu untersuchender Bereich der Probe 36 optisch abgetastet. Dabei kann über einzelnen Bereichen beliebig lang verweilt werden, beispielsweise um unterschiedliche optische Effekte zu erkennen. Teilweise reflektiert die Probe das Beleuchtungslicht als Detektionslicht. Ferner emittiert die Probe Fluoreszenzstrahlung, die alternativ oder zusätzlich zu dem reflektierten Licht detektiert wird. Die Daten, die beim optischen Abtasten gesammelt werden, werden vorzugsweise mittels einer Datenverarbeitungsanlage zu einem vollständigen Bild zusammengesetzt. Die Scan-Bewegung kann durch entsprechendes Ansteuern der Aktoren vorteilhaft zumindest in eine Richtung resonant erfolgen. Dies ermöglicht ein Abtasten von beispielsweise über 500 Zeilen in einer Sekunde. Der maximale Hub der Bewegung liegt beispielsweise zwischen 0,05 und 0,1 mm.
Mikroskopieverfahren, bei denen die erfindungsgemäßen Vorrichtungen anwendbar ist, oder dabei auftretende mit der Baueinheit 20 zu beobachtende Effekte sind beispielsweise SRS (Stimulierter Raman-Streung), FLIM (Fluoreszenz Lifetime Imaging), SHG (Second Harmonic Generation), FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FREI (Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer) und FCS (Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie).
Die Fokussieroptik 24 wird vorzugsweise gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster bewegt. Das vorgegebene Abtastmuster ist beispielsweise mäanderförmig. So wird beispielsweise zunächst eine erste Scan-Bewegung in x-Richtung durchgeführt. Danach wird nach einem geringen Verschieben der Fokussieroptik 24 in y-Richtung die Probe erneut in x-Richtung abgetastet, und zwar entgegengesetzt zu der ersten Scan-Bewegung. Dies wird so lange wiederholt, bis der gesamte zu untersuchende Bereich der Probe 36 abgetastet ist.
Zusätzlich kann die Fokussieroptik 24 auch entlang des Beleuchtungslichtstrahls 32, also parallel zur Richtung z bewegt werden. Dies ermöglicht, einen dreidimensionalen Bereich innerhalb der Probe 36 optisch abzutasten, insbesondere bei einem Konfokalmikroskop.
Optional ist zwischen der Fokussieroptik 24 und der Probe 36 ein Frontglas 54 angeordnet (6), das die Fokussieroptik 24 vor Staub, Schmutz und anderen Einflüssen schützt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Immersionsmedium zwischen der Probe 36 und der Fokussieroptik 24 verwendet wird. Bevorzugt ist das Frontglas 54 mikroskopisch rau ausgebildet, so dass das Immersionsmedium gut daran haftet, die optischen Eigenschaften jedoch möglichst wenig beeinträchtigt sind. Falls das Immersionsmedium verwendet wird und kein Frontglas 54 angeordnet ist, so muss die Fokussieroptik 24 entsprechend robust ausgebildet sein. Scherkräfte zwischen der bewegten Fokussieroptik 24 und dem Immersionsmedium können gering gehalten werden, indem ein Arbeitsabstand zwischen der Probe 36 und der Fokussieroptik 24 vergrößert wird. Ein Durchmesser der Linse 62 sollte entsprechend angepasst werden, um die gleiche numerische Apertur zu erreichen. Das Immersionsmedium hat vorzugsweise eine besonders geringe Viskosität, es kann sogar ein deformierbares, festes gelartiges Immersionsmedium verwendet werden. Der Brechungsindex des Immersionsmediums entspricht vorzugsweise dem der Linse 62 oder dem des Frontglases 54.
2 zeigt eine Vorrichtung nach Art eines Scan-Mikroskops, insbesondere ein Scan-Mikroskop. Das Scan-Mikroskop umfasst eine Lichtquelle 42, beispielsweise einen oder mehrere Laser, und ein Gehäuse 40 für die Komponenten des Scan-Mikroskops. Das Licht der Lichtquelle 42 wird über einen Strahlteiler 44 hin zu der Baueinheit 20 abgelenkt. Der Strahlteiler 44 ist beispielsweise ein dichroitischer Spiegel. Die Lichtquelle 42 ist beispielsweise ein Laser, insbesondere eine Laserdiode. Das Licht tritt durch eine nicht dargestellte Öffnung in dem Gehäuse 40 des Scan-Mikroskops und durch die Öffnung in dem Gehäuse 22 der Baueinheit 20 und trifft dort auf die Fokussieroptik 24. Das von der Probe 36 ausgehende Licht ist grundsätzlich aufgrund unterschiedlicher bekannter physikalischer Effekte zu dem Beleuchtungslicht wellenlängenverschoben und verläuft in entgegen gesetzter Richtung und parallel zu dem Beleuchtungslichtstrahl 32 und tritt durch den Strahlteiler 44, insbesondere den dichroitischen Spiegel. Ein von der Probe ausgehender Detektionslichtstrahl 46 kann so hinter dem Strahlteiler 44 von dem Beleuchtungslichtstrahl 32 getrennt werden. Der Detektionslichtstrahl 46 kann auf eine Detektionslinse 48 und über eine Detektionsblende 50 auf einen Detektor 52 gerichtet werden. Die Detektionsblende 50 kann auch als Detektionspinhole bezeichnet werden. Die Detektionsblende 50 kann optional auch größenverstellbar und/oder bewegbar ausgebildet sein. Der Detektor 52 ist dann vorzugsweise mit der Datenverarbeitungsanlage gekoppelt. Als Detektor 52 eignen sich beispielsweise Si-Dioden, APD-Arrays oder PMTs.
Als Lichtquelle 42 können alle für die Konfokalmikroskopie bekannten Lichtquellen verwendet werden. Im Hinblick auf eine besonders kompakte Bauweise eignen sich Laserdioden verschiedener Wellenlängen. Aber auch beliebige andere (Laser-)Lichtquellen können, bevorzugt mittels Faserkopplung verwendet werden.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine Linse 62 der Fokussieroptik 24. Die Linse 62 ist zumindest teilweise durch eine Maske 60 überdeckt, die beispielsweise durch den Trägerkörper 26 gebildet sein kann. 4 zeigt die Maske 60 und die Linse 62 bei bestimmungsgemäßem Einsatz der Baueinheit, wobei die Linse 62 vollständig durch eine Projektion 64 des Beleuchtungslichtstrahls 32 überdeckt ist. Wird nun die Fokussieroptik 24, insbesondere die Linse 62 zusammen mit der Maske 60 gemäß dem vorgegebenen Abtastmuster quer zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls 32 bewegt, so verschieben sich die Maske 60 und die Linse 62 relativ zu der Projektion 64 des Beleuchtungslichtstrahls 32 (5).
7 zeigt eine Ausführungsform des Scan-Mikroskops, bei der ein Teil der Optik durch eine Lichtleitfaser 72 ersetzt wird. Dabei dient die Lichtleitfaser 72 zum Leiten des Beleuchtungslichtstrahls 32, sowie zum Aufnehmen des Detektionslichtstrahls 46. Diese Ausführungsform ermöglicht, den Teil des Scan-Mikroskops, der die Baueinheit 20 umfasst, besonders leicht und flexibel, beispielsweise als „Handheld”-Einheit auszubilden, da der Rest des Scan-Mikroskops dann in einem weiteren, beispielsweise stationären Gehäuse untergebracht sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Detektionslichtstrahl 46 über eine eigene Lichtleitfaser zu dem Detektor 52 geleitet werden. Ferner können die Lichtleitfasern auch als Blenden, insbesondere als Pinholes dienen.
Alternativ dazu kann gemäß 8 die Baueinheit 20 unabhängig von dem Scan-Mikroskop verwendet werden, beispielsweise in Verbindung mit einem Stativ 74, das ein ruhiges Ausrichten der Baueinheit 20 über der Probe 36 ermöglicht. In diesem Ausführungsbeispiels hat das Stativ 74 drei Beine, die an ihren Füßen Spitzen aufweisen. Das Stativ 74 kann aber auch anders ausgebildet sein und beispielsweise mehr oder weniger Beine oder andere Füße haben und/oder höhenverstellbar sein. Die Baueinheit 20 kann dann beispielsweise über eine Steuerleitung 70 mit einer Steuereinheit 76 gekoppelt sein, die vorzugsweise die Datenverarbeitungsanlage, die Lichtquelle 42 und/oder den Detektor 52 umfasst. Die Steuerleitung 70 umfasst dann eine Datenleitung bzw. zumindest eine Lichtleitfaser zum Übertragen der Daten bzw. zum Leiten des Beleuchtungslichts und/oder des Detektionslichts. Ferner umfasst die Steuereinheit 76 ein Display 77, auf dem das Bild der Probe 36 dargestellt wird, eine Eingabevorrichtung 78 und vorzugsweise einen Anschluss 79 für weitere Geräte. Zusätzlich kann die Steuereinheit 76 den Laser 42, insbesondere eine Laserdiode und/oder den Detektor 52 umfassen. Alternativ dazu kann die Datenauswertung in dem Objektiv erfolgen, beispielsweise über eine miniaturisierte Recheneinheit, insbesondere einen ASIC. Die Daten können dann über die Steuerleitung 70 und/oder über einen USB-Anschluß ausgelesen werden.
Bei einem Mikroskop 80 ohne Scanfunktion (9) kann die Baueinheit 20 einfach als Objektiveinsatz verwendet werden. So kann auf einfache Weise jedes Mikroskop ohne Scanfunktion in ein Scan-Mikroskop umgewandelt werden. Die nötigen Kabel können innerhalb des Mikroskops 80 verlegt werden oder die Baueinheit 20 kann mit der Steuereinheit 76 und dem Mikroskop 80 gekoppelt werden (10).
Alternativ dazu kann gemäß 11 die Baueinheit 20 so auf eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer oder mehrerer Proben montiert werden, dass die gesamte Baueinheit 20 in einer Ebene parallel zur Probenfläche verschoben werden kann. Eine derartige Vorrichtung umfasst vorzugsweise die Baueinheit 20 und einen Basiskörper 82, der eine Probenfläche hat zum Aufnehmen einer oder mehrerer Proben 36. Dazu kann die Probenfläche Mulden, Einschübe und/oder Anschläge aufweisen. Ein Schienensystem 84 ist zumindest auf einer Seite der Probenfläche angeordnet. Eine Laufschiene 86 ist senkrecht zu dem Schienensystem ausgerichtet und beweglich in dem Schienensystem 84 gelagert. Die Laufschiene 86 ist mittels des Schienensystems 84 über die Proben 36 fahrbar. Ferner ist die Baueinheit 20 in der Laufschiene 86 senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Laufschiene 86 beweglich gelagert. Die Vorrichtung ermöglicht so, die gesamte Baueinheit 20 an jede beliebige Stelle über der Probenfläche zu fahren. So können mehrere Proben 36 nebeneinander untersucht werden, wobei dann mittels der Baueinheit 20 jede einzelne Probe 36 gescannt werden kann. Die Art und Weise, wie die Baueinheit 20 bewegt wird, entspricht somit der Art und Weise, auf die ein Stift in einem Flächen-Plotter bewegt wird. Zusätzlich können mehrere Baueinheiten 20 und eventuell mehrere Laufschienen 86 vorgesehen sein, so dass mehrere Proben 36 gleichzeitig untersucht werden können. Alternativ zu dem Schienensystem 84 kann die Baueinheit 20 auch mittels eines Knickarmes über die Proben 36 bewegt werden. Ferner können auch große Proben untersucht werden, beispielsweise mittels Stitching.
12 zeigt ein Blockschaltbild der Baueinheit 20, des Gehäuses 40 der Komponenten des Scan-Mikroskops, einer Bilderzeugungseinheit 94 und des Displays 77. Die Baueinheit 20 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zumindest die Fokussieroptik 24, den Trägerkörper 26 und die Aktoranordnung zum Bewegen des Trägerkörpers 26. Die Komponenten des Scan-Mikroskops sind beispielsweise die Lichtquelle 42 und der Detektor 52. Die mit dem Detektor 52 erfassten Bilddaten der einzelnen Bildpunkte werden an die Bilderzeugungseinheit 94 gesendet und dort zu einem Gesamtbild zusammengesetzt, das dann auf dem Display 77 dargestellt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. Ferner kann die Baueinheit 20 mit der bewegbaren Fokussieroptik 24 für beliebige Mikroskope verwendet werden. Der Beleuchtungslichtstrahl 32 kann beispielsweise über eine Lichtleitfaser in die Baueinheit 20 eingekoppelt werden. Das Faserende kann dann optional als Anregungs- und Detektionspinhole dienen. Ferner kann das Faserende der Lichtleitfaser mit der Fokussieroptik 34 mitbewegt werden. Diese Bewegung und insbesondere die Bewegung der Fokussieroptik 34 erfolgt dann nicht relativ zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls 32, da sich diese mit der Lichtleitfaser und der Fokussieroptik 34 bewegt, sondern relativ zu dem Gehäuse 22 der Baueinheit 20. Anders ausgedrückt kann eine Referenzposition des Beleuchtungslichtstrahls 32 definiert werden, beispielsweise die Position des Beleuchtungslichtstrahls 32, bei nicht angesteuerten Aktoren, und die Fokussieroptik 34 wird dann quer zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls 32 in seiner Referenzposition bewegt. Die Baueinheit 20 kann auch als ein Objektiv eines Objektivrevolvers mit ansonsten herkömmlichen Objektiven verwendet werden. Insbesondere können auch zwei Baueinheiten 20 als Objektive für den Objektivrevolver verwendet werden, wobei dann eines ohne Immersionsmedium als „schnelles” Objektiv und eines mit Immersionsmedium, insbesondere mit einem internen und/oder externen Immersionsmedium, das innerhalb der Baueinheit 20 bzw. außerhalb der Baueinheit 20 angeordnet sein kann, als „hochauflösendes” Objektiv verwendet werden kann. Ferner kann die Baueinheit 20 als Konfokal-Modul an einem Kamera-Port (C-Mount) oder als Handheld-Einheit verwendet werden. Das Mikroskop kann eine Autofokusfunktion aufweisen. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform können auch der Detektor 52 und/oder die Lichtquelle 42 mit der Linse bewegt werden. Auch hierbei erfolgt dann die Bewegung der Fokussieroptik 34 nicht relativ zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls 32 sondern relativ zu dem Gehäuse 22 der Baueinheit 20. Ferner eignet sich die Baueinheit 20 auch zur Verwendung in einem nicht konfokal arbeitenden Mikroskop, das dann entsprechende für diesen Betrieb geeignete Detektoren haben kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Linse der Fokussieroptik 34 konkav ausgebildet sein, wodurch die numerische Apertur der Fokussieroptik 34 vergrößert wird, was zu einer höheren Auflösung des Mikroskops beiträgt.
Bezugszeichenliste

20: Baueinheit
22: Gehäuse Baueinheit
24: Fokussieroptik
26: Trägerkörper
28: Antriebsspulen
29: Permanentmagnete
30: Halteelement
32: Beleuchtungslichtstrahl
34: fokussierter Beleuchtungslichtstrahl
36: Probe
38: Probenträger
40: Gehäuse Komponenten Scan-Mikroskop
42: Lichtquelle
44: Strahlteiler
46: Detektionslichtstrahl
48: Detektionslinse
50: Detektionsblende
52: Detektor
54: Frontglas
60: Maske
62: Linse
64: Projektion des Beleuchtungslichtstrahls
70: Steuerleitung
72: Lichtleitfaser
74: Stativ
76: Steuereinheit
77: Display
78: Eingabeeinheit
79: Anschluss
80: Mikroskop
82: Basiskörper
84: Schienensystem
86: Laufschiene
94: Bilderzeugungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10209322 A1 [0005]
DE 10033549 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung in Form eines Scan-Mikroskops, mit einer Lichtquelle (42), die einen Beleuchtungslichtstrahl (32) aussendet, einer Fokussieroptik (34), die den Beleuchtungslichtstrahl (32) auf einen zu untersuchenden Bereich einer Probe (36) fokussiert, und mit einer Aktoranordnung, die die Fokussieroptik (34) gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster quer zu einer Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls (32) in einer Referenzposition des Beleuchtungslichtstrahls (32) bewegt.
Vorrichtung in Form einer Baueinheit für ein Mikroskop, mit einem Gehäuse (22), einer Fokussieroptik (34), die in dem Gehäuse (22) angeordnet ist und die bei bestimmungsgemäßem Einsatz einen Beleuchtungslichtstrahl (32) auf einen zu untersuchenden Bereich einer Probe (36) fokussiert, und mit einer Aktoranordnung, die die Fokussieroptik (34) relativ zu dem Gehäuse (22) bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die eine Kollimationsoptik umfasst, die den Beleuchtungslichtstrahl (32) kollimiert, und bei der die Aktoranordnung die Fokussieroptik (34) gemäß dem vorgegebenen Abtastmuster quer zu der Mittelachse des kollimierten Beleuchtungslichtstrahls (32) bewegt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Aktoranordnung die Fokussieroptik (34) in eine erste Raumrichtung (x) und in eine zweite Raumrichtung (y) quer zu der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls (32) bewegt und/oder bei der die Aktoranordnung die Fokussieroptik (34) in eine dritte Raumrichtung (z) entlang der Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls (32) bewegt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine Projektion des kollimierten Beleuchtungslichtstrahls (32) eine optisch wirksame Fläche der Fokussieroptik (34) vollständig überlappt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Projektion des kollimierten Beleuchtungslichtstrahls (32) die optisch wirksame Fläche der Fokussieroptik (34) an unterschiedlichen Positionen der Fokussieroptik (34), die die Fokussieroptik (34) gemäß dem vorgegebenen Abtastmuster einnimmt, vollständig überlappt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Fokussieroptik (34) über einen Trägerkörper (26) mit der Aktoranordnung gekoppelt ist und bei der der Trägerkörper (26) eine Blende umfasst, die einen Anteil des Beleuchtungslichtstrahls (32) ausblendet.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Frontglas, das zwischen der Fokussieroptik (34) und der Probe (36) angeordnet ist und das bezüglich der beweglichen Fokussieroptik (34) ortsfest angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer lichtundurchlässigen Abschottung, die den Beleuchtungslichtstrahl (32) und/oder die Fokussieroptik (34) vor störendem Umgebungslicht schützt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Fokussieroptik (34) oder der Trägerkörper (26) über zumindest ein Halteelement (30) mit dem Gehäuse (22) beweglich gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Bilderzeugungseinheit (94) umfasst, die mit einem Detektor (52) gekoppelt ist zum Detektieren eines Detektionslichtstrahls (46), der von der Probe (36) ausgeht, und die Bilddaten mehrerer zu untersuchender Bereiche zu einem Gesamtbild zusammensetzt.
Vorrichtung zum optischen Abtasten einer oder mehrerer Proben (36), mit der Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, einem Basiskörper (82), der eine Probenfläche hat zum Aufnehmen der einen oder mehreren Proben (36), wobei die Baueinheit zumindest in einer Ebene parallel zur Probenfläche beweglich angeordnet ist.
Verfahren zum optischen Abtasten einer Probe (36), bei dem mit einer Lichtquelle (42) ein Beleuchtungslichtstrahl (32) erzeugt wird, der Beleuchtungslichtstrahl (32) durch eine Fokussieroptik (34) auf einen zu untersuchenden Bereich der Probe (36) fokussiert wird, und bei dem die Fokussieroptik (34) mit Hilfe eines Aktors gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster quer zu einer Mittelachse des Beleuchtungslichtstrahls (32) in einer Referenzposition des Beleuchtungslichtstrahls (32) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Beleuchtungslichtstrahl (32) durch eine Kollimationsoptik kollimiert wird und bei dem der kollimierte Beleuchtungslichtstrahl (32) auf die Fokussieroptik (34) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem die Fokussieroptik (34) gemäß dem vorgegebenen Abtastmuster in zwei Raumrichtungen (x, y) oder drei Raumrichtungen (x, y, z) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei dem mit dem kollimierten Beleuchtungslichtstrahl (32) die gesamte optisch wirksame Fläche der Fokussieroptik (34) ausgeleuchtet wird.