DE69415519T2

DE69415519T2 - Optisches abttastgerät

Info

Publication number: DE69415519T2
Application number: DE69415519T
Authority: DE
Inventors: William Bradshaw Cambridge Cb1 4Ut Amos; Richard Great Shelford Cambridge Cb2 5Db Henderson; John Francis William Cambridge Cb1 4Sn Mallett
Original assignee: Medical Research Council
Current assignee: Medical Research Council
Priority date: 1993-05-19
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2014-04-27
Also published as: JP3403408B2; DE69415519D1; GB9310267D0; US5724171A; JPH08510550A; EP0699308A1; EP0699308B1; WO1994027167A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Abtastvorrichtungen, insbesondere auf dem Gebiet des Phosphor-Bildspeicherplattenabtastens, und in zweiter Linie auf das optische Abtasten von Gelen. Die Erfindung hat jedoch allgemeine Anwendung bei der Abtastmikroskopie und beim optischen Abtasten von Stoffen zu elektronischen oder fotografischen Zwecken.

Vorgeschichte der Erfindung

Bei vielen Bauarten von Abtastvorrichtungen wird eine Linse oder eine andere Licht übertragende Vorrichtung dicht an den Gegenstand herangebracht und üblicherweise nach Art eines Rasters über seine Oberfläche bewegt. Diese Vorrichtung, die hier Lesekopf genannt wird, dient sowohl zum Konzentrieren eines Lichtstrahls zum Ausbilden eines kleinen Punktes auf der Probe und zum Empfangen der von der Probe im Gebiet des Punktes emittierten oder reflektierten Strahlung. Die Bedeutung des Aufsetzens des Lesekopfes dicht am Gegenstand liegt im Erhöhen des räumlichen Aufnahmewinkels der von der Probe emittierten Strahlung (und damit in einem Erhöhen der Empfindlichkeit der Detektion), um die Auflösung des fokussierten Punktes der auffallenden Beleuchtung zu verbessern und die Wirksamkeit der konvokalen Öffnung zu erhöhen unter der Annahme, daß eine geeignete andere optische Vorrichtung vorhanden ist.
Zum Abtasten muß der Lesekopf über den Gegenstand bewegt werden, oder umgekehrt wird eine Kombination solcher Bewegungen verwendet. So beschreibt Amemiya in Physics Research A 266 (1988), Seiten 645 bis 653, eine Anordnung, bei der der Gegenstand, eine biegsame Phosphorbildplatte, um eine Trommel ge wickelt ist. Die Trommel wird dann gedreht und der Lesekopf parallel zu der Drehachse linear verschoben. Eine andere Vorrichtung wird von der MAC Company (Japan) und von Marraesearch (Deutschland) hergestellt, in der eine planare Phosphorbildplatte um eine zu ihrer Oberfläche senkrechte Achse gedreht wird, während ein Lesekopf über der Oberfläche in Richtung auf den Drehmittelpunkt bewegt wird und damit eine spiralförmige Abtastung bewirkt. Keine dieser Anordnungen stellt zufrieden, da der Gegenstand zum Abtasten entweder gefaltet oder gedreht werden muß. Insbesondere bei Phosphorbildplatten ist es für die Platte (das heißt den Gegenstand) erwünscht, während des Abtastens ortsfest zu bleiben. Brearley beschreibt in der Patentschrift GB 21 52 697 A einen Weg, bei dem dies durch eine lineare Bewegung des Lesekopfes potentiell erreicht werden könnte. Jedoch verlangt auch Brearleys Vorrichtung, daß sich der Gegenstand unter Bewirken der Rahmenabtastung bewegt, und er sieht kein spezielles Mittel zum Übertragen der auffallenden Strahlung zum Lesekopf vor. Bei Brearleys Vorrichtung wird das Licht durch Baden der gesamten Bewegungsfläche des Lesekopfes im auffallenden Licht übertragen mit dem Ergebnis, daß nur ein kleiner Teil der Strahlung dem Gegenstand zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung zielt auf das Überwinden der beiden oben erwähnten Probleme durch Ausbilden einer Abtastung ab, wobei der Gegenstand ortsfest bleibt und durch Lenken des auffallenden Strahls in einen Lesekopf in einer optisch wirkungsvollen Weise.
Auch die DE-A-36 01 442 offenbart eine optische Abtastvorrichtung mit einem drehbaren optischen System zum aufeinanderfolgenden Beleuchten einer Reihe von Leseköpfen.

Die Erfindung

Gemäß der Erfindung ist eine optische Abtastvorrichtung vorgesehen mit einem Ständer, mit einer Vielzahl von am Ständer befestigten Abtastköpfen, mit minde stens einer optischen Quelle und mit einem optischen Strahlschaltmittel, das mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit in Drehung bewegbar ist, zum Schalten des Strahls von der Quelle oder den Quellen zwischen den Leseköpfen, so daß aufeinanderfolgende Leseköpfe nacheinander in Betrieb gelangen, so daß ein Gegenstand, demgegenüber mindestens der Lesekopfständer der Anordnung eine lineare Translationsbewegung durchführt, mit den Leseköpfen gelesen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer eine Drehachse aufweist, daß die Leseköpfe sich mit dem Ständer drehen bei Drehung des Ständers mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit um die Drehachse und daß die aufeinanderfolgenden Leseköpfe über einem vorgegebenen Abschnitt einer auf einer Kreisbahn liegenden Abtastung kontinuierlich in Betrieb sind.
Vorzugsweise wird der vom Gegenstand zurückkommende Strahl in umgekehrter Richtung durch das Strahlschaltmittel zu einem ortsfesten Detektor geleitet.
Der Gegenstand kann ein bildtragendes Element, wie zum Beispiel ein Phosphor- Bildspeicherelement, sein, das entweder planar oder teilzylindrisch ist. Im ersteren Fall weist der Abtastpfad Kreisform auf. Im letzteren Fall liegt der Abtastpfad in einer zu der Achse des Teilzylinders senkrecht verlaufenden Ebene. Damit wird mindestens der Lesekopfständer, möglicherweise aber auch andere Teile der Anordnung, in einer zu der Bildspeicherplatte parallelen Ebene oder in einer zu der Achse des Bildspeicher-Teilzylinders parallelen Richtung linear verschoben.
In einer bevorzugten Ausführungform ist das Strahlschaltmittel eine optische Anordnung, die eine optische Umkehr des Strahls von der oder jeder Quelle bewirkt, so daß der vom Strahlschaltmittel ausgehende Strahl oder die vom Strahlschaltmittel ausgehenden Strahlen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit des Strahlschaltmittels rotieren. Ganz vorzugsweise beträgt die Drehgeschwindigkeit des Strahlschaltmittels damit eine Hälfte der Drehgeschwindigkeit des die Leseköpfe tragenden Ständers.
Eine Ausführungsform des den Strahl umkehrenden Strahlschaltmittels umfaßt eine Vielzahl von Einzelreflexionsreflektoren, die im Winkelabstand um die Drehachse herum angeordnet sind, und eine entsprechende Vielzahl von Doppelreflexionsreflektoren, wie zum Beispiel Prismen, die auch im Winkelabstand um die Drehachse herum angeordnet sind, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß ein Strahl die Drehachsen beim Durchgang zwischen den Einzel- und den Doppelreflexionsreflektoren kreuzt. Zum Bewirken der Strahlumkehr muß die Gesamtzahl der im Strahlschaltmittel auftretenden Reflexionen eine ungerade Zahl sein und wird vorzugsweise auf drei Reflexionen beschränkt.
Die Strahlauftreffachse am Strahlschaltmittel verläuft vorzugsweise parallel zu und in einem gegebenen Abstand von der Drehachse, und die Strahlaustrittsachse verläuft vorzugsweise parallel zu und im gleichen gegebenen Abstand von der optischen Achse, und die Strahlauftreif- und die Strahlaustrittsachse liegen auf einander diametral gegenüberliegenden Seiten der Drehachse.
Ein bevorzugter Lesekopfständer ist eine Scheibe, bei der die Vielzahl der Leseköpfe mit Abstand um ihre Drehachse herum oder dicht an ihrem Umfang angeordnet sind. Reflektoren, wie zum Beispiel Prismen, werden zum Weitergeben des aus dem Strahlschaltmittel austretenden Strahls oder der aus dem Strahlschaltmittel austretenden Strahlen auf aufeinanderfolgende Leseköpfe verwendet, wobei das Strahlschaltmittel in der bevorzugten Ausführungsform koaxial zu der Ständerscheibe angeordnet ist, aber mit der Hälfte ihrer Drehgeschwindigkeit gedreht wird.
Die oben beschriebene Erfindung ermöglicht das Bewegen des Abtastkopfes in einer gleichförmigen kontinuierlichen Drehung unter Vermeiden der Schwierigkeiten von Beschleunigung und Verzögerung, die der Geschwindigkeit eines mechanischen Rasterabtastens Grenzen setzt. Ein sehr wichtiges Merkmal der beschriebenen Erfindung ist das Mittel, mit dem das Licht zu und von den Leseköpfen geleitet wird, wobei dieses Mittel das Schalten zwischen vielen Köpfen mit einer op tischen Vorrichtung gestattet, deren einzige nichtmechanische Bewegung eine gleichförmige Drehung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ist.

Beschreibung der Ausführungsformen

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei ist:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der optischen Abtastvorrichtung,
Fig. 2, 3 und 4 je ein erläuterndes Schaubild und
Fig. 5a bis 5d je die schematische Darstellung von vier anderen möglichen Ausführungsformen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Scheibe D oder eine andere angelenkte Ständerkonstruktion vorgesehen, die eine Anzahl von Leseköpfen trägt. Die kreuzschraffierte Fläche von Fig. 1 stellt eine solche Scheibe in einem Mittelquerschnitt mit der Achse bei A dar. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Leseköpfe in der Weise der Linsen L und L' in Fig. 1 angeordnet, so daß sie bei einem Drehen der Scheibe Abtastungen von annähernd Kreisform über einem planaren Gegenstand S ausführen. Bei einer anderen (nicht gezeigten) möglichen Ausführungsform werden Prismen wie P2 weggelassen, und die Köpfe zeigen vom Rand der Scheibe nach außen und können einen Gegenstand in der Form eines konkaven Teilzylinders abtasten. Die Linienabtastung wird durch Drehen der Scheibe bewirkt. Die Rahmenabtastung wird durch die lineare Querbewegung der gesamten Scheibe entweder in einer Linie parallel zu der abgetasteten Fläche auf dem Gegenstand beim bevorzugten Beispiel oder in einer Linie parallel zu der Achse des Teilzylinders beim zweiten Beispiel bewirkt. In Fig. 2 wird die Scheibe in einer Aufsicht mit zwei durch Quadrate dargestellten Leseköpfen R, R1 gezeigt, obwohl die Zahl der Leseköpfe nicht auf zwei beschränkt ist. Später wird dies beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch, wie Licht vom Laser LA durch einen Strahlteiler C in eine Vorrichtung geleitet wird, die eine Optik besonderer Form, die Nabenoptik H genannt wird, enthält. Der Laserstrahl tritt aus der Nabenoptik aus und wird auf den aktiven Lesekopf geleitet, zum Beispiel durch zwei rechtwinklige Prismen P1 und P2, und von dort durch die Lesekopflinse oder eine andere den Strahl konzentrierende Vorrichtung L oder L'. Das vom Gegentand emittierte Licht folgt dem gerade beschriebenen Pfad, wird aber durch den Teiler C, der in der bevorzugten Ausführungsform ein chromatischer Strahlteiler ist, vom auffallenden Strahl getrennt. Im Fall eines Phosphorplattenlesers kann der auffallende Strahl der eines Rot emittierenden Helium-Neon-Lasers sein, und das emittierte Licht wäre dann das sich aus einer stimulierten Luminiszenz ergebende blaue Licht, das mit einem Photomultiplier PMT detektiert würde. Obwohl es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, könnten Linsen und Blenden zum Bewirken einer konfokalen Arbeitsweise, Sperr- und Erregerfilter und andere optische Vorrichtungen normalerweise in dem grundlegenden System enthalten sein, wie dies beschrieben wird.
Die Nabenoptik H wird koaxial zu der Scheibe D gedreht, aber mit einer Winkelgeschwindigkeit von genau der Hälfte der der Scheibe und in genauer Phasenbeziehung mit deren Drehung. Fig. 3 zeigt eine Form der Nabenoptik in einem Mittelschnitt durch die Drehachse RR'. Im gezeigten Beispiel trifft ein parallel zu der Achse RR', aber in einem Abstand D1 von dieser eintretender Lichtstrahl zuerst auf einen in einem Winkel zu der Drehachse angeordneten Reflektor M1. Der Strahl kreuzt dann die Achse und tritt in ein einen Querschnitt von Standardform aufweisendes Prisma P1 ein. Dieses Prisma wird häufig ein "45º-Okularprisma" genannt. Bei Verwendung eines solchen Prismas und bei Einstellen des Reflektors M1 auf 22,5º zu der Achse liegt die Wirkung des Prismas in einem Drehen des Strahls um 45º, so daß er in einer Richtung parallel zu der Ursprungsrichtung austritt. Die Lage des Prismas P1' wird so gewählt, daß der Abstand D2 zwischen dem austretenden Strahl und der Achse gleich D1 ist. Viele funktionale Variatio nen dieser Optik sind möglich. M1 und P1' können zum Beispiel ausgetauscht werden. Ein Prisma mit anderer Form könnte M1 ersetzen, und andere Prismakonstruktionen oder Spiegelkombinationen können statt P1' eingesetzt werden. Es ist jedoch wesentlich, daß der optische Pfad eine ungerade Zahl von Reflexionen, vorzugsweise drei wie gezeigt, enthalten sollte. Dies hat die Folge, daß sich das System wie ein Bildumkehrer verhält. Sein Verhalten ist ähnlich dem der gut bekannten Dove- und Delta-Prismen. Bei Drehen der Optik scheint ein durch ein solches Prisma gesehenes entferntes Bild sich auch zu drehen, aber mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit der Optik.
Fig. 4 zeigt einen Teil der Nabenoptik, gesehen entlang der Drehachse. Vier rechteckige Spiegel M1, M2, M3 und M4 werden in der Projektion gezeigt. Die Linie XX' stellt die Lage des in Fig. 3 gezeigten Mittelschnittes dar. Der gefüllte Kreis bei I stellt die Lage eines parallel zu der Achse einfallenden Strahls dar. Bei Drehen der Nabenoptik verschiebt sich die Lage des ortsfesten Strahls gegenüber der Optik zur Stellung I', und die gestrichelten Linien I, I' zeigen den vom Eintrittspunkt des Strahls gezeichneten Ort. Wegen der optischen Umkehr befindet sich der austretende Strahl anfangs an der Stelle des leeren Kreises bei Q, und Q, Q' zeigen seinen geometrischen Ort der Bewegung relativ zu der Optik. Wegen des Drehens der Optik ist das Winkelmaß von Q, Q' gegenüber einem äußeren Bezugsrahmen das Doppelte des von I, I', das heißt, daß sich der austretende Strahl mit der doppelten Drehgeschwindigkeit der Optik um seine Drehachse dreht. Diese Schlüsseleigenschaft bedeutet, daß der Strahl der Scheibe, die sich mit der doppelten Geschwindigkeit der Nabe dreht, nachgeführt wird.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Nabenoptik kehrt Q bei einer Drehung der Nabe um 90º in seine Ursprungsstellung zurück, da M2 jetzt M1 ersetzt. Der austretende Strahl wiederholt dann seine Abtastung am gleichen Ort wie zuvor und tastet eine fast vollständige Halbdrehung ab. In dieser Beziehung unterscheidet sich die Vorrichtung von einem herkömmlichen Dove-Prisma. Fig. 2 zeigt eine Fig. 4 ähnliche Nabenoptik, die in den Mittelpunkt einer mit zwei Leseköpfen R, R' ausgerüsteten Scheibe gesetzt ist. Wie bei Fig. 4 stellt der ausgezogene Kreis I einen Eingangs strahl und der leere Kreis Q den Ausgang dar. Die Prismen einschließlich P1 und P2 von Fig. 1 sind angenommenermaßen vorhanden, werden aber nicht gezeigt. Der obere Lesekopf R wird in der Mitte seiner halbkreisförmigen Abtastung gezeigt; der untere R' ist inaktiv und empfängt bis zum Eintritt in die obere Hälfte der Scheibe kein Licht.
Diese Figur wird mit den gleichen Vorschriften wie bei Fig. 5a wiederholt, aber mit dem Zusatz, daß die radialen Linien X, X' den optischen Pfad zwischen solchen Prismen wie P1 und P2 in Fig. 1 darstellen. Der Sinn dieser Figur liegt in der Darstellung einiger im aufgezeigten Rahmen der Erfindung liegender nutzbarer Abwandlungen. Fig. 5b zeigt, wie durch Vergrößern der Symmetrie der Nabenoptik auf das Achtfache vier Leseköpfe R, R', R", R''' auf der Scheibe verwendet werden können, wenn auch mit dem Nachteil, daß der aktive Sektor von seinen ursprünglichen 180º auf 90º verringert wird. Eine Sechsfachnabe, die drei Leseköpfe bedient, ist wie Varianten mit höherer Symmetrie offensichtlich auch möglich. Fig. 5c zeigt, wie zwei von einem einzigen Laser oder zwei Lasern abgeleitete Strahlen in die Nabenoptik H eingeleitet werden könnten, und so dienen vier Leseköpfe R1 bis R4, ohne daß hierzu die Nabengeometrie aufwendiger gestaltet werden müßte. Bei der gezeigten Anordnung zeigt das Winkelmaß der Abtastungen benachbarter Köpfe eine wesentliche Überlappung. Bei Fig. 5d werden die beiden Strahlen I, I' an um 45º auseinanderliegenden Stellen eingeleitet, wobei die Leseköpfe R5 bis R8 um 90º auseinanderliegen. Dies ermöglicht aufeinanderfolgende Abtastungen mit Überlappen in einem Quadranten, wie dies in Fig. 5b gezeigt wird, und gestattet einen gleichförmigen Abstand zwischen den Leseköpfen am Umfang der Scheibe. Durch Ausdehnung läßt sich ein ähnliches Ergebnis mit einer größeren Zahl von Leseköpfen unter der Annahme erreichen, daß der Winkel zwischen den Eingangsstellungen halb so groß wie der zwischen den Köpfen gehalten wird.

Claims

1. Optische Abtastvorrichtung mit einem Ständer (D), mit einer Vielzahl von am Ständer (D) befestigten Abtastköpfen (L, L'), mit mindestens einer optischen Quelle (LA) und mit einem optischen Strahlschaltmittel, das mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit in Drehrichtung bewegbar ist, zum Schalten des Strahls von der Quelle oder den Quellen zwischen den Leseköpfen, so daß aufeinanderfolgende Leseköpfe (L, L') nacheinander in Betrieb gelangen, so daß ein Gegenstand (S), demgegenüber mindestens der Lesekopfständer (D) der Anordnung eine lineare Translationsbewegung durchführt, mit den Leseköpfen gelesen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (D) eine Drehachse (A) aufweist, daß die Leseköpfe (L, L') sich mit dem Ständer drehen bei Drehung des Ständers (D) mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit um die Drehachse (A) und daß die aufeinanderfolgenden Leseköpfe über einem vorgegebenen Abschnitt einer auf einer Kreisbahn liegenden Abtastung kontinuierlich in Betrieb sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der vom Gegenstand (S) zurückkommende Strahl in umgekehrter Richtung durch das Strahlschaltmittel zu einem ortsfesten Detektor geleitet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gegenstand (S) ein planares, ein Bild tragendes Element, wie zum Beispiel ein Phosphor-Bildspeicherelement ist und der Abtastweg Kreisform aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gegenstand (S) ein teilweise zylinderförmiges, ein Bild tragendes Element ist und der Abtastweg in einer zu der Achse des Teilzylinders senkrecht verlaufenden Ebene liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei mindestens der Lesekopfständer (D) in einer Ebene, die zu der das Bild tragenden planaren Platte parallel ist, oder in einer Richtung parallel zu der Achse des das Bild tragenden Teilzylinders auch linear verschoben wird.

6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strahlschaltmittel (H) eine optische Anordnung ist, die eine optische Umkehr des Strahls von der oder jeder Quelle bewirkt, so daß der vom Stahlschaltmittel ausgehende Strahl oder die vom Strahlschaltmittel ausgehenden Strahlen sich mit der doppelten Drehgeschwindigkeit des Strahlschaltmittels drehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Drehgeschwindigkeit des Strahlschaltmittels (H) die Hälfte der Drehgeschwindigkeit des die Leseköpfe tragenden Ständers (D) beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei das den Strahl umkehrende Strahlschaltmittel eine Vielzahl von Einzelreflexionsreflektoren (MI) aufweist, die im Winkelabstand um die Drehachse herum angeordnet sind, und eine entsprechende Vielzahl von Doppelreflexionsreflektoren (PI'), wie zum Beispiel Prismen, auch im Winkelabstand um die Drehachse herum angeordnet sind und die Anordnung so getroffen ist, daß ein Strahl die Drehachsen (R, R') beim Durchgang zwischen den Einzel- und den Doppelreflexionsreflektoren kreuzt, und die Gesamtzahl der im Strahlschaltmittel auftretenden Reflexionen eine ungerade Zahl ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die ungerade Anzahl der Reflexionen drei ist.

10. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Strahlauftreffachse am Strahlschaltmittel parallel zu und in einem gegebenen Abstand von der Drehachse verläuft bzw. liegt und die Strahlaustrittsachse parallel zu und im gleichen gegebenen Abstand von der optischen Achse liegt bzw. verläuft und die Strahlauftreff- und die Strahlaustrittsachse auf sich diametral gegenüberliegenden Seiten der Drehachse liegen.

11. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Lesekopfständer (D) eine Scheibe mit der Vielzahl von in Abständen um die Drehachse der Scheibe herum oder dicht an deren Umfang angeordneten Leseköpfen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei Reflektoren, wie zum Beispiel Prismen, zum Weitergeben des aus dem Strahlschaltmittel austretenden Strahls oder der aus dem Strahlschaltmittel austretenden Strahlen auf aufeinanderfolgende Leseköpfe verwendet werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Strahlschaltmittel (H) koaxial zu der Ständerscheibe befestigt ist, aber mit der Hälfte der Drehgeschwindigkeit der Ständerscheibe gedreht wird.