DE4322694A1

DE4322694A1 - Optisches Instrument mit einer Scannereinrichtung

Info

Publication number: DE4322694A1
Application number: DE4322694A
Authority: DE
Inventors: Jean I Montagu
Original assignee: GEN SCANNING Inc; General Scanning Inc
Current assignee: GEN SCANNING Inc; General Scanning Inc
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1993-07-07
Publication date: 1994-01-13
Also published as: JPH06202023A; GB9311767D0; US5225923A; GB2268596A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Instrument mit einer Scanner einrichtung, insbesondere ein Mikroskop mit einem Mechanismus, um die Position des Zielpunkts zu ändern.

Fig. 1 zeigt ein spezielles Scannermikroskop und dient zur Erläuterung der Arbeitsweise eines derartigen konfokalen Mikroskops. Ein Objektiv 12 ist typischerweise (obwohl nicht notwendigerweise) vorgesehen, das bei konventionellen Mikroskopen benutzt wird und eine Objektebene 14 in einer Bildebene 16 in üblicher Weise abbildet. Bei einem konventionellen Mikroskop wird der gesamte beobachtete Teil der Bildebene 14 kontinuierlich beleuchtet und die Objektivoptik muß gleichzeitig alle Teile der beobachteten Objekt ebene 14 fokussieren. Das konventionelle Mikroskop kann als Instrument ange sehen werden, das alle Bildelemente (Pixel) parallel verarbeitet. Dadurch werden viele Kompromisse erforderlich, die zu optischem Geräusch, Verzerrung und begrenztem Auflösungsvermögen führen. Ferner muß das Licht von der beleuchtenden Lichtquelle auf alle Bereiche der Objektebene aufgeteilt wer den, so daß ein einzelner kleiner Teil des beobachteten Objekts nur einen kleinen Bruchteil des von der Lichtquelle emittierten Lichts empfängt.

Scannermikroskope, insbesondere konfokale Mikroskope verringern entsprechende Schwierigkeiten bei konventionellen Mikroskopen. Als Licht quelle findet typischerweise ein Laser 18 Verwendung, der Licht entlang einem Strahlengang mit einer Abtastlinse 20 überträgt, welche nahezu das gesamte Laserlicht auf einem kleinen Punkt in der Bildebene fokussiert, die ihrerseits konjugiert zu einem entsprechend kleinen Zielpunkt in der Objektebene 14 ist. Deshalb beleuchtet der Laser nur einen kleinen Ziel punkt in der Objektebene 14 zu irgendeinem Zeitpunkt. Nahezu das gesamte Laserlicht wird deshalb einem einzigen Zielpunkt zugeführt, der wegen der Abtastlinse 20 und einer anderen Detektorlinse 22 und gewissen noch zu beschreibenden Elementen auch zu einer Eintrittsapertur 24 eines Photo detektors 26 konjugiert ist.

Das Laserlicht von dem Laser 18 verläuft durch einen Strahlen expander 28 mit einer internen Brennebene 30, die wie die Eintrittsapertur des Detektors auch zu dem einzigen Punkt in der Bildebene konjugiert ist, und das derart expandierte Laserbündel wird bei dem dargestellten Beispiel durch zwei Spiegel 32 und 34 auf einen dichroitischen Spiegel 36 gerichtet, welcher das Laserlicht durch eine Scannereinrichtung 38 leitet, die unten beschrieben werden soll. Die Scannereinrichtung 38 leitet das Licht durch die Abtastlinse 20 und das Objektiv 12. Das reflektierte Licht gelangt zurück durch das Objektiv 12, die Abtastlinse 20 und die Scannereinrichtung, weshalb die eintretenden und reflektierten Lichtwege ein gemeinsames Weg segment aufweisen. Die beiden Wege verzweigen sich in dem dichroitischen Spiegel 36, wodurch das reflektierte Licht durch die Detektorlinse 22 zu dem Detektor 26 reflektiert wird.

Der Zweck des Scanners 38 besteht darin, sowohl das ankommende Licht vom Laser 18 als auch das reflektierte Licht von der Objektebene 14 abzu lenken und dabei den Punkt in der Bildebene 16 zu bewegen und damit in der Objektebene 14, zu der sowohl der Strahlexpander-Brennpunkt 30 und die Detektorapertur 24 konjugiert sind. Der Scanner bewegt typischerweise diesen Punkt rasterförmig und eine Rasterabtastungs-Displayeinrichtung 40, die synchron mit dem Scanner 38 betätigt wird, zeigt das resultierende Detektorausgangssignal an.

Die Verwendung einer derartigen Anordnung ergibt eine Reihe von Vorteilen hinsichtlich der Arbeitsweise. Beispielsweise kann die Detektor apertur 24 als Okularöffnung wirken, wodurch sich eine räumliche Filter wirkung ergibt, um das Auflösungsvermögen zu verbessern, wie es bei einer entsprechenden Apertur in der Brennebene 30 des Strahlexpanders der Fall ist. Da nur ein sehr kleiner Teil der Objektebene zu irgendeinem Zeitpunkt beleuchtet wird, ist sehr wenig Licht von anderen Stellen der Objektebene für eine Abbildung auf die Detektorokularöffnung (wegen Verzerrungen des optischen Systems) und wirkt deshalb als Störung. Ein weiterer Vorteil ist der resultierende beträchtliche Lichtwirkungsgrad. Die zur Beleuchtung eines Objekts in einem Scannermikroskop benötigte Lichtleistung ist ein sehr kleiner Bruchteil derjenigen, die zur Erzielung des gleichen Niveaus der Beleuchtung bei einem konventionellen Mikroskop benötigt wird. Da eine derartige Beleuchtung es ermöglicht, eine hohe augenblickliche Licht intensität in dem Zielpunkt zu ermöglichen, können gewisse wünschenswerte Abbildungsverfahren, beispielsweise unter Verwendung von Fluoreszenz, praktischer als im Vergleich zu sonstigen Verfahren sein.

Durch Verwendung von Objektiven mit hoher numerischer Apertur sind konfokale Mikroskope besonders gut dazu geeignet, dreidimensionale Ab bildungen von halbdurchlässigen Objekten wie von biologischen Proben durch zuführen. Das Mikroskop nimmt eine Serie von zweidimensionalen "Scheiben", von denen jede bei unterschiedlicher Tiefe in der Probe gebildet wird. Die derart erhaltenen Scheiben können sequentiell beobachtet oder durch einen Computer verarbeitet werden, um Scheiben entlang der Probe mit unterschiedlichen Winkeln zu erhalten. Durch Verwendung entsprechender Techniken können auch Abbildungen von nicht ebenen lichtundurchlässigen Objekten erhalten werden.

Gewisse Schwierigkeiten ergeben sich jedoch wegen des Scanner mechanismus. Fig. 2 zeigt einen typischen Scannermechanismus. Er enthält einen ersten Ablenkmechanismus in der Form eines galvanometrisch ange triebenen Spiegels 42, welcher derart verschwenkt wird, daß der Zielpunkt sich in Richtung parallel zu einer Achse bewegt, die als die x-Achse bezeichnet werden kann. Dabei lenkt der Spiegel 42 das Laserbündel auf einen in gleicher Weise angetriebenen zweiten Spiegel 44, welcher eine Bewegung des Zielpunkts in Richtungen parallel zu einer orthogonalen y-Achse verursacht. Bei dem dargestellten Scannermechanismus wird der Spiegel 44 um eine Achse verschwenkt, die durch dessen Zentrum verläuft, während der Spiegel 42 paddelförmig um eine Achse 46 verschwenkt wird, die in einem Abstand von der Spiegeloberfläche verläuft. Das Ergebnis dieser Anordnung besteht darin, daß trotz der Änderung des Winkels, unter dem Licht von der Laserquelle von dem Spiegel 42 reflektiert wird, die Stelle sich nicht beträchtlich ändert, an der das zurückkommende Bündel auf den Spiegel 44 auf trifft. Deshalb kann der Spiegel 44, der vielfach so schnell wie der Spiegel 42 verschwenkt werden muß, verhältnismäßig klein ausgebildet sein.

Trotz dieser geringen Größe ist es schwierig, die erforderliche Ge schwindigkeit zu erzielen, um die sehr strengen Anforderungen erfüllen zu können, denen konfokale Mikroskope unterworfen sein können. Wegen der er wähnten mehrfachen Abtastung kann die Aquisitionszeit für eine vollständige Abbildung nachteilig lang sein, falls jede Rasterabtastung nicht extrem schnell erfolgt. Ferner sind konfokale Mikroskope verhältnismäßig teuer, so daß es wünschenswert ist, diese Tendenz in einem gewissen Ausmaß abzu schwächen, indem so wenig spezialisierte Teile wie möglich benutzt werden. Es ist deshalb vorteilhaft, die mechanische Abtastung kompatibel mit Ab tastraten beim Fernsehen zu machen, welche ziemlich hoch sind. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine Kompatibilität mit Fernseheinrichtungen mit hoher Bildschärfe wünschenswert ist.

Diese Schwierigkeiten gelten nicht nur für konfokale Mikroskope, welche eine Abtastung in dem Strahlengang sowohl von der Lichtquelle und zu dem Detektor ermöglichen, sondern treten auch bei anderen Arten von Scannermikroskopen auf, welche eine Abtastung in nur einem der Strahlengänge ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein großer Teil der Schwierigkeiten bei der Herstellung von konfokalen oder anderen Scanner mikroskopen aus konventionellen Komponenten darauf zurückzuführen ist, daß nicht in Resonanz befindliche Scanner benutzt werden müssen. Ein derartiger Scanner wird so angetrieben, daß die Scannerbewegung dem Antriebssignal mehr oder weniger getreu folgt. Die mit derartigen Scannern erzielbare Abtast frequenz bei gegebenen Kosten und vorgegebenem Leistungsniveau ist viel niedriger als diejenige, die mit Resonanzscannern erzielt werden kann, welche in der Nähe ihrer mechanischen Resonanzen arbeiten und deshalb ihren Antriebssignalen nicht genau folgen. Das Erfordernis der Verwendung von nicht in Resonanz befindlichen Scannern ergibt sich darauf, daß ein abtasten des Mikroskop oft benötigt wird, um eine Schwenkungsfunktion zu ermöglichen, was mit Hilfe von Resonanzscannern nicht ohne weiteres erzielt werden kann. Falls der Zielpunkt nicht die Art Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit durchführt, was am einfachsten mit nicht in Resonanz befindlichen Scannern erreicht werden kann, muß die Lichtquelle speziell entsprechend der Ab tastung moduliert werden, damit die Beleuchtung die benötigte Gleichförmig keit ergibt, z. B. bei Lumineszenz-Anwendungsfällen.

Bei der Erfindung wird eine Anordnung vorgesehen, bei der die Ver wendung von Resonanzscannern bei derartigen Anwendungszwecken geeignet ist. Gemäß einem Merkmal der Erfindung benutzt ein konfokales Mikroskop ein Scannersystem, bei dem die Ablenkeinrichtung für eine Achse eine Mehrzahl von Resonanzfrequenzen aufweist, von denen eine die fundamentale Abtast frequenz ist und mindestens eine andere eine Harmonische dieser Frequenz ist. Die resultierende Ablenkung kann nahezu linear erfolgen, obwohl die Ablenkeinrichtung in Resonanz befindlich angetrieben wird. Deshalb kann eine schnelle Resonanzabtastung in einem konfokalen Mikroskop durchgeführt werden.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung kann ein konfokales oder anderes Scannermikroskop in Resonanz befindlich abtasten, obwohl eine Schwenkungsfunktion vorgesehen werden muß. Entsprechend diesem Merkmal der Erfindung werden sowohl vielfach in Resonanz befindliche und nicht in Resonanz befindliche Antriebe benutzt, um eine Ablenkung entlang der selben Achse zu bewirken. Das Gehäuse des Resonanzscanners kann beispiels weise durch ein Galvanometer oder eine andere Antriebseinrichtung gedreht werden, um eine Schwenkung in Richtung der Resonanzabtastung zu erzielen. Wahlweise kann ein zweiter nicht in Resonanz befindlicher Spiegel ange trieben werden, um eine Ablenkung entlang derselben Achse zu erzielen, wiederum um die ohne Resonanz erzeugte Bewegung auf die mit Resonanz erzeugte Bewegung zu überlagern.

Eine Überlagerung harmonischer Resonanzbewegungen wurde bereits für andere Verwendungszwecke vorgeschlagen, wobei allerdings gewisse Schwierigkeiten auftraten. Diese Schwierigkeiten sind darauf zurückzu führen, daß genaue Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwischen den ver schiedenen harmonischen Komponenten beibehalten werden müssen. Während eine Modulation der Resonanzscanner-Amplitude bei den (relativ geringen) benötigten Raten nicht schwierig ist, verursachen konventionelle Wege zur Beibehaltung der gewünschten Phasenbeziehung Schwierigkeiten. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die Phasenbeziehung zwischen dem Antriebssignal und der Resonanzbewegung extrem empfindlich für den Unterschied zwischen der Frequenz des Treibersignals und der Eigenfrequenz des Scanners ist, der typischerweise einen hohen Q-Faktor hat. Eine ab rupte Änderung von nahezu 180° bei der Phasendifferenz zwischen dem An triebssignal und der Scannerbewegung tritt auf, wenn die Eigenfrequenz zwischen Werten driftet, die nur etwas über und unter der Antriebs frequenz liegen, beispielsweise wegen Alterung oder wegen Umweltfaktoren wie der Temperatur.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung kann jedoch einer der Scanner für eine gegebene Achse der Bewegung abstimmbar sein, und die Phasenbeziehung zwischen den beiden harmonisch bezogenen Resonanzen wird beibehalten, aber nicht durch Einjustierung des Treibersignals, sondern durch Einjustierung der abstimmbaren Resonanzfrequenz des Scanners. Es hat sich gezeigt, daß damit eine wesentlich stabilere Steuerung der Phasen beziehung zwischen sinusförmigen Bewegungskomponenten erzielt werden kann, wodurch es praktischer ist, Resonanzscanner für lineare Abtastvorgänge zu verwenden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines konfokalen Scannermikroskops der er wähnten Art, auf das die Erfindung gerichtet ist,

Fig. 2 eine isometrische Ansicht einer bekannten Scannereinrichtung der erwähnten Art für ein konfokales Mikroskop,

Fig. 3 eine vereinfachte isometrische Ansicht eines Scanners, der bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt wird,

Fig. 4A und 4B eine Untersetzerkomponente für den Scanner in Fig. 3,

Fig. 5 eine Schnittansicht, bei der Teile weggebrochen sind, be treffend den reaktionsfreien Scanner der Einrichtung in Fig. 3,

Fig. 6 eine vereinfachte isometrische Ansicht der Scannereinrichtung gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 ein Blockdiagramm des Steuersystems zur Beibehaltung der richtigen Phasenbeziehung zwischen den beiden harmonisch bezogenen Orten der Scannereinrichtung entweder in Fig. 3 oder Fig. 6; und

Fig. 8 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Steuersystems.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung liefert die Scannereinrichtung 38 des konfokalen Mikroskops 10 in Fig. 1 in Resonanz befindlich eine im wesentlichen lineare Abtastung in x-Richtung unter Be nutzung einer x-Achse-Ablenkeinrichtung mit zwei Scannern 50 und 52 (Fig. 3), welche bei harmonisch bezogenen Frequenzen oszillieren, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll. Beispielsweise kann der Scanner 50 ein 2-kHz Resonanzscanner sein, während der Scanner 62 ein 6-kHz Resonanzscanner sein kann. Diese Frequenzkomponenten sind die Frequenzkomponenten einer 2-kHz Dreieckswelle mit den zwei höchsten Amplituden. Wenn die Phasen und Ampli tuden dieser beiden Scannerbewegungen geeignet bezogen sind, verursachen sie eine x-Ablenkung, die eine dreieckförmige, also eine im wesentlichen lineare Bewegung des Zielpunkts in Abhängigkeit von der Zeit annähert.

Obwohl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur zwei der Fourier- Komponenten benutzt werden, ist die resultierende Annäherung einer Dreieckswelle verhältnismäßig gut. Die Fourier Expansion einer Dreieckswelle der Periode T und positive und negative Amplituden der Einheit, also eine Amplitude von Scheitelwert zu Scheitelwert von zwei, ist gegeben durch die Gleichung:

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß das Weglassen der fünften Harmonischen zu einem Fehler aufgrund des Fehlens dieser Harmonischen von (8/π²) (1/5²) = 0,0324 oder weniger als 2% der Amplitude von Scheitelwert zu Scheitelwert der Rechteckwelle führt. Es kann gezeigt werden, daß das Weg lassen aller höheren Harmonischen diesen Fehler noch weiter verringert. Deshalb ergibt sich eine gute Annäherung der gewünschten Wellenform aus der Benutzung von nur zwei Harmonischen. Eine derartige Genauigkeit resultiert nicht aus nur zwei Harmonischen bei jeder Wellenform. Speziell erfordert eine sägezahn förmige Wellenform vielmehr Harmonische, um die gleiche Genauigkeit erzielen zu können. Das Prinzip ist jedoch das gleiche: Eine nicht sinusförmige periodische Ablenkungswellenform kann durch Benutzung einer Mehrzahl von Resonanzscannern erzielt werden, deren Resonanzfrequenzen harmonisch bezogen sind.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Bewegung entlang der y-Achse durch einen Galvanometer-Scanner 58 erzeugt, der in einer paddel förmigen Konfiguration angeordnet ist, was bedeutet, daß das Lichtbündel auf den Spiegel 60 an einer Stelle auftrifft, die von der Schwenkachse des Spiegels einen Abstand aufweist. Das Verschwenken des Spiegels 60 ändert nicht nur den Winkel, unter dem das eintretende und das austretende Bündel 62 abgelenkt wird, sondern auch die Stelle auf dem Spiegel 60, an der diese Bündel auftreffen. Die Anordnung wird derart gewählt, daß die resultierende Bewegung der Punkte, auf denen die Bündel auf die x-Achse-Spiegel 54 und 56 auftreffen, minimal gehalten wird, wobei das Bündel um einen "Drehpunkt" zwi schen den Spiegeln 54 und 56 derart gedreht wird, daß die Größe dieser Spiegel minimal gehalten werden kann, was für hochfrequente Resonanzscanner wünschens wert ist. Wie in der US-PS 5 048 904 für einen Scanner mit zwei Spiegeln mit einer Pincushion-Fehlerkorrektur beschrieben wird, ergibt diese Aufstellung der Resonanzscanner 50 und 52 zwischen dem Galvanometer-Scanner 58 und dem (typischerweise das Feld flachenden) Objektiv 12 (Fig. 1) eine Anordnung, bei der eine Korrektur der sogenannten Kissenverzeichnung der Rasterform durchführbar ist, die sonst auftreten würde.

Durch die Verwendung von harmonisch bezogenen Resonanzen ist es möglich, die hohen Abtastraten zu erzielen, die für konventionelle Displays und solche mit hohem Auflösungsvermögen erforderlich sind, wobei gleich zeitig ein lineares Abtasten erzielt wird, was besonders wichtig für Fluoreszenz-Mikroskope ist.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es jedoch bei vielen konfokalen Mikroskopen ebenfalls wünschenswert, eine Zoom- und Schwenkfunktion vorzusehen. Eine Zoomfunktion kann ohne weiteres durch einfache Einstellung der Amplitude der Scannerbewegung erzielt werden. Eine Schwenkfunktion, also eine Änderung der Lage des Zentrums des Bilds kann ohne weiteres in Richtung der y-Achse durch eine geeignete Steuerung des Galvanometer-Scanners 58 erzielt werden. Eine Schwenkfunktion in x-Richtung kann jedoch nicht ohne weiteres erzielt werden, weil die Scanner 50 und 52 Resonanzscanner sind und deshalb nicht ohne weiteres die Addition einer "Gleichstromkomponente" zu ihrer Bewegung ermöglichen.

Bei der Erfindung wird ein weiterer Scanner 64 in der Ablenkein richtung der x-Achse vorgesehen. Dieser Scanner ist ein Galvanometer-Scanner, der dazu benutzt wird, eine "Gleichstrom"-Schwenkbewegung auf die Resonanz bewegung zu überlagern, welche die Scanner 50 und 52 liefern. Der Scanner 50 wird drehbar angeordnet, so daß der Galvanometer-Scanner 64 diesen mit Hilfe eines Bewegungsuntersetzers 66 drehen kann, wodurch das Scheinträgheitsmoment des Scanners 50 verringert werden kann, das von dem Scanner 64 gesehen wird.

Der Bewegungsuntersetzer enthält ein elastisches Band 68 (Fig. 4A und 4B). Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist das Band einen Schlitz 70 und einen komplementären Halsbereich 72 auf. Eine Zunge 74 wird durch den Schlitz 70 eingesetzt, um eine Schleife 76 zu bilden, wie aus Fig. 4B er sichtlich ist. Die Welle 78 des Galvanometer-Scanners 64 wird durch die Schleife 76 eingesetzt. Das Band 68 wird an der Welle 78 beispielsweise durch Befestigung in einer Öffnung 80 gesichert. Die Enden des Bands 68 werden dann entlang der Oberfläche einer bogenförmigen Rippe 82 auf dem Gehäuse des Resonanz-Scanners 50 angelegt und daran mit den Enden befestigt. Wegen der Elastizität des Streifens 68 verursacht die Kopplung nur ein vernachlässigbares Spiel.

Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist vorzugsweise der Resonanz scanner 50 mit dem das Galvanometer 64 gekoppelt ist, "reaktionsfrei" ausge führt, wie es beispielsweise bei den in der US-PS 4 919 500 beschriebenen Scannern der Fall ist. Wie an sich bekannt ist, wird die Resonanzbewegung eines Resonanzscanners weitgehend durch den Austausch von Energie zwischen der Bewegung einer Masse, primär des Spiegels, und der Ablenkung eines elastischen Glieds verursacht, an dem die Masse befestigt ist. Bei konven tionellen Resonanzscannern ist das elastische Glied irgendwie an dem Scanner gehäuse befestigt. Deshalb ergibt sich eine Struktur wie diejenige des Galvanometer-Scanners 64 in Fig. 3, an der das Gehäuse des Resonanz scanners befestigt ist, welche nicht nur das Drehmoment aufnehmen muß, das von der Motorkraft herrührt, sondern auch das viel größere Drehmoment, das von der Kraft des elastischen Glieds gegen das Gehäuse herrührt.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 5 einen reaktionsfreien Resonanz scanner. Die Welle 84, an der der Spiegel 54 angeordnet ist, wird praktisch nur durch Gehäusestücke 86 und 88 abgestützt, welche diese in der Position eines vergrößerten Stützbereichs 90 abstützen. Der Spiegel wird durch einen Motor mit Wicklungen 92 angetrieben, die an dem Gehäuse angeordnet sind, und mit Hilfe eines magnetischen Polstücks 94 an der Welle 84. Die Welle 84 besteht aus elastischem Material und die Beziehung deren Torsions-Feder konstanten zu dem Trägheitsmoment des Spiegels 54 wird derart ausgewählt, daß sich eine Spiegelbewegung mit etwa 180° Phasenverschiebung im Vergleich zu dem Polstück (Rotor) 94 ergibt, wenn der Scanner mit der Resonanzfrequenz angetrieben wird. Dies bedeutet, daß die Torsionsdeformation der Welle 84 von der entgegengesetzten Bewegung deren gegenüberliegenden Enden herrührt. Die Welle wird so angeordnet, daß der vergrößerte Bereich 90, an dem eine Ab stützung an dem Gehäuse erfolgt, ein Knotenpunkt dieser Resonanzbewegung ist. Die Amplitude der Drillbewegung der Welle ist an dieser Stelle praktisch gleich Null, steigt aber (in entgegengesetzten Richtungen) mit dem Abstand von dieser Stelle zu Maximalwerten an den gegenüberliegenden Enden der Welle an. In dieser Weise werden die hohen Drehmomente bei der Resonanzbewegung nicht auf das Gehäuse übertragen, wodurch das Drehmoment wesentlich verringert wird, das von dem Galvanometer-Scanner 64 verlangt wird.

Um die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden, die sich aus der mechanischen Kopplung zwischen Galvanometer-Scanner 64 und Resonanz-Scanner 50 ergeben, kann eine Anordnung der in Fig. 6 dargestellten Art vorgesehen werden, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei der Anordnung in Fig. 6 wird eine Schwenkfunktion nicht durch Drehen des Gehäuses des Resonanz-Scanners 50, sondern durch Ablenken des Bündels mit einem Galvanometer-Scanner 98 erzeugt, dessen Spiegel 100 in dem Strahlengang angeordnet ist. Deshalb enthält die Ablenkeinrichtung entlang der x-Achse anstelle von nur zwei drei Spiegel 54, 56 und 100.

Obwohl in der Zeichnung nur zwei Resonanz-Scanner dargestellt sind, von denen der eine eine Resonanz bei der dritten Harmonischen der Frequenz hat, bei der der andere eine Resonanz hat, können weitere Scanner vorgesehen werden, um andere Harmonische hinzuzufügen, wodurch die Genauigkeit erhöht werden kann, mit der die dreieckförmige Wellenform angenähert wird oder womit andere Wellenformen erzeugt werden können. Bei dem dargestellten Aus führungsbeispiel wird nur eine ungeradzahlige Harmonische verwandt, weil die Fourier-Reihe für eine symmetrische dreieckförmige Welle nur ungerad zahlige Harmonische hat, aber andere harmonische Kombinationen entsprechend der Fourier-Transformation für andere periodische Wellenformen benötigt werden.

Obwohl es vorgezogen wird, individuelle Scanner mit einer einzigen Resonanzfrequenz für diesen Zweck zu verwenden, können die getrennten Scanner mit einer einzigen Resonanzfrequenz durch einen einzigen Scanner mit mehreren Resonanzfrequenzen ersetzt werden. Beispielsweise ist in der US-PS 4 859 846 die Arbeitsweise eines derartigen Scanners beschrieben, welcher Scanner benutzt werden könnte, eventuell mit dem dort benutzten Steuersystem, um die Lehre der vorliegenden Erfindung zu realisieren.

Vorzugsweise wird jedoch ein in Fig. 7 dargestelltes Steuersystem benutzt. Wie bereits erläutert wurde, besteht eine der bisherigen Schwierig keiten bei der Steuerung von Umlenkeinrichtungen mit harmonisch in Beziehung stehenden Resonanzen darin, daß die relativen Phasen der Komponenten der Resonanzbewegung schwierig zu steuern sind, weil die Phasenbeziehung zwischen dem Antriebssignal und der Bewegung eines Scanners mit hohem Q-Faktor in der Nähe der Resonanz drastische Änderungen als Folge von kleinen Änderungen von Faktoren wie Alterung, Abnutzung oder Umgebungstemperatur erfahren kann. Diese Schwierigkeit wird bei dem Steuersystem in Fig. 7 dadurch vermieden, daß die Phase nicht durch direkte Steuerung der Antriebssignalphase, sondern durch Abstimmung eines abstimmbaren Scanners gesteuert wird, vorzugsweise in analoger Weise wie bei konventionellen bei einer PLL-Phasenregelschleife.

In konventioneller Weise bestimmt ein Phasendetektor 104 die Phasen differenz zwischen den (Positions- oder Geschwindigkeits)-Ausgängen der Scanner 50 und 52. Dies bedeutet, daß der Phasendetektor 104 einen Ausgang proportional der Differenz zwischen den Zeitpunkten des Auftretens eines Nulldurchgangs der fundamentalen Komponente und eines angrenzenden Null durchgangs der harmonischen Komponente erzeugt. Der resultierende Phasen differenz-Ausgang wird zur Steuerung der Phase (und effektiv der Frequenz) des Scanners 52 benutzt. Anstelle der Verwendung zur Erzeugung eines Treiber signals für den Scanner 52 wird jedoch diese Phasendifferenz von einer Heiz schaltung 106 benutzt, um die Stromstärke durch ein Heizelement 107 (Fig. 5) zu ändern, das die Scannerwelle 84 umgibt. Die Federkonstante der Welle 84 hängt von deren Temperatur ab und deshalb auch die Resonanzfrequenz des Scanners. Durch Steuerung des Heizstroms in Abhängigkeit von der Phasen differenz zwischen den beiden Scannern kann man ihre geeignete Phasenbe ziehung beibehalten, ohne daß sich Schwierigkeiten ergeben, die von dem Versuch herrühren, eine direkte Steuerung der Treibersignalphase durchzu führen. Das Treibersignal, das dem Scannertreiber 108 in Fig. 7 zugeführt wird, stammt nicht von einem getrennten Signalgenerator, sondern wird durch Mitkopplung von dem Ausgang des Scanners 52 abgeleitet. Wegen der Mitkopp lung zeigt die Schleife mit dem Scanner 52 und dessen Treiber 108 eine Instabilität bei geringer Amplitude. Dieses System ist selbstschwingend und die Amplitude steigt kontinuierlich an, bis die internen Verstärker des Treibers 108 Sättigung erreichen. Um eine geeignete vorherbestimmte Amplitude zu erzielen, die durch den Fourier-Koeffizienten C₃ für die dritte Harmonische eingestellt wird, justiert eine Amplituden-Steuerschaltung 110 ein Dämpfungsglied 112, um den gesättigten Verstärkerausgang zu dämpfen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Scanner 50 derart ausgebildet, daß er durch gleichartige Rückkopplung mit seinem Treiber 114 selbstschwingend ist, und eine Amplituden-Steuereinrichtung 116 benutzt ein entsprechendes Dämpfungsglied 118, um die Amplitude beizubehalten, die durch den Fourier-Koeffizienten C₁ für die fundamentale Komponente bestimmt wurde.

Ein äquivalentes System ersetzt das Heizelement 107 mit den Windungen einer magnetischen Feder, welche zwischen der Welle des Scanners und dem Gehäuse angreift. Eine derartige Feder kann wie in der US-PS 4 959 568 be schrieben ausgebildet sein. Derartige Systeme tendieren nicht dazu, einen so breiten Resonanzfrequenzbereich wie abstimmbare Scanner mit einem Heiz element zu verursachen, aber ihre Resonanzfrequenzen können normalerweise schneller geändert werden.

Obwohl die Anordnung in Fig. 7 vorgezogen wird, kann entsprechend Fig. 8 ein Steuerschema benutzt werden, was die Breite der Anwendbarkeit der Konzeption mit abstimmbarem Scanner demonstriert. Bei dieser Anordnung liefert ein frei laufender Oszillator 122 den Eingang für den Treiber 108 des Scanners 52. Dies bedeutet, daß der Scanner 52 nicht selbstschwingend mit seinem Treiber bei dieser Anordnung ist und daß die Systemresonanz nicht automatisch gesucht wird, obwohl der Oszillator 122 so ausgebildet werden kann, daß der Scanner 52 so nah bei dieser Resonanz wie gewünscht angetrieben werden kann. Der Scannerausgang wird ggf. nach einer gewissen Phaseneinstellung in einem Phasenschreiber 124 einem Frequenzteiler 126 zuge führt, dessen Ausgangsfrequenz ein Drittel seiner Eingangsfrequenz beträgt. Der Frequenzteiler 126 führt seinen Ausgang dem Treiber 114 des Scanners 50 zu.

Deshalb hält das Steuersystem in Fig. 8 eine konstante Phasenbe ziehung zwischen dem Ausgang des Scanners 52 und dem Eingang zum Scanner 50 aufrecht. Wie bereits erwähnt wurde, ist jedoch die Beziehung zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines Scanners mit hohem Q-Faktor stark veränderlich, wie beispielsweise bei einem in der Nähe der Resonanz arbeitenden Scanner 50, was der Ursprung von Problemen bei bekannten Versuchen war, Systeme mit mehrfacher Resonanz zu verwenden, um gewünschte nicht sinusförmige periodische Signale zu liefern. Ohne zusätzliche Maßnahmen würde deshalb die Phasenbeziehung zwischen den Ausgängen der Scanner 50 und 52 zu Änderungen tendieren, obwohl die Beziehung zwischen dem Ausgang des Scanners 52 und dem Eingang des Scanners 50 festliegt. Das Steuersystem in Fig. 8 hält jedoch die Phasenbeziehungen zwischen den Ausgängen konstant, wodurch die Schwierigkeiten vermieden werden können, mit denen bekannte Anordnungen behaftet sind, bei denen die Resonanzfrequenz des Scanners 50 in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem Eingang des Scanners und dessen Ausgang (oder in äquivalenter Weise zu der Phasendifferenz zwischen den Ausgängen der Scanner 50 und 52) eingestellt wird.

Bei der Ausführungsform in Fig. 8 findet ein Phasendetektor 128 Verwendung, der ähnlich wie der Phasendetektor 104 ausgebildet ist. Der Phasendetektor 128 spricht auf die Differenz zwischen den Ausgängen der beiden Scanner an, um ein Steuersignal an eine Heiz-Steuereinrichtung 130 zu liefern, ähnlich wie die Steuerschaltung 106 in Fig. 7, welche Steuer schaltung die Resonanzfrequenz des Scanners 50 einstellt. In dieser Weise wird durch die Anordnung in Fig. 8 die geeignete Phasenbeziehung zwischen den beiden harmonischen Komponenten der Bewegung des Zielpunkts beibehalten.

Claims

1. Optisches Instrument mit

A) mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem Lichtdetektor,
B) einer einen Strahlengang zwischen einem Zielpunkt in einem Objekt bereich und der Lichtquelle oder dem Detektor definierenden Ein richtung, und mit
C) einer in dem Strahlengang angeordneten Scanneranordnung, welche
i) mindestens eine Ablenkanordnung aufweist, die eine Ablenkachse aufweist und eine Resonanz sowohl bei einer ersten fundamentalen Resonanzfrequenz als auch bei einer zusätzlichen harmonischen Resonanzfrequenz aufweist, die eine Harmonische der fundamentalen Resonanzfrequenz ist, sowie
ii) einen Treibermechanismus zum Ändern der Position des Zielpunkts in Richtungen im wesentlichen parallel zu der zugeordneten Ab lenkungsachse, durch gleichzeitigen Antrieb der Ablenkanordnung ohne Resonanz und Antrieb mit Resonanz bei der fundamentalen und der harmonischen Resonanzfrequenz, wobei der Antriebsmecha nismus ein Steuersystem zur Aufrechterhaltung einer vorherbe stimmten Phasenbeziehung zwischen Komponenten der Bewegung des Zielpunkts bei den beiden Resonanzfrequenzen enthält.

2. Optisches Instrument nach Anspruch 1, wobei die Scanneranordnung

A) einen drehbar angeordneten Resonanz-Scanner aufweist, dessen Spiegel so positioniert ist, daß Licht entlang dem Strahlengang reflektiert wird, und wobei
B) ein Motor zum Drehen des Resonanz-Scanners ohne Resonanz vorgesehen ist.

3. Optisches Instrument nach Anspruch 2, wobei die Ablenkanordnung eine elastische Bewegungs-Reduziereinrichtung enthält, die den Motor mit dem Resonanz-Scanner koppelt.

4. Optisches Instrument nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Resonanz-Scanner ein reaktionsfreier Scanner ist.

5. Optisches Instrument nach Anspruch 2, wobei

A) die Ablenkanordnung einen zweiten Resonanz-Scanner getrennt von dem ersten Resonanz-Scanner aufweist, wobei die Resonanzfrequenz des ersten Resonanz-Scanners eine fundamentale oder harmonische Resonanz frequenz ist, wobei die Resonanzfrequenz des zweiten Resonanz-Scanners die andere fundamentale oder harmonische Resonanzfrequenz ist, und wobei
B) der Antriebsmechanismus getrennte erste und zweite Treiber zum Antrieb des ersten bzw. des zweiten Resonanz-Scanners aufweist, im wesentlichen bei ihren Resonanzfrequenzen, und wobei ein dritter Treiber zum An trieb des Motors ohne Resonanz vorgesehen ist.

6. Optisches Instrument nach Anspruch 1, wobei

A) die Ablenkanordnung sowohl einen Resonanz-Scanner als auch einen Scanner ohne Resonanz aufweist, deren getrennte Spiegel die Position des Zielpunkts in Richtungen ändern, die im wesentlichen parallel zu der Ablenkachse verlaufen, und wobei
B) der Treibermechanismus die Scanner mit bzw. ohne Resonanz antreibt.

7. Optisches Instrument nach Anspruch 1, wobei eine Mikroskop-Objektiv linse in dem Strahlengang angeordnet und auf den Objektbereich fokussiert ist.

8. Optisches Instrument nach Anspruch 8, wobei

A) das optische Instrument sowohl eine Lichtquelle als auch einen Lichtdetektor enthält,
B) die den Strahlengang definierende Einrichtung einen Lichtquellen- und einen Detektor-Strahlengang zwischen dem Zielpunkt und der Lichtquelle bzw. dem Detektor definiert, derart daß die beiden Strahlengänge ein gemeinsames Wegsegment aufweisen, und wobei
C) die Abtastanordnung und das Objektiv in dem gemeinsamen Wegsegment angeordnet sind.

9. Konfokales Mikroskop mit

A) einer Lichtquelle,
B) einem Lichtdetektor,
C) einer Mikroskop-Objektivlinse zur Beobachtung eines Objektbereichs,
D) einer den Strahlengang von der Lichtquelle und dem Detektor zwischen einem Objektpunkt in dem Objektbereich und der Lichtquelle bzw. dem Detektor definierenden Einrichtung, derart daß der Strahlengang der Lichtquelle und des Detektors ein gemeinsames Wegsegment auf weisen, sowie mit
E) einer Scanneranordnung, die in dem gemeinsamen Wegsegment angeordnet ist und
i) mindestens eine Ablenkanordnung aufweist, die einer Ablenkachse zugeordnet ist und eine Resonanz sowohl bei einer ersten funda mentalen Resonanzfrequenz auch bei einer zusätzlichen harmoni schen Resonanzfrequenz aufweist, die eine Harmonische der fundamentalen Resonanzfrequenz ist, sowie
ii) einen Treibermechanismus zum Antrieb der Ablenkanordnung auf weist, um die Position des Zielpunkts in Richtungen im wesentlichen parallel zu der zugeordneten Achse bei der fundamentalen und der harmonischen Resonanzfrequenz gleichzeitig zu ändern, wobei der Treibermechanismus ein Steuersystem zur Beibehaltung einer vor herbestimmten Phasenbeziehung zwischen den Komponenten der Bewegung des Zielpunkts bei den beiden Resonanzfrequenzen auf weist.

10. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 9, wobei

A) die Ablenkanordnung einen ersten Scanner aufweist, dessen Resonanz frequenz die fundamentale Resonanzfrequenz ist, und einen zweiten Scanner aufweist, dessen Resonanzfrequenz die harmonische Resonanz frequenz ist, und wobei
B) der Treibermechanismus einen ersten und einen zweiten Treiber zum Antrieb des ersten bzw. des zweiten Scanners aufweist, im wesentlichen bei deren Resonanzfrequenz.

11. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 10, wobei das Steuersystem

A) einen Phasenkomparator zum Vergleich der Phasen der Komponenten der Bewegung der Ablenkanordnung bei den beiden Resonanzfrequenzen auf weist, und wobei
B) eine Resonanzfrequenz-Steuereinrichtung vorgesehen ist, die auf den Phasenkomparator anspricht, um derart eine der Resonanzfrequenzen zu steuern, daß eine vorherbestimmte Phasenbeziehung zwischen den beiden Resonanzfrequenzkomponenten beibehalten wird.

12. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 11, wobei die Resonanzfrequenz- Steuereinrichtung ein Heizelement zum Heizen der Ablenkanordnung aufweist und eine der Resonanzfrequenzen durch Verwendung des Heizelements zum Heizen der Ablenkanordnung einstellt.

13. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 11, wobei die Resonanzfrequenz- Steuereinrichtung eine magnetische Feder enthält, die in der Ablenkan ordnung wirksam ist und die eine der Resonanzfrequenzen durch Änderung der Stromstärke einstellt, die in der magnetischen Feder vorhanden ist.

14. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 9, wobei das Steuersystem

A) einen Phasendetektor zur Erzeugung eines Ausgangs aufweist, der für die Phasendifferenz zwischen den Komponenten der Bewegung der Ablenkanordnung bei den beiden Resonanzfrequenzen repräsentativ ist, und wobei
B) eine Resonanzfrequenz-Steuereinrichtung auf den Phasendetektor an spricht, um derart eine der Resonanzfrequenzen zu steuern, daß eine vorherbestimmte Phasenbeziehung zwischen den beiden Resonanz frequenz-Komponenten beibehalten wird.

15. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 14, wobei der Treibermechanismus auf mindestens eine Resonanzfrequenzkomponente der Bewegung der Ablenkanordnung anspricht, um eine Eigenschwingung des Antriebs mechanismus und der Deflektoranordnung bei dieser Frequenz zu verursachen.

16. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 15, wobei die Resonanzfrequenz- Steuereinrichtung ein Heizelement zum Heizen der Ablenkanordnung enthält und die eine Resonanzfrequenz durch Benutzung des Heiz elements zum Erhitzen der Ablenkvorrichtung einstellt.

17. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 16, wobei der Antriebsmechanismus auf mindestens eine Resonanzfrequenzkomponente der Bewegung der Ablenkanordnung anspricht, um eine Eigenschwingung des Treiber mechanismus und der Ablenkanordnung bei dieser Frequenz zu verur sachen.

18. Konfokales Mikroskop nach Anspruch 9, wobei die Scanneranordnung eine zweite Ablenkanordnung enthält, um die Position des Zielpunkts in Richtungen im wesentlichen parallel zu einer zweiten Ablenkachse zu ändern, die im wesentlichen orthogonal zu der ersten Ablenkachse ist.