Hintergrund der Erfindung
(a) Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laser-Mikroskop und
insbesondere ein konfokales Laser-Durchstrahlungsmikroskop, das
eine Abbildung von dem Licht erzeugt, das von einer Probe
übertragen wird.
(b) Stand der Technik
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Konfokale Laser-Mikroskope tasten im allgemeinen einen
Laserlichtfleck ab, der auf eine Größe von etwa 1 Mikron entlang
einer Probe fokussiert wird. Licht mit einer Helligkeit oder
Dunkelheit in einzelnen Positionen (Punkten) wird durch einen
Fotodetektor mit Meßwandler erfasst. Ein umgewandeltes
elektrisches Signal wird integriert, um es auf einem großen Bildschirm
einer Überwachungsanzeige anzuzeigen. Dieser Typ der konfokalen
Laser-Mikroskope weist einen Vorteil dadurch auf, dass
defokussiertes Licht oder Streulicht eliminiert werden kann, weil die
Probe immer nur in einzelnen gewünschten Positionen beleuchtet
wird, so dass unnötiges Streulicht nicht mit einem gewünschten
Licht vermischt ist, und weil das Licht durch eine Lochblende
aufgenommen wird, die eine Größe aufweist, die im wesentlichen
der des die Probe abtastenden Lichtflecks in einer Position
entspricht, welche sich in einer konjugierten Position für eine
Probenebene befindet. Folglich stellen die konfokalen Laser-
Mikroskope höhere Auflösung und Kontrast im Vergleich zu
herkömmlichen optischen Mikroskopen bereit, selbst wenn die gleiche
Objektivlinse verwendet wird.
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Die konfokalen Laser-Mikroskope werden in zwei Typen unterteilt,
d. h. ein Laser-Reflexionsmikroskop, bei dem das von einer Probe
reflektierte Licht abgebildet wird, und ein
Laser-Durchstrahlungsmikroskop, bei dem das durch eine Probe übertragene Licht
abgebildet wird. Der typische Aufbau des üblichen konfokalen
Laser-Durchstrahlungsmikroskops ist in Fig. 2 schematisch
dargestellt. Dieser Typ von Laser-Mikroskop sendet polarisiertes
Laserlicht von einer Lichtquelle 1 aus. Der Lichtstrom wird
durch eine Aufweitungseinrichtung 2a verstärkt und durch einen
polarisierten Strahlenteiler 3 übertragen und mittels
Galvanometerspiegel 4 und 5, die mit Spiegeln versehene Galvanometer
sind, in Querrichtung (X) und in vertikaler Richtung (Y)
abgetastet. Das Licht wird einmal durch eine Übertragungslinse 6 in
einer Position einer Leuchtfeldblende (die einem Abbildungspunkt
einer Objektivlinse entspricht) konvergiert. Durch eine
beleuchtungsseitige Objektivlinse 8 wird das Licht übertragen und auf
einer Probe 9 und an dieser entlang als Lichtfleck abgetastet.
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Das Laserlicht, das durch die Probe 9 übertragen wurde, wird von
einer durchstrahlungsseitigen Objektivlinse 10, die der
beleuchtungsseitigen Objektivlinse 8 optisch äquivalent ist, übertragen
und auf der Fläche eines konkaven Spiegels 11 abgebildet. Dieser
Hohlspiegel 11 weist eine Reflexionsfläche auf, die um die
Pupillenposition der durchstrahlungsseitigen Objektivlinse 10
herum kugelförmig ist. Der Lichtstrom, der auf dem Spiegel 11
reflektiert wird, wird über den gleichen Strahlengang
zurückgeleitet. Ein Phasenplättchen 12 der Länge 1/4 λ, das die
Polarisationsrichtung um 45º verändert, ist zwischen dem Hohlspiegel
11 und der durchstrahlungsseitigen Objektivlinse 10 vorgesehen.
Das reflektierte Laserlicht fällt auf den oben genannten
polarisierten Strahlenteiler 3 ein. Es wurde nur das zweimal durch das
Phasenplättchen 12 der Länge 1/4 λ übertragene Licht reflektiert
und durch den Strahlenteiler 3 in senkrechter Richtung
abge
lenkt. Das aufgespaltete und abgelenkte Licht wird durch eine
Kondensorlinse 13 und eine Lochblende 14 übertragen und fällt
auf einen das Signal der Probe erfassenden Sensor 15 ein, der
Lichtempfangselemente aufweist. Das detektierte Signal wird
fotoelektrisch in ein elektrisches Signal umgewandelt und
anschließend einem Speicher zugeführt.
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In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugszahl 16 einen
Betrachtungskopf; 17 einen Umschalter für den Strahlengang, der
verwendet wird, wenn der Betrachtungskopf genutzt wird; 18 eine
Lichtquelle zur vertikalen Beleuchtung von oben; und 19 eine
Übertragungslinse für die Lichtquelle 18.
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Um das übliche konfokale Laser-Mikroskop zu nutzen, wird zuerst
ein Präparat 21 auf einem Probentisch 20 gemäß Fig. 3
angeordnet. Durch die beleuchtungsseitige Objektivlinse 8 wird Licht
auf der Oberfläche der Probe 9 fokussiert. Es ist notwendig, die
durchstrahlungsseitige Objektivlinse 10 jedesmal, wenn diese
eingestellt ist, um eine geringe Länge (L) zu verschieben oder
zu versetzen, da die Stärke der Probe in Abhängigkeit von der
Dicke des Präparates 21 unterschiedlich ist. Die Dicke des
Glasteils des Präparates weist normalerweise Abweichungen innerhalb
von etwa ± 0,3 mm von den unterschiedlichen Präparaten auf.
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Dementsprechend wird der Wandler 17 für den Strahlengang auf
übliche Weise eingeschaltet, um sich in Richtung einer optischen
Mikroskopeinheit zu bewegen, die sich auf der Seite des
Betrachtungskopfes 16 befindet. Auf der Probe wird von der Lichtquelle
18 zur vertikalen Beleuchtung von oben Licht fokussiert, indem
die beleuchtungsseitige Objektivlinse 8 eingestellt wird. Das
Bild des von dem Hohlspiegel 11 zurückgeworfenen Lichtes wird
mit dem Bild des von der Probe reflektierten Lichts überlagert,
indem die durchstrahlungsseitige Objektivlinse 10 eingestellt
wird. Danach wird der Schalter 17 für den Strahlengang auf die
Seite des Laserlichts geschaltet.
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Alternativ dazu wird die durchstrahlungsseitige Objektivlinse 10
vorher auf eine Position eingestellt, die für das eine normale
Dicke aufweisende Präparat geeignet ist. Das Fokussieren wird
mit Hilfe der optischen Mikroskopeinheit erreicht, welche die
beleuchtungsseitige Objektivlinse 8 enthält. Das Licht wird
anschließend in Laserlicht umgeschaltet. Die
durchstrahlungsseitige Objektivlinse 10 wird feineingestellt, um die höchste
Auflösung zu erzeugen, während die Abbildung auf dem
synthetischen Monitor beobachtet wird.
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Es ist außerdem ein konfokales Durchstrahlungsmikroskop, siehe
Druckschrift JP-A-288 992, bekannt, das die Merkmale des
Oberbegriffs des Patentanspruches 1 aufweist.
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Diese bekannten Systeme haben den Nachteil, dass das Fokussieren
der durchstrahlungsseitigen Objektivlinse schwierig und die
Genauigkeit gering ist, so dass es schwer ist, in der ausgegebenen
Abbildung eine hohe Auflösung zu erreichen.
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Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, eine
Anordnung bereitzustellen, bei der das einfache Fokussieren und die
Genauigkeit des Fokussierens in diesen bisherigen Anordnungen
verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung erfüllt, die die
Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 aufweist.
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Die benannte Objektivlinse kann eine Objektivlinseneinheit, die
in einer Richtung einer optischen Achse verlagerbar ist, und
eine feststehende Übertragungslinseneinheit umfassen, wobei eine
Bewegung der Objektivlinseneinheit zur Brennpunkteinstellung
keine Veränderung des Strahlenganges hinter der
Übertragungslinseneinheit bewirken wird.
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Der Strahlengang, in welchem die durchstrahlungsseitige
Objektivlinse und die feststehende Übertragungslinse angeordnet sind,
kann senkrecht zu dem Strahlengang liegen, in dem der Schalter
für den Strahlengang, der Hohlspiegel und die Zielfläche
angeordnet sind.
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Der Schalter für den Strahlengang kann zwei Reflexionsprismen
umfassen, die in Bezug auf die optische Achse der
durchstrahlungsseitigen Objektivlinse und der Übertragungslinse bewegbar
sind.
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Der Schalter für den Strahlengang kann einen Reflexionsspiegel
enthalten, der um die optische Achse der durchstrahlungsseitigen
Objektivlinse und der Übertragungslinse drehbar ist.
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In dem konfokalen Laser-Durchstrahlungsmikroskop wird eine
Einstellung der beleuchtungsseitigen Objektivlinse zum Fokussieren
erreicht, indem der Probentisch bewegt wird, während die Probe
mit der optischen Mikroskopeinheit beleuchtet wird, die dem
Stand der Technik ähnlich ist. Die durchstrahlungsseitige
Objektivlinse wird zum Fokussieren wie folgt eingestellt: Der
Strahlengang von der durchstrahlungsseitigen Objektivlinse zum
Hohlspiegel wird auf die Seite der Zielfläche geschaltet. Die Probe
wird zur Brennpunkteinstellung mit einer Lichtquelle beleuchtet.
Das Fokussieren auf die Zielfläche wird erreicht durch
Einstellen der durchstrahlungsseitigen Objektivlinse, während die Probe
durch die optische Mikroskopeinheit beobachtet wird. Beide
Objektivlinsen können zu vollkommenen konfokalen Punkten
eingestellt werden.
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Da die durchstrahlungsseitige Objektivlinse die bewegbare
Objektivlinseneinheit und die feststehende Übertragungslinseneinheit
umfasst, wird eine Brennpunkteinstellung erreicht, indem nur die
Objektivlinseneinheit bewegt wird. Folglich können der konkave
Spiegel, der Schalter für den Strahlengang und die Zielfläche,
die sich auf der Rückseite der Übertragungslinse befinden, in
einen stabilen, feststehenden Block einbezogen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigen
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Fig. 1 eine schematische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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Fig. 2 eine schematische Ansicht, die den Stand der Technik
darstellt; und
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Fig. 3(A) und 3(B) Ansichten, um die Verschiebungen der
Objektivlinseneinheiten von konfokalen
Laser-Durchstrahlungsmikroskopen des Standes der Technik miteinander zu vergleichen.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird jetzt
mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Gleiche Teile, die denjenigen
des oben genannten Standes der Technik entsprechen, werden in
allen Zeichnungen durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet. Eine
ausführliche Beschreibung von gleichen Teilen wird weggelassen.
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Das Ausführungsbeispiel ist mit dem Stand der Technik gemäß Fig.
2 identisch im Aufbau des optischen Systems von der Lichtquelle
1 zum Aussenden von polarisiertem Laserlicht auf die Probe 9 und
der optischen Mikroskopeinheit von der Lichtquelle zur
vertikalen Beleuchtung von oben und dem Betrachtungskopf 17 auf die
Probe 9 mit Ausnahme des Merkmals, das anschließend beschrieben
wird. Dementsprechend wird deren Beschreibung weggelassen.
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In dem Ausführungsbeispiel umfasst die durchstrahlungsseitige
Objektivlinse 10 unter dem Probentisch 20 eine
Übertragungslinseneinheit 10b, deren Position feststehend ist, und eine
Objektivlinseneinheit 10b, die derart einbezogen ist, dass sie
relativ zu dieser Übertragungslinse 10b verlagerbar ist. Die
Objektivlinseneinheit 10a umfasst eine Linse mit Eigenschaften, die
denen einer Objektivlinse entsprechen, die eine unendliche Länge
aufweist, und die Objektivlinseneinheit umfasst eine Linse mit
Eigenschaften, die denen eines Abbildungsobjektivs entsprechen,
das der Objektivlinse eines Teleskops ähnlich ist. Die
Wirkungsweise des optischen Systems hinter der Übertragungslinseneinheit
10b ist nicht verändert, selbst wenn der Abstand zwischen der
Objektivlinseneinheit 10a und der Übertragungslinseneinheit 10b
verändert wird.
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Auf der Rückseite des Phasenplättchens 12 der Länge 1/4 R, das
sich in dem Strahlengang auf der Rückseite der
durchstrahlungsseitigen Objektivlinse 10 befindet, ist ein Schalter 24 für den
Strahlengang vorgesehen. Der optische Schalter 24 weist die
Prismen 24a, 24b mit Totalreflexion auf, um den Strahlengang in
zwei senkrechten Richtungen zu verändern. Das eine Prisma 24a
mit Totalreflexion ist ausgelegt, um den Strahlengang auf den
konkaven Spiegel 11 hin in senkrechter Richtung abzulenken. Das
andere Prisma 24b mit Totalreflexion ist ausgelegt, um den
Strahlengang in Richtung des Brennpunktes einer Zielfläche 25
abzulenken.
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Der Hohlspiegel 11 hat eine konkave Fläche in einer Position, in
der das von dem Prisma 24a reflektierte Laserlicht von der
durchstrahlungsseitigen Objektivlinse 10 abgebildet wird. Die konkave
Fläche weist einen Mittelpunkt auf, der in der Pupillenposition
der Objektivlinse 10 angeordnet ist.
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Die Zielfläche 25 weist zum Beispiel einen kreisförmigen Ring
auf und ist in einer Abbildungsposition des
durchstrahlungsseitigen Objektivs in ähnlicher Weise wie die Reflexionsfläche des
konkaven Spiegels 11 angeordnet. Die Zielfläche 25 wird mit
einer Lichtquelle 27 durch die Übertragungslinse 26 beleuchtet.
Die Bauteile auf der Rückseite der Übertragungslinse 26 sind in
einem fest installierten Block 30 befestigt. Die Prismen 24a und
24b können durch ein einziges, drehbares Prisma ersetzt werden.
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Das auf diese Weise gebildete Laser-Mikroskop emittiert ähnlich
wie das herkömmliche Mikroskop gemäß Fig. 1 polarisiertes
Laserlicht von der Lichtquelle 1. Das emittierte Licht wird durch die
Aufweitungseinrichtung 2, den polarisierten Strahlenteiler 3,
die Galvanometerspiegel 4 und 5, die Übertragungslinse 6 sowie
die Bildfeldlinse und beleuchtungsseitige Objektivlinse 8
übertragen. Das Laserlicht wird auf der Probe 9 als ein Lichtfleck
fokussiert und an diesem entlang abgetastet. Das Licht, welches
durch die Probe 9 übertragen wurde, wird von der
durchstrahlungsseitigen Objektivlinse 10 übertragen und durch das
Reflexionsprisma 24a abgelenkt und auf dem konkaven Spiegel 11
zurückgeworfen. Das reflektierte Licht wird entlang des gleichen
Strahlenganges umgekehrt, um den polarisierten Strahlenteiler 3
zu erreichen. Es wird nur das zurückgeworfene Licht reflektiert
und in senkrechter Richtung abgelenkt, wobei es durch die
Kondensorlinse 13 übertragen und durch den das Probensignal
erfassenden Sensor, der Fotoempfangselemente aufweist, detektiert
wird.
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Die Einstellung der beleuchtungsseitigen Objektivlinse zum
Fokussieren wird durchgeführt, indem die Andruckplatte 20 für die
Probe abgesenkt und angehoben wird, während man durch den
Betrachtungskopf 17 die Probe beobachtet, die durch eine gemäß
Fig. 1 gezeigte vertikale Lichtquelle zur Beleuchtung von oben
beleuchtet wird.
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Die Einstellung der durchstrahlungsseitigen Objektivlinse 10 zum
Fokussieren auf die Zielfläche 25 wird durchgeführt, indem der
Schalter 24 für den Strahlengang in den Strahlengang auf der
Seite der Zielfläche 25 geschaltet wird, indem die Lichtquelle
eingeschaltet und nur die Objektivlinseneinheit 10a bewegt wird,
während der Betrachtungskopf 17 beobachtet wird, ohne die
Lichtquelle 18 zu verwenden.
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Nachdem beide Objektivlinsen 8 und 10 eingestellt wurden, wird
der obere Schalter 17 für den Strahlengang betätigt, um den
Strahlengang von der optischen Mikroskopeinheit auf die das
Laserlicht emittierende Seite des Strahlengangs zu schalten, und
der untere Schalter 24 wird betätigt, um den Strahlengang auf
die Seite des Hohlspiegels 11 zu schalten. Die oben genannte
Beobachtung mit Laserlicht wird durchgeführt.
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Alternativ dazu kann eine Einstellung der beleuchtungsseitigen
Objektivlinse 8 zum Fokussieren auf die Probe durchgeführt
werden, während sie mit der Lichtquelle anstelle der vertikalen
Lichtquelle 18 zur Beleuchtung von oben beleuchtet wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Zielfläche der
Fokussierung in einer Position angeordnet, die dem Hohlspiegel in einem
Strahlengang optisch hinter der durchstrahlungsseitigen
Objektivlinse entspricht. Die Einstellung der Fokussierung wird beim
Beobachten durch die optische Mikroskopeinheit durchgeführt.
Somit kann eine Einstellung der durchstrahlungsseitigen
Objektivlinse zum Fokussieren leicht, schnell und mit höherer
Genauigkeit erreicht werden.
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Die durchstrahlungsseitige Objektivlinse umfasst die
Objektivlinseneinheit und die Übertragungslinseneinheit. Eine Bewegung
der Objektivlinseneinheit allein wird den Strahlengang hinter
der Übertragungslinseneinheit nicht verändern.
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Bauteile des optischen Systems, einschließlich der
Übertragungslinseneinheit, des darauf folgenden Hohlspiegels und der bis zur
Zielfläche vorhandenen Bauteile können in einem gemeinsamen,
fest installierten Block einbezogen sein. Folglich ergibt sich
ein hochpräzises, konfokales Laser-Durchstrahlungsmikroskop, in
dem die optischen Achsen vor und hinter dem Probentisch absolut
zueinander ausgerichtet sind.