WO2005062102A1 - Device for the confocal optical scanning of an object - Google Patents

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WO2005062102A1
WO2005062102A1 PCT/DE2004/002354 DE2004002354W WO2005062102A1 WO 2005062102 A1 WO2005062102 A1 WO 2005062102A1 DE 2004002354 W DE2004002354 W DE 2004002354W WO 2005062102 A1 WO2005062102 A1 WO 2005062102A1
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WO
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mirror
optical
plane
focus
optical beam
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PCT/DE2004/002354
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Inventor
Joachim Janes
Ulrich Hofmann
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes

Definitions

  • the invention relates to a device for confocal optical scanning of an object, with an optical device for generating a first focus or an area with a small beam cross section of an injected optical beam in a first plane, a first mirror with a central aperture for the passage of the optical Beam from a back of the first mirror and a second mirror, which is arranged opposite the first mirror so that the optical beam passing through the aperture of the first mirror from the back is reflected on the first mirror.
  • Devices for confocal optical scanning of objects can be used in many technical fields in which an almost point-like scanning scanning of a surface is required.
  • Examples of this are bar code readers, scanning displays, detection devices for fingerprints or also confocal imaging, for example in confocal microscopy.
  • focusing an optical beam on the opening of a pinhole causes an approximately punctiform light source, which is mapped onto the object surface via an optical system.
  • the beam reflected from the object surface is in turn imaged on a pinhole, behind which the light passing through the pinhole can be detected. Only points on the surface of the object that are confocal with the punctiform light source and the detector-side pinhole contribute significantly to the detected light.
  • the resolution of the system is thus determined via the size of the pinhole opening. A larger area of the object surface can be scanned by scanning movement of the optical beam striking the object or by moving the object in the beam.
  • a device for confocal optical scanning of an object is described, for example, in US Pat. No. 6,172,789 B1.
  • This device comprises an optical waveguide from which the optical beam emerges and from the rear through a central aperture of a first
  • Plane mirror passes through.
  • the exit surface of the optical waveguide fiber represents an approximately punctiform light source.
  • the light beam strikes a second plane mirror arranged opposite the first mirror, through which it is reflected on the first mirror.
  • the light beam reflected by the first mirror is focused on an object surface to be examined via a lens.
  • the first mirror can be tilted about one or two axes, so that a larger object area can be scanned with the light beam by controlled tilting of this mirror.
  • the beam path of a portion of the reflection from the object surface tated light corresponds identically to the beam path of the incident optical beam, so that this reflected light beam re-enters the optical fiber.
  • the intensity of this reflected light beam can then be detected by a detector using a glass fiber switch.
  • a tiltable mirror with a central aperture is complex in terms of production technology, in particular if this mirror is a micromirror. Furthermore, reflections can occur on the focusing lens in front of the object, which can interfere with the detection of the radiation reflected from the object.
  • An optical transmission system is known from DE 195 03 675 C2, in which a laser beam is coupled into an optical fiber.
  • the laser beam passes through a central opening in a fixed concave mirror and strikes a rotatable plane mirror, which reflects it onto the concave mirror in such a way that the laser beam is focused at a desired angle on the entry surface of the optical waveguide.
  • the object of the present invention is to provide a device for confocal optical scanning of an object, which is simple to manufacture and can be used both for scanning illumination or illumination of an object and for detecting the light reflected on the object surface. DESCRIPTION OF THE INVENTION The object is achieved with the device according to claim 1. Advantageous embodiments of the device can be found in the following description and the exemplary embodiment.
  • the present device for confocal optical scanning of an object comprises an optical device for generating a first focus or an area of small beam cross section of an injected optical beam in a first plane, a first mirror with a central aperture for the passage of the optical beam from a rear side of the first Mirror, a second mirror which is arranged opposite the first mirror in such a way that the optical beam passing through the aperture of the first mirror from the rear is reflected on the first mirror, the second mirror being a mirror which can be tilted about at least one axis, by tilting it over the reflection on the first mirror, an area of an object plane can be scanned with the optical beam.
  • the first mirror is designed as a concave mirror and the optical device and the concave mirror can be coordinated with one another in such a way that the optical beam, after reflection on the concave mirror, forms a second focus confocal to the first focus or the area of the small beam cross section in the object plane.
  • an area of small beam cross section is to be understood as a beam cross section which, comparable to a focus, can be viewed as an approximately point-shaped light source.
  • objects can be scanned point-by-point in the object plane due to the confocal structure.
  • the beam returning on the identical beam path and reflected from the object surface can be detected, so that a scanning image of the surface is obtained, for example for the area of confocal microscopy.
  • the through opening or aperture in the concave mirror can be produced more easily than an aperture in a tiltable micromirror.
  • the optical device is composed of an adjustable condenser optical system, in which the coupled optical beam, which can also be brought in by an optical fiber, is focused on the first level via at least one first condenser lens and then with at least one second condenser lens is shaped so that the second focus lies in the object plane in coordination with the concave mirror.
  • a pinhole is arranged in the first level and blocks light radiation propagating outside the first focus. Through this first focus in connection with the pinhole, the optical device thus at least becomes one approximately point-shaped light source is provided, which is confocal to the second focus in the object plane.
  • the optical device comprises an optical fiber with an upstream condenser lens.
  • the optical beam coupled into the optical fiber emerges from the output surface of the optical fiber, which, due to the small cross section of the output surface, represents an approximately point-shaped light source.
  • the emerging optical beam is shaped in coordination with the concave mirror so that the second focus forms in the object plane.
  • the output surface of the optical fiber is confocal on the first level to the second focus.
  • Different light sources can be used to generate the optical beam, which allow beam shaping with appropriate optics.
  • the tiltable second mirror is preferably a micromirror manufactured using microsystems technology, so that the scannable surface of the object is only insignificantly shadowed by this mirror.
  • the structure, the production and the mode of operation of such a micromirror are known to the person skilled in the art and can be found, for example, in DE 19941363, the disclosure content of which with respect to this micromirror is part of the present patent application.
  • a parabolic mirror is preferably used for concave mirrors.
  • the optical device To use the present device for detecting the radiation reflected from the object surface, the optical device must have means for separating the returning reflected radiation from the coupled radiation. In one embodiment of the present invention, this is done with the aid of a beam splitter in the beam path of the injected optical beam before it enters the condenser optics.
  • a beam splitter cube When using a polarizing beam splitter cube, by using a polarization filter in front of the detector, the one returning can be deflected by the beam splitter cube
  • the optical device comprises an optical waveguide
  • the separation or splitting between the injected and the returning beam can be achieved via a fiber optic coupler.
  • a scanning image of the object surface can be generated by recording the intensity of the returning light beam as a function of the angular positions of the tilting axes of the tiltable mirror.
  • the angular positions of the tiltable mirror can easily be converted into Cartesian coordinates of the image plane.
  • the present device can be used in all technical fields in which a point-by-point scanning of an object surface using an optical beam is required. This applies both to lighting tasks, for example in the case of scanning displays, and to the area of imaging or examining the object surface by detecting the reflected light, such as, for example, in confocal microscopy.
  • the device can also be used to scan self-illuminating objects or objects illuminated by other light sources, in which case no optical beam is coupled in, but only the proportion of light emanating from the object is recorded as a function of the tilt angles.
  • Figure 1 shows a first example of a structure of the present device in a schematic representation.
  • Fig. 2 shows a second example of a structure of the present device in a schematic representation.
  • the device is composed of the optical device 6, the concave mirror 10 with the central through opening 11 and the micromirror 12 which can be tilted in two mutually perpendicular axes.
  • the light beam 1, which is coupled into the optical device 6, can be generated by a laser light source 15.
  • the optical device 6 is composed of a beam splitter cube 2, a first condenser lens 3, a second condenser lens 4 and the pinhole 5 in the first plane 30.
  • the beam splitter cube 2 is used to couple the light beam reflected by the object to a detector 9, which detects the intensity of this light beam as a function of the position of the micromirror 12.
  • the light beam 1 coupled into the device first strikes the beam splitter cube 2, from which it is split into a reflected beam (not shown) and a transmitted beam.
  • the reflected beam is irrelevant to the function of the present device.
  • the lens system consisting of the first condenser lens 3 and the second condenser lens 4
  • the light beam 1 is processed in such a way that on the one hand it has a first focal point 13 in the opening of the perforated diaphragm 5 in the first plane 30 and on the other hand the second one generated via the concave mirror 10 Focus 14 lies exactly in the object plane 20.
  • the two lenses 3, 4 of the optical device 6 serve primarily for beam shaping and can be adjusted in particular with regard to their distance and the distance to the concave mirror 10.
  • the beam emerging from the optical device 6 passes through the aperture 11 in the concave mirror 10 and strikes the micromirror 12 movable in two axes, as is known, for example, from the aforementioned DE 19941363.
  • micromirrors are used.
  • the advantage of a micromirror that can be tilted in two axes is that it can be used to scan an area in the object plane 20 without significantly reducing the size of this area by shading.
  • the beam incident through the aperture 11 is deflected by the tiltable micromirror 12 onto the reflecting surface of the concave mirror 10, which is preferably designed as a parabolic mirror. Instead of a parabolic mirror, a spherical mirror can also be used, for example.
  • the combination of the second condenser lens 4 and the concave mirror 10 with a suitable focal length defines a focal plane which is also the image or object plane 20 in which the object surface to be examined lies.
  • the detection light passes through the beam splitter cube 2 and is reflected downwards by the latter in the present example in FIG. 1 onto a detector 9, which detects the intensity of the reflected beam. This intensity is proportional to the intensity reflected by the object surface and is recorded as a function of the tilt angle of the two axes of the tiltable mirror 12.
  • This intensity as a function of the tilt angle of the two axes of the tiltable mirror 12 can be represented as an image using suitable software.
  • a polarizing beam splitter cube 2 is used. Provided that the injected laser light is linearly polarized (direction of polarization perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1), in the detection direction at the exit of the
  • a corresponding linear polarization filter can be used in front of the detector 9 in the beam splitter cube 2.
  • the detection intensity is reduced by a little more than a factor of 2, but at the same time all scattering intensities of the linearly polarized laser light are noticeably reduced.
  • all optical surfaces of the present device can be anti-reflective for the corresponding wavelength of the laser light.
  • one can also be made of optical fibers Use the optical device 6 formed according to FIG. 2.
  • the light from the laser light source 15 is coupled into the optical waveguide 7.
  • a condenser lens 4 is used at its output, which adjusts the output characteristic of the laser light from the optical fiber or the coupling characteristic of the detection light into the fiber. Due to its small cross-section, the output surface of the optical waveguide 7 lying in the plane 30 represents an approximately punctiform light source comparable to the focus 13 within the pinhole 5 of FIG. 1.
  • the further beam path is identical to that of the device of FIG. 1.
  • the lens 4 and the concave mirror 10 is matched to one another in order to generate the focus 14 in the image or object plane 20.
  • a fiber-optic coupler 8 can be used for coupling out the returning detection light into the detector 9, as illustrated in FIG. 2.

Abstract

The invention relates to a device for the confocal optical scanning of an object. Said device comprises an optical apparatus (6) for generating a first focus (13) of an injected optical beam (1) on a first plane (30), a first mirror (10) with a central aperture (11) for allowing the optical beam (1) to penetrate from a rear face of the first mirror (10), a second mirror (12) which is disposed in relation to the first mirror (10) such that the optical beam (1) penetrating the aperture (11) of the first mirror (10) from the rear face thereof is reflected onto the first mirror (10). The inventive device is characterized in that the first mirror represents a concentrating reflector (10) while the second mirror (12) is embodied as a mirror that can be tilted about at least one axis, tilting thereof making it possible to scan an area of an object plane (20) by means of the optical beam (1). Furthermore, the optical apparatus (6) and the concentrating reflector (10) are coordinated in such a way that the optical beam (1) forms a second focus (14) on the object plane (20) after being reflected on the concentrating reflector (10), said second focus (14) being confocal to the first focus (13). The inventive device can be produced in a simple manner and can be used for both illuminating an object point by point in a scanning fashion and scanning the object point by point.

Description

Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts Device for confocal optical scanning of an object
Technisches Anwendungsgebiet Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts, mit einer optischen Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Fokus oder eines Bereiches mit kleinem Strahlquerschnitt eines eingekoppelten optischen Strahls in einer ersten Ebene, einem ersten Spiegel mit einer zentralen Apertur für den Durchtritt des optischen Strahls von einer Rückseite des ersten Spiegels und einem zweiten Spiegel, der dem ersten Spiegel gegenüber so angeordnet ist, dass der von der Rückseite durch die Apertur des ersten Spiegels hindurch tretende optische Strahl auf den ersten Spiegel reflektiert wird.TECHNICAL FIELD OF APPLICATION The invention relates to a device for confocal optical scanning of an object, with an optical device for generating a first focus or an area with a small beam cross section of an injected optical beam in a first plane, a first mirror with a central aperture for the passage of the optical Beam from a back of the first mirror and a second mirror, which is arranged opposite the first mirror so that the optical beam passing through the aperture of the first mirror from the back is reflected on the first mirror.
Vorrichtungen zum konfokalen optischen Abtasten von Objekten können in vielen technischen Bereichen eingesetzt werden, in denen ein nahezu punktförmiges scannendes Abtasten einer Oberfläche erforderlich ist.Devices for confocal optical scanning of objects can be used in many technical fields in which an almost point-like scanning scanning of a surface is required.
Beispiele hierfür sind Bar-Code Leser, scannende Displays, Detektionsvorrichtungen für Fingerabdrücke oder auch die konfokale Bilderzeugung, bspw. bei der konfokalen Mikroskopie.Examples of this are bar code readers, scanning displays, detection devices for fingerprints or also confocal imaging, for example in confocal microscopy.
Stand der Technik Bei einem konfokalen optischen Aufbau wird durch Fokussierung eines optischen Strahls auf die Öffnung einer Lochblende eine annähernd punktförmige Licht- quelle bereit gestellt, die über ein optisches System auf die Objektoberfläche abgebildet wird. Der von der Objektoberfläche reflektierte Strahl wird wiederum auf eine Lochblende abgebildet, hinter der das durch die Lochblende hindurch tretende Licht detektiert werden kann. Nur Punkte der Objektoberfläche, die konfokal mit der punktförmigen Lichtquelle sowie der detektor- seitigen Lochblende liegen, tragen wesentlich zum detektierten Licht bei. Über die Größe der Lochblenden- Öffnung wird somit die Auflösung des Systems bestimmt. Durch scannende Bewegung des auf das Objekt auf- treffenden optischen Strahls oder durch Bewegung des Objektes in dem Strahl kann ein größerer Bereich der Objektoberfläche abgetastet werden.PRIOR ART In the case of a confocal optical construction, focusing an optical beam on the opening of a pinhole causes an approximately punctiform light source, which is mapped onto the object surface via an optical system. The beam reflected from the object surface is in turn imaged on a pinhole, behind which the light passing through the pinhole can be detected. Only points on the surface of the object that are confocal with the punctiform light source and the detector-side pinhole contribute significantly to the detected light. The resolution of the system is thus determined via the size of the pinhole opening. A larger area of the object surface can be scanned by scanning movement of the optical beam striking the object or by moving the object in the beam.
Eine Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts ist bspw. in der US 6172789 Bl beschrieben. Diese Vorrichtung umfasst einen Licht- Wellenleiter, aus dem der optische Strahl aus- und von der Rückseite durch eine zentrale Apertur eines erstenA device for confocal optical scanning of an object is described, for example, in US Pat. No. 6,172,789 B1. This device comprises an optical waveguide from which the optical beam emerges and from the rear through a central aperture of a first
Planspiegels hindurchtritt. Die Austrittsfläche der Lichtwellenleiterfaser repräsentiert hierbei eine annähernd punktförmige Lichtquelle. Der Lichtstrahl trifft auf einen, dem ersten Spiegel gegenüber angeordneten zweiten Planspiegel, durch den er auf den ersten Spiegel reflektiert wird. Über eine Linse wird der vom ersten Spiegel reflektierte Lichtstrahl auf eine zu untersuchende Objektoberfläche fokussiert . Der erste Spiegel ist um eine oder zwei Achsen kippbar ausgebildet, so dass über eine kontrollierte Verkippung dieses Spiegels ein größerer Objektbereich mit dem Lichtstrahl abgetastet werden kann. Der Strahlengang eines Anteils des von der Objektoberfläche reflek- tierten Lichtes entspricht identisch dem Strahlengang des einfallenden optischen Strahls, so dass dieser reflektierte Lichtstrahl wieder in die Lichtleitfaser eintritt . Über eine Glasfaserweiche kann die Intensität dieses reflektierten Lichtstrahls dann mit einem Detektor erfasst werden.Plane mirror passes through. The exit surface of the optical waveguide fiber represents an approximately punctiform light source. The light beam strikes a second plane mirror arranged opposite the first mirror, through which it is reflected on the first mirror. The light beam reflected by the first mirror is focused on an object surface to be examined via a lens. The first mirror can be tilted about one or two axes, so that a larger object area can be scanned with the light beam by controlled tilting of this mirror. The beam path of a portion of the reflection from the object surface tated light corresponds identically to the beam path of the incident optical beam, so that this reflected light beam re-enters the optical fiber. The intensity of this reflected light beam can then be detected by a detector using a glass fiber switch.
Die Bereitstellung eines kippbaren Spiegels mit einer zentralen Apertur ist herstellungstechnisch aufwendig, insbesondere wenn es sich bei diesem Spiegel um einen Mikrospiegel handelt. Weiterhin können an der fokussierenden Linse vor dem Objekt Reflektionen auftreten, die den Nachweis der vom Objekt reflektierten Strahlung stören können.The provision of a tiltable mirror with a central aperture is complex in terms of production technology, in particular if this mirror is a micromirror. Furthermore, reflections can occur on the focusing lens in front of the object, which can interfere with the detection of the radiation reflected from the object.
Aus der DE 195 03 675 C2 ist ein optisches Übertragungssystem bekannt, bei dem ein Laserstrahl in eine optische Faser eingekoppelt wird. Der Laserstrahl tritt dabei in einer Ausgestaltung des Systems durch eine zentrale Öffnung in einem festen Hohlspiegel hindurch und trifft auf einen drehbaren Planspiegel, der ihn so auf den Hohlspiegel reflektiert, dass der Laserstrahl unter einem gewünschten Winkel auf die Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters fokussiert wird.An optical transmission system is known from DE 195 03 675 C2, in which a laser beam is coupled into an optical fiber. In one configuration of the system, the laser beam passes through a central opening in a fixed concave mirror and strikes a rotatable plane mirror, which reflects it onto the concave mirror in such a way that the laser beam is focused at a desired angle on the entry surface of the optical waveguide.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts anzugeben, die sich einfach herstellen und sowohl zum scannenden Ausleuchten oder Beleuchten eines Objekts als auch zum Nachweis des an der Objektoberfläche reflektierten Lichts einsetzen lässt . Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object of the present invention is to provide a device for confocal optical scanning of an object, which is simple to manufacture and can be used both for scanning illumination or illumination of an object and for detecting the light reflected on the object surface. DESCRIPTION OF THE INVENTION The object is achieved with the device according to claim 1. Advantageous embodiments of the device can be found in the following description and the exemplary embodiment.
Die vorliegende Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts umfasst eine optische Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Fokus oder eines Bereiches kleinen Strahlquerschnitts eines eingekoppelten optischen Strahls in einer ersten Ebene, einem ersten Spiegel mit einer zentralen Apertur für den Durchtritt des optischen Strahls von einer Rückseite des ersten Spiegels, einem zweiten Spiegel, der dem ersten Spiegel gegenüber so angeordnet ist, dass der von der Rückseite durch die Apertur des ersten Spiegels hindurch tretende optische Strahl auf den ersten Spiegel reflektiert wird, wobei der zweite Spiegel ein um zumindest eine Achse kippbarer Spiegel ist, durch dessen Verkippung über die Reflexion am ersten Spiegel ein Bereich einer Objektebene mit dem optischen Strahl abtastbar ist. Bei der vorliegenden Vorrichtung ist der erste Spiegel als Hohlspiegel ausgebildet und die optische Einrichtung und der Hohlspiegel sind so aufeinander abstimmbar, dass der optische Strahl nach Reflektion am Hohlspiegel konfokal zum ersten Fokus oder dem Bereich kleinen Strahlquerschnitts in der Objektebene einen zweiten Fokus bildet. Unter einem Bereich kleinen Strahlquerschnitts ist in diesem Zusammenhang ein Strahlquerschnitt zu verstehen, der vergleichbar einem Fokus als eine annähernd punkt- förmige Lichtquelle angesehen werden kann. Mit der vorliegenden Vorrichtung lassen sich durch den konfokalen Aufbau Objekte in der Objektebene punktförmig abtasten. Weiterhin lässt sich bei entsprechender Ausgestaltung der optischen Einrichtung der auf dem identischen Strahlengang zurücklaufende, von der Objektoberfläche reflektierte Strahl detektieren, so dass ein Abtastbild der Oberfläche, bspw. für den Bereich der konfokalen Mikroskopie, erhalten wird. Die Durchgangsöffnung bzw. Apertur im Hohlspiegel lässt sich einfacher herstellen als eine Apertur in einem kippbaren Mikrospiegel . Durch die Ausbildung des ersten Spiegels als Hohlspiegel ist keine weitere Linse zwischen dem kippbaren Spiegel und dem Objekt erforderlich, so dass keine störenden Reflektionen auftreten können. Weiterhin bewirkt der Einsatz eines Hohlspiegels anstelle einer Linse geringere Abbildungsfehler .The present device for confocal optical scanning of an object comprises an optical device for generating a first focus or an area of small beam cross section of an injected optical beam in a first plane, a first mirror with a central aperture for the passage of the optical beam from a rear side of the first Mirror, a second mirror which is arranged opposite the first mirror in such a way that the optical beam passing through the aperture of the first mirror from the rear is reflected on the first mirror, the second mirror being a mirror which can be tilted about at least one axis, by tilting it over the reflection on the first mirror, an area of an object plane can be scanned with the optical beam. In the present device, the first mirror is designed as a concave mirror and the optical device and the concave mirror can be coordinated with one another in such a way that the optical beam, after reflection on the concave mirror, forms a second focus confocal to the first focus or the area of the small beam cross section in the object plane. In this context, an area of small beam cross section is to be understood as a beam cross section which, comparable to a focus, can be viewed as an approximately point-shaped light source. With the present device, objects can be scanned point-by-point in the object plane due to the confocal structure. Furthermore, with a corresponding design of the optical device, the beam returning on the identical beam path and reflected from the object surface can be detected, so that a scanning image of the surface is obtained, for example for the area of confocal microscopy. The through opening or aperture in the concave mirror can be produced more easily than an aperture in a tiltable micromirror. By designing the first mirror as a concave mirror, no further lens is required between the tiltable mirror and the object, so that no disturbing reflections can occur. Furthermore, the use of a concave mirror instead of a lens causes fewer aberrations.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung setzt sich die optische Einrichtung aus einer justierbaren Kondensoroptik zusammen, bei der der eingekoppelte optische Strahl, der auch von einer Lichtleitfaser herangeführt werden kann, über zumindest eine erste Kondensorlinse auf die erste Ebene fokussiert wird und anschließend mit zumindest einer zweiten Kondensorlinse so geformt wird, dass in Abstimmung mit dem Hohlspiegel der zweite Fokus in der Objektebene liegt. In der ersten Ebene ist eine Lochblende angeordnet, die außerhalb des ersten Fokus propagierende Lichtstrahlung blockiert. Durch diesen ersten Fokus in Verbindung mit der Lochblende wird somit durch die optische Einrichtung eine zumindest annähernd punktformige Lichtquelle bereitgestellt, die konfokal zum zweiten Fokus in der Objektebene liegt.In a preferred embodiment of the present device, the optical device is composed of an adjustable condenser optical system, in which the coupled optical beam, which can also be brought in by an optical fiber, is focused on the first level via at least one first condenser lens and then with at least one second condenser lens is shaped so that the second focus lies in the object plane in coordination with the concave mirror. A pinhole is arranged in the first level and blocks light radiation propagating outside the first focus. Through this first focus in connection with the pinhole, the optical device thus at least becomes one approximately point-shaped light source is provided, which is confocal to the second focus in the object plane.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung umfasst die optische Einrichtung eine Lichtleitfaser mit einer vorgeschalteten Kondensorlinse. Der in die Lichtleitfaser eingekoppelte optische Strahl tritt aus der Ausgangsfläche der Lichtleitfaser aus, die aufgrund des geringen Querschnitts der Ausgangsfläche eine annähernd punktformige Lichtquelle darstellt. Mit Hilfe der nachgeschalteten Kondensorlinse wird der austretende optische Strahl in Abstimmung mit dem Hohlspiegel so geformt, dass sich der zweite Fokus in der Objektebene bildet. Die Ausgangs- fläche der Lichtleitfaser liegt in der ersten Ebene konfokal zum zweiten Fokus .In a further embodiment of the present device, the optical device comprises an optical fiber with an upstream condenser lens. The optical beam coupled into the optical fiber emerges from the output surface of the optical fiber, which, due to the small cross section of the output surface, represents an approximately point-shaped light source. With the help of the downstream condenser lens, the emerging optical beam is shaped in coordination with the concave mirror so that the second focus forms in the object plane. The output surface of the optical fiber is confocal on the first level to the second focus.
Für die Erzeugung des optischen Strahls lassen sich unterschiedliche Lichtquellen einsetzen, die eine Strahlformung mit entsprechenden Optiken zulassen.Different light sources can be used to generate the optical beam, which allow beam shaping with appropriate optics.
Vorzugsweise wird aufgrund der besonderen Strahl- eigenschaften beim Einsatz der Vorrichtung ein Laser eingesetzt . Der kippbare zweite Spiegel ist vorzugsweise ein mikrosystemtechnisch hergestellter Mikrospiegel, so dass die abtastbare Fläche des Objektes durch diesen Spiegel nur unwesentlich abgeschattet wird. Der Aufbau, die Herstellung sowie die Betriebsweise eines derartigen Mikrospiegels sind dem Fachmann bekannt und können bspw. der DE 19941363 entnommen werden, deren Offenbarungsgehalt im Hinblick auf diesen Mikrospiegel Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung ist. Als Hohlspiegel wird vorzugsweise ein Parabolspiegel eingesetzt .Due to the special beam properties, a laser is preferably used when the device is used. The tiltable second mirror is preferably a micromirror manufactured using microsystems technology, so that the scannable surface of the object is only insignificantly shadowed by this mirror. The structure, the production and the mode of operation of such a micromirror are known to the person skilled in the art and can be found, for example, in DE 19941363, the disclosure content of which with respect to this micromirror is part of the present patent application. As A parabolic mirror is preferably used for concave mirrors.
Für einen Einsatz der vorliegenden Vorrichtung zum Nachweis der von der Objektoberfläche reflektierten Strahlung muss die optische Einrichtung Mittel zur Trennung der zurücklaufenden, reflektierten Strahlung von der eingekoppelten Strahlung aufweisen. Dies erfolgt in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines Strahlteilers im Strahlengang des eingekoppelten optischen Strahls vor dem Eintritt in die Kondensoroptik. Bei Einsatz eines polarisierenden Strahlteilerwürfels kann durch Einsatz eines Polarisationsfilters vor dem Detektor, der den zurück- laufenden, durch den Strahlteilerwürfel abgelenktenTo use the present device for detecting the radiation reflected from the object surface, the optical device must have means for separating the returning reflected radiation from the coupled radiation. In one embodiment of the present invention, this is done with the aid of a beam splitter in the beam path of the injected optical beam before it enters the condenser optics. When using a polarizing beam splitter cube, by using a polarization filter in front of the detector, the one returning can be deflected by the beam splitter cube
Strahl erfasst, eine höhere Nachweisempfindlichkeit bei einem geringeren Anteil an störendem Streulicht erreicht werden. In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, bei der die optische Einrichtung einen Lichtwellenleiter umfasst, kann die Trennung bzw. Aufspaltung zwischen eingekoppeltem und zurücklaufendem Strahl über einen faseroptischen Koppler erreicht werden.Beam detected, a higher detection sensitivity can be achieved with a lower proportion of disturbing scattered light. In a further embodiment of the present device, in which the optical device comprises an optical waveguide, the separation or splitting between the injected and the returning beam can be achieved via a fiber optic coupler.
Durch Aufzeichnung der Intensität des zurücklaufenden Lichtstrahls als Funktion der Winkelstellungen der Kippachsen des kippbaren Spiegels lässt sich ein Abtastbild der Objektoberfläche erzeugen. Die Winkelstellungen des kippbaren Spiegels können dabei problemlos in kartesische Koordinaten der Bildebene umgerechnet werden. Die vorliegende Vorrichtung lässt sich in allen technischen Bereichen einsetzen, in denen eine punktweise scannende Abtastung einer Objektoberfläche mit Hilfe eines optischen Strahls erforderlich ist. Dies betrifft sowohl Beleuchtungsaufgaben, bspw. bei scannenden Displays, als auch den Bereich der Abbildung oder Untersuchung der Objektoberfläche durch Detektion des reflektierten Lichtes, wie bspw. bei der konfokalen Mikroskopie. Auch zum Scannen von selbstleuchtenden oder durch andere Lichtquellen beleuchteten Objekten lässt sich die Vorrichtung einsetzen, wobei in diesem Fall kein optischer Strahl eingekoppelt sondern lediglich der vom Objekt ausgehende Lichtanteil in Abhängigkeit von den Kippwinkeln aufgezeichnet wird.A scanning image of the object surface can be generated by recording the intensity of the returning light beam as a function of the angular positions of the tilting axes of the tiltable mirror. The angular positions of the tiltable mirror can easily be converted into Cartesian coordinates of the image plane. The present device can be used in all technical fields in which a point-by-point scanning of an object surface using an optical beam is required. This applies both to lighting tasks, for example in the case of scanning displays, and to the area of imaging or examining the object surface by detecting the reflected light, such as, for example, in confocal microscopy. The device can also be used to scan self-illuminating objects or objects illuminated by other light sources, in which case no optical beam is coupled in, but only the proportion of light emanating from the object is recorded as a function of the tilt angles.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present device is briefly explained again below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:
Fig. 1 ein erstes Beispiel für einen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Darstellung; undFigure 1 shows a first example of a structure of the present device in a schematic representation. and
Fig. 2 ein zweites Beispiel für einen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Darstellung.Fig. 2 shows a second example of a structure of the present device in a schematic representation.
Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt beispielhaft einen möglichen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Dar- Stellung, wie er bspw. in einem scannenden konfokalen Mikroskop zum Einsatz kommen kann. Die Vorrichtung setzt sich aus der optischen Einrichtung 6, dem Hohlspiegel 10 mit der zentralen Durchgangsöffnung 11 sowie dem in zwei zueinander senkrechten Achsen kippbaren Mikrospiegel 12 zusammen. Der Lichtstrahl 1, der in die optische Einrichtung 6 eingekoppelt wird, kann durch eine Laserlichtquelle 15 erzeugt werden. Die optische Einrichtung 6 setzt sich im vorliegenden Beispiel aus einem Strahlteilerwürfel 2, einer ersten Kondensorlinse 3, einer zweiten Kondensorlinse 4 sowie der Lochblende 5 in der ersten Ebene 30 zusammen. Der Strahlteilerwürfel 2 dient der Auskopplung des vom Objekt reflektierten Lichtstrahls auf einen Detektor 9, der die Intensität dieses Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Stellung des Mikrospiegels 12 erfasst. Der in die Vorrichtung eingekoppelte Lichtstrahl 1 trifft zunächst auf den Strahlteilerwürfel 2, von dem er in einen nicht dargestellten reflektierten und einen transmittierten Strahl aufgespalten wird. Der reflektierte Strahl spielt für die Funktion der vorliegenden Vorrichtung keine Rolle. Mit dem Linsensystem aus der ersten Kondensorlinse 3 und der zweiten Kondensorlinse 4 wird der Lichtstrahl 1 derart aufbereitet, dass er einerseits in der ersten Ebene 30 einen ersten Brennpunkt 13 innerhalb der Öffnung der Lochblende 5 auf- weist und andererseits der über den Hohlspiegel 10 erzeugte zweite Fokus 14 genau in der Objektebene 20 liegt. Die beiden Linsen 3, 4 der optischen Einrichtung 6 dienen dabei in erster Linie der Strahlformung und lassen sich insbesondere hinsichtlich ihres Abstandes sowie des Abstandes zum Hohlspiegel 10 justieren. Der aus der optischen Einrichtung 6 austretende Strahl tritt durch die Apertur 11 im Hohlspiegel 10 und trifft auf den in zwei Achsen beweglichen Mikrospiegel 12, wie er beispielsweise aus der bereits genannten DE 19941363 bekannt ist .WAYS OF IMPLEMENTING THE INVENTION FIG. Position as it can be used in a scanning confocal microscope, for example. The device is composed of the optical device 6, the concave mirror 10 with the central through opening 11 and the micromirror 12 which can be tilted in two mutually perpendicular axes. The light beam 1, which is coupled into the optical device 6, can be generated by a laser light source 15. In the present example, the optical device 6 is composed of a beam splitter cube 2, a first condenser lens 3, a second condenser lens 4 and the pinhole 5 in the first plane 30. The beam splitter cube 2 is used to couple the light beam reflected by the object to a detector 9, which detects the intensity of this light beam as a function of the position of the micromirror 12. The light beam 1 coupled into the device first strikes the beam splitter cube 2, from which it is split into a reflected beam (not shown) and a transmitted beam. The reflected beam is irrelevant to the function of the present device. With the lens system consisting of the first condenser lens 3 and the second condenser lens 4, the light beam 1 is processed in such a way that on the one hand it has a first focal point 13 in the opening of the perforated diaphragm 5 in the first plane 30 and on the other hand the second one generated via the concave mirror 10 Focus 14 lies exactly in the object plane 20. The two lenses 3, 4 of the optical device 6 serve primarily for beam shaping and can be adjusted in particular with regard to their distance and the distance to the concave mirror 10. The beam emerging from the optical device 6 passes through the aperture 11 in the concave mirror 10 and strikes the micromirror 12 movable in two axes, as is known, for example, from the aforementioned DE 19941363.
Selbstverständlich kann an dieser Stelle auch jeder andere geeignete, in zwei Achsen verkippbareOf course, any other suitable tiltable in two axes can also be used here
Spiegel eingesetzt werden. Der Vorteil eines in zwei Achsen kippbaren Mikrospiegels liegt darin, dass damit eine Fläche in der Objektebene 20 abgetastet werden kann, ohne die Größe dieser Fläche durch Abschattung nennenswert zu verringern.Mirrors are used. The advantage of a micromirror that can be tilted in two axes is that it can be used to scan an area in the object plane 20 without significantly reducing the size of this area by shading.
Der über die Apertur 11 einfallende Strahl wird von dem kippbaren Mikrospiegel 12 auf die reflektierende Oberfläche des Hohlspiegels 10, der vorzugs- weise als Parabolspiegel ausgebildet ist, umgelenkt. Anstelle eines Parabolspiegels kann bspw. auch ein sphärischer Spiegel eingesetzt werden. Die Kombination aus der zweiten Kondensorlinse 4 und dem Hohlspiegel 10 mit einer geeigneten Brennweite definiert eine Brenn- ebene, die zugleich die Bild- bzw. Objektebene 20 ist, in der die zu untersuchende Objektoberfläche liegt.The beam incident through the aperture 11 is deflected by the tiltable micromirror 12 onto the reflecting surface of the concave mirror 10, which is preferably designed as a parabolic mirror. Instead of a parabolic mirror, a spherical mirror can also be used, for example. The combination of the second condenser lens 4 and the concave mirror 10 with a suitable focal length defines a focal plane which is also the image or object plane 20 in which the object surface to be examined lies.
Von der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts in der Objektebene 20 werden nur diejenigen Teil- strahlen über die Kombination aus Hohlspiegel 10, kippbarem Spiegel 12 und Apertur 11 für den Nachweis erfasst, die von dem kippbaren Spiegel 12 wieder durch die Lochblende 5 gelenkt werden. Der Durchmesser der Apertur in der Lochblende 5 definiert somit die Auflösung des Systems . Nach dem Durchgang durch die Linse 3 durchläuft das Nachweislicht den Strahlteilerwürfel 2 und wird von diesem im vorliegenden Beispiel der Figur 1 nach unten auf einen Detektor 9 reflektiert, der die Intensität des reflektierten Strahls erfasst. Diese Intensität ist proportional zur von der Objektoberfläche reflektierten Intensität und wird in Abhängigkeit vom Kippwinkel der beiden Achsen des kippbaren Spiegels 12 aufgezeichnet. Diese Intensität als Funktion der Kippwinkel der beiden Achsen des kippbaren Spiegels 12 lässt sich unter Verwendung einer geeigneten Software als Bild darstellen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird ein polarisierender Strahlteilerwürfel 2 eingesetzt. Unter der Voraussetzung, dass das eingekoppelte Laserlicht linear polarisiert ist (Polarisationsrichtung senkrecht zur Zeichenebene der Figur 1) , kann in der Nachweisrichtung am Ausgang desFrom the surface of the object to be examined in the object plane 20, only those partial beams are detected via the combination of concave mirror 10, tiltable mirror 12 and aperture 11 for detection, which are again guided by the tiltable mirror 12 through the pinhole 5. The diameter of the Aperture in pinhole 5 thus defines the resolution of the system. After passing through the lens 3, the detection light passes through the beam splitter cube 2 and is reflected downwards by the latter in the present example in FIG. 1 onto a detector 9, which detects the intensity of the reflected beam. This intensity is proportional to the intensity reflected by the object surface and is recorded as a function of the tilt angle of the two axes of the tiltable mirror 12. This intensity as a function of the tilt angle of the two axes of the tiltable mirror 12 can be represented as an image using suitable software. In an advantageous embodiment of the device, a polarizing beam splitter cube 2 is used. Provided that the injected laser light is linearly polarized (direction of polarization perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1), in the detection direction at the exit of the
Strahlteilerwürfels 2 vor dem Detektor 9 ein entsprechendes lineares Polarisationsfilter eingesetzt werden. Hierdurch wird zwar die Nachweisintensität um etwas mehr als den Faktor 2 reduziert, jedoch werden gleichzeitig alle Streuintensitäten des linear polarisierten Laserlichts merklich reduziert. Zur weiteren Reduktion dieses Streulichts können alle optischen Oberflächen der vorliegenden Vorrichtung für die entsprechende Wellenlänge des Laserlichts entspiegelt werden.A corresponding linear polarization filter can be used in front of the detector 9 in the beam splitter cube 2. As a result, the detection intensity is reduced by a little more than a factor of 2, but at the same time all scattering intensities of the linearly polarized laser light are noticeably reduced. To further reduce this scattered light, all optical surfaces of the present device can be anti-reflective for the corresponding wavelength of the laser light.
Neben der in der Figur 1 dargestellten optischen Einrichtung lässt sich auch eine aus Lichtleitfasern gebildete optische Einrichtung 6 gemäß Figur 2 einsetzen. Hierbei wird das Licht von der Laserlichtquelle 15 in den Lichtwellenleiter 7 eingekoppelt. An dessen Ausgang wird eine Kondensorlinse 4 eingesetzt, die die Ausgangscharakteristik des Laserlichts aus der Lichtleitfaser bzw. die Einkoppelcharakteristik des Nachweislichts in die Faser anpasst . Die in der Ebene 30 liegende Ausgangsfläche des Lichtwellenleiters 7 stellt aufgrund ihres geringen Querschnitts eine annähernd punktformige Lichtquelle vergleichbar dem Fokus 13 innerhalb der Lochblende 5 der Figur 1 dar. Der weitere Strahlverlauf ist identisch dem der Vorrichtung der Figur 1. Auch hier werden die Linse 4 und der Hohlspiegel 10 entsprechend aufeinander abgestimmt, um den Fokus 14 in der Bild- bzw. Objektebene 20 zu erzeugen. Bei Einsatz dieser Vorrichtung als Nachweissystem zur Untersuchung einer Objektoberfläche kann ein faseroptischer Koppler 8 für die Auskopplung des rücklaufenden Nachweislichts in den Detektor 9 eingesetzt werden, wie dies in der Figur 2 veranschaulicht ist. In addition to the optical device shown in FIG. 1, one can also be made of optical fibers Use the optical device 6 formed according to FIG. 2. Here, the light from the laser light source 15 is coupled into the optical waveguide 7. A condenser lens 4 is used at its output, which adjusts the output characteristic of the laser light from the optical fiber or the coupling characteristic of the detection light into the fiber. Due to its small cross-section, the output surface of the optical waveguide 7 lying in the plane 30 represents an approximately punctiform light source comparable to the focus 13 within the pinhole 5 of FIG. 1. The further beam path is identical to that of the device of FIG. 1. Here too, the lens 4 and the concave mirror 10 is matched to one another in order to generate the focus 14 in the image or object plane 20. When using this device as a detection system for examining an object surface, a fiber-optic coupler 8 can be used for coupling out the returning detection light into the detector 9, as illustrated in FIG. 2.
Bezugs zeichenlisteReference character list
1 Lichtstrahl1 light beam
2 Strahlteilerwürfel2 beam splitter cubes
3 erste Kondensorlinse3 first condenser lens
4 zweite Kondensorlinse4 second condenser lens
5 Lochblende5 pinhole
6 optische Einrichtung6 optical device
7 Lichtleitfaser7 optical fiber
8 faseroptischer faseroptischer Koppler8 fiber optic fiber optic couplers
9 Detektor9 detector
10 Hohlspiegel10 concave mirrors
11 Apertur11 aperture
12 kippbarer Mikrospiegel12 tiltable micromirrors
13 erster Fokus13 first focus
14 zweiter Fokus14 second focus
15 Laserlichtquelle15 laser light source
20 Objekt- bzw. Bildebene20 object or image plane
30 erste Ebene 30 first level

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts, mit - einer optischen Einrichtung (6) zur Erzeugung eines ersten Fokus (13) oder eines Bereichs mit kleinem Strahlquerschnitt eines eingekoppelten optischen Strahls (1) in einer ersten Ebene (30) , - einem ersten Spiegel (10) mit einer zentralen Apertur (11) für den Durchtritt des optischen Strahls (1) von einer Rückseite des ersten Spiegels (10) , und - einem zweiten Spiegel (12) , der dem ersten Spiegel (10) gegenüber so angeordnet ist, dass der von der Rückseite durch die Apertur (11) des ersten Spiegels (10) hindurchtretende optische Strahl (1) auf den ersten Spiegel (10) reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel ein Hohlspiegel (10) und der zweite Spiegel (12) ein um zumindest eine Achse kippbarer Spiegel ist, durch dessen Verkippung ein Bereich einer Objektebene (20) mit dem optischen Strahl (1) abtastbar ist, und dass die optische Einrichtung (6) und der Hohlspiegel (10) so aufeinander abstimmbar sind, dass der optische Strahl (1) nach Reflektion am Hohlspiegel (10) konfokal zum ersten Fokus (13) oder dem Bereich mit kleinem Strahlquerschnitt in der Objektebene (20) einen zweiten Fokus (14) bildet. 1. Device for confocal optical scanning of an object, with - an optical device (6) for generating a first focus (13) or an area with a small beam cross-section of an injected optical beam (1) in a first plane (30), - a first Mirror (10) with a central aperture (11) for the passage of the optical beam (1) from a rear side of the first mirror (10), and - a second mirror (12), which is arranged opposite the first mirror (10) that the optical beam (1) passing through the aperture (11) of the first mirror (10) from the back is reflected on the first mirror (10), characterized in that the first mirror is a concave mirror (10) and the second mirror (12) is a mirror which can be tilted about at least one axis, by the tilting of which a region of an object plane (20) can be scanned with the optical beam (1), and that the optical device (6) and the concave mirror (10) are thus mutually absent It is tunable that the optical beam (1) forms a second focus (14) after reflection on the concave mirror (10) confocal to the first focus (13) or the area with a small beam cross section in the object plane (20).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (6) eine Kondensoroptik mit einer oder mehreren vor und/oder hinter der ersten Ebene (30) angeordneten Linsen (3, 4) und einer Lochblende (5) in der ersten Ebene (30) umfasst, die Lichtstrahlung außerhalb des ersten Fokus (13) blockiert.2. Device according to claim 1, characterized in that the optical device (6) a condenser optics with one or more lenses arranged in front of and / or behind the first plane (30) (3, 4) and a pinhole (5) in the first Includes plane (30) that blocks light radiation outside the first focus (13).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (6) eine Lichtleitfaser (7) mit einer Ausgangsfläche umfasst, die in der ersten Ebene (30) liegt und der ein oder mehrere Linsen (4) zur Strahlformung nachgeschaltet sind.3. The device according to claim 1, characterized in that the optical device (6) comprises an optical fiber (7) with an output surface which lies in the first plane (30) and which is followed by one or more lenses (4) for beam shaping.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (10) ein Parabolspiegel ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the concave mirror (10) is a parabolic mirror.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spiegel (12) ein Mikrospiegel ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second mirror (12) is a micromirror.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spiegel (12) um zwei Achsen kippbar ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second mirror (12) can be tilted about two axes.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (6) einen Strahl - teuer (2) zur Auskopplung eines vom Objekt reflektierten, zurücklaufenden optischen Strahls umfasst .Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the optical device (6) comprises a beam (2) for coupling out a returning optical beam reflected by the object.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (2) ein polarisierender Strahlteilerwürfel ist.Apparatus according to claim 7, characterized in that the beam splitter (2) is a polarizing beam splitter cube.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (6) einen faseroptischen Koppler (8) zur Auskopplung eines vom Objekt reflektierten, zurücklaufenden optischen Strahls aufweist. 9. The device according to claim 3, characterized in that the optical device (6) has a fiber-optic coupler (8) for coupling out a returning optical beam reflected by the object.
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