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Title:
MEASURING METHOD FOR MEASURING THE SURFACES OF BIOLOGICAL AND/OR CHEMICAL SAMPLES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/046551
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a measuring method for measuring the surfaces of biological and/or chemical samples by using a distance sensor, based on the confocal optical imaging principle, whereby the surface of the sample, which is to be analysed, is measured by sequential scanning of individual surface points. According to two embodiment examples of said invention, a high numeric aperture is selected for the distance sensor and/or a sensitive detector is used, because of the generally low backscattering and reflection of surfaces of biological and/or chemical samples. The present invention also relates to different evaluation methods for determining the light intensity, which is maximally backscattered by the sample to be analysed, depending on the backscatter signal which is detected by said detector.

Inventors:
WEST SIEGLINDE (DE)
BRUGGER RUDOLF (DE)
DROBNER FRANZ (DE)
KASSEL CHRISTIAN (DE)
SCHICK ANTON (DE)
Application Number:
PCT/DE2002/004183
Publication Date:
June 05, 2003
Filing Date:
November 12, 2002
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
WEST SIEGLINDE (DE)
BRUGGER RUDOLF (DE)
DROBNER FRANZ (DE)
KASSEL CHRISTIAN (DE)
SCHICK ANTON (DE)
International Classes:
G01B11/30; (IPC1-7): G01N33/50
Foreign References:
US6313915B12001-11-06
DE19608468A11997-09-04
US6108090A2000-08-22
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Messverfahren zur Oberflächenvermessung von biologischen und/oder chemischen Proben unter Verwendung eines auf dem konfokalen optischen Abbildungsprinzip beruhenden Abstands sensors mit 'einer Sendeeinheit mit mindestens einer annähernd punkt förmigen Lichtquelle, die auf eine Oberfläche eines Mess objektes abgebildet wird, einer Empfangseinheit mit mindestens einem zur der Licht quelle konfokal im bildseitigen Messbereich angeordneten annähernd punktförmigen Detektor, einer zumindest teilweise koaxialen Führung von Beleuch tungsund Messstrahl, 'einer Abbildungsoptik, über die der Strahlengang zwischen Sendeeinheit und Messobjekt und der Strahlengang zwischen Messobjekt und Empfangseinheit jeweils zumindest einmal geführt ist, und einem in Bezug auf den Sendestrahl im Fokusbereich der Abbildungsoptik positionierten Reflektorsystem mit zwei um 90° zueinander geneigten Reflektoren, über welches die beiden Strahlengänge jeweils einmal geführt sind, wobei das Messverfahren folgende Schritte aufweist : die zu untersuchende biologische und/oder chemische Probe relativ wird zu dem auf das Messobjekt treffenden Beleuch tungsstrahl des Abstandssensors in eine definierte An fangsposition gebracht, das Reflektorsystem wird in Richtung der optischen Achse der Abbildungsoptik bewegt, so dass die optischen Wegstre cken zwischen Sendeeinheit und einem Oberflächenpunkt des Messobjekts und zwischen Empfangseinheit und dem Oberflä chenpunkt des Messobjekts variiert werden, während der Bewegung des Reflektorsystems wird der Verlauf der Lichtintensität auf der Empfangseinheit in Abhängig keit von der Stellung des Reflektorsystems erfasst und aus dem Verlauf der Lichtintensität wird der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem Oberflächenpunkt er mittelt.
2. Messverfahren gemäß Anspruch 1, bei dem nach der Ermitt lung des Abstands zwischen dem Abstandssensor und dem Ober flächenpunkt 'die zu untersuchende Probe mittels einer definierten Verschiebung in einer Ebene senkrecht zu dem auf das Mess objekt treffenden Beleuchtungsstrahl in eine weitere Posi tion gebracht wird, das Reflektorsystem in Richtung der optischen Achse der Abbildungsoptik bewegt wird, so dass die optischen Weg strecken zwischen Sendeeinheit und einem weiteren Oberflä chenpunkt des Messobjekts und zwischen Empfangseinheit und dem weiterem Oberflächenpunkt des Messobjekts variiert werden, 'während der Bewegung des Reflektorsystems der Verlauf der Lichtintensität auf der Empfangseinheit in Abhängigkeit von der Stellung des Reflektorsystems erfasst wird und aus dem Verlauf der Lichtintensität der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem weiteren Oberflächenpunkt er mittelt wird.
3. Messverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die numerische Apertur des auf das Messobjekt treffenden Beleuchtungsstrahls so groß gewählt wird, dass durch das Messobjekt von dem Licht des Beleuchtungsstrahls möglichst viel Streulicht in den Raumwinkel des Messstrahls gestreut wird.
4. Messverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem für die Empfangseinheit zumindest ein Sekundärelektronenver vielfacher, eine Photodiode und/oder eine Avalanche Photodio de verwendet wird.
5. Messverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem für die Ermittlung des Abstands zumindest einen Messpunkt (xl) der Anstiegsund zumindest einen Messpunkt (x2) der Abfallsflanke des Verlaufs der Lichtintensität (200) verwen det.
6. Messverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem für die Ermittlung des Abstands eine Anpassungskurve (211) an den Verlauf der Lichtintensität (210) bestimmt wird.
7. Messverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem für die Ermittlung des Abstands nicht das absolute sondern ein relatives Maximum des Verlaufs der Lichtintensität ver wendet wird, wobei die Lichtintensität in dem relativen Maximum einen durch die Reflexionseigenschaften des Messob jekts vorbestimmten Wert unterschreitet.
Description:
Beschreibung Messverfahren zur Oberflächenvermessung von biologischen und/oder chemischen Proben Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur dreidimensiona- len Oberflächenvermessung von biologischen und/oder chemi- schen Proben.

Aufgrund der rasanten Entwicklung der Biotechnologie in den letzten Jahren gewinnt die sogenannte Biosensorik zunehmend an Bedeutung. Unter dem Begriff Biosensorik versteht man die Entwicklung und die Verwendung von Sensoren, mit denen biolo- gische Substanzen detektiert und/oder Eigenschaften von biologischen Substanzen erfasst werden können. Die Biosenso- rik profitiert dabei von einer Vielzahl von unterschiedlichen physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Eigenschaf- ten der zu erfassenden Substanzen. So beruhen beispielsweise viele Biosensoren auf einem für die zu erfassenden biologi- schen Substanzen charakteristischen Bindungsverhalten an sogenannten Fängermolekülen, welche an festgelegten Stellen des verwendeten Biosensors angeordnet sind. Die an die Fän- germoleküle gebundenen Biomoleküle können beispielsweise durch Messung von charakteristischer Fluoreszenzstrahlung, durch Absorption von elektromagnetischer Strahlung oder durch eine Messung der durch das Binden der Biomoleküle verursach- ten Änderung einer elektrischen Kapazität erfasst werden.

Auf dem Gebiet der Optik ist aus der DE 196 08 468 C2 ein optischer Abstandssensor bekannt, welcher auf dem konfokalen optischen Abbildungsprinzip beruht und welcher zur dreidimen- sionalen Oberflächenvermessung geeignet ist. Ein derartiger optischer Abstandssensor, der beispielsweise in Figur 7 der DE 196 08 468 C2 dargestellt ist, umfasst eine punktförmige Lichtquelle und einen punktförmigen Empfänger. Die punktför- mige Lichtquelle wird auf einer Oberfläche eines Messobjektes abgebildet. Der punktförmige Empfänger ist konfokal zur

punktförmigen Lichtquelle im bildseitigen Messbereich ange- ordnet. Der optische Abstandssensor zeichnet sich ferner durch eine zumindest teilweise koaxiale Führung von Beleuch- tungs-und Messstrahl aus, wobei die optische Wegstrecke zwischen dem punktförmigen Empfänger und dem Messobjekt durch den Einsatz eines in Richtung der optischen Achse einer Abbildungsoptik schwingenden Spiegelsystems variierbar ist und mittels eines Peakdetektors maximale Lichtintensitäten auf dem punktförmigen Empfänger feststellbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren zu schaffen, mit dem Oberflächen von biologischen und/oder chemischen Proben schnell und präzise vermessen werden kön- nen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Messverfahren zur Ober- flächenvermessung von biologischen und/oder chemischen Proben unter Verwendung eines auf dem konfokalen optischen Abbil- dungsprinzip beruhenden Abstandssensors gemäß Anspruch 1.

Demnach wird die zu untersuchende biologische und/oder chemi- sche Probe relativ zu dem auf das Messobjekt treffenden Beleuchtungsstrahl des Abstandssensors in eine definierte Anfangsposition gebracht, ein Reflektorsystem wird in Rich- tung der optischen Achse einer Abbildungsoptik bewegt, so dass die optischen Wegstrecken zwischen einer Sendeeinheit und einem Oberflächenpunkt des Messobjekts und zwischen einer Empfangseinheit und dem Oberflächenpunkt des Messobjekts variiert werden, während der Bewegung des Reflektorsystems wird der Verlauf der Lichtintensität auf der Empfangseinheit in Abhängigkeit von der Stellung des Reflektorsystems erfasst und aus dem Verlauf der Lichtintensität wird der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem Oberflächenpunkt ermit- telt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird nach der Ermittlung des Abstands zwischen dem Abstandssensor und dem Oberflächenpunkt die zu untersuchende Probe mittels

einer definierten Verschiebung in einer Ebene senkrecht zu dem auf das Messobjekt treffenden Beleuchtungsstrahl in eine weitere Position gebracht, das Reflektorsystem in Richtung der optischen Achse der Abbildungsoptik bewegt, so dass die optischen Wegstrecken zwischen Sendeeinheit und einem weite- ren Oberflächenpunkt des Messobjekts und zwischen Empfangs- einheit und dem weiteren Oberflächenpunkt des Messobjekts variiert werden. Während der Bewegung des Reflektorsystems wird der Verlauf der Lichtintensität auf der Empfangseinheit in Abhängigkeit von der Stellung des Reflektorsystems erfasst und aus dem Verlauf der Lichtintensität wird der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem weiteren Oberflächenpunkt ermittelt. Damit kann auf vorteilhafte Weise durch das se- quentielle Abtasten einer Mehrzahl von Oberflächenpunkten die zu untersuchende dreidimensionale Oberfläche schnell und zuverlässig vermessen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine Vielzahl von Anwendungen auf dem Gebiet der Biotechnologie Biosensoren nützlich sind, mit denen die dreidimensionale Oberfläche einer biologischen und/oder einer chemischen Probe vermessen werden kann. So kann beispielsweise festgestellt werden, ob ein aufgebrachtes Probenmaterial in Form eines Tropfens, als ein Plateau, als weitgehend ebene Fläche oder als eine Struktur mit einzelnen Erhöhungen vorliegt. Ebenso kann untersucht werden, wie sich eine bestimmte Menge einer zu untersuchenden Probe an eine vorgegebene Oberflächenstruk- tur anpasst, d. h. wie sich die Flächendichte der Probe bei einer bestimmten Oberflächenrelief verhält. Ein weiterer wichtiger Anwendungsfall ist beispielsweise die exakte Be- stimmung der Menge einer bestimmten biologischen Substanz, welche in Form eines auf ein Substrat aufgebrachten Tropfens vorliegt. Aus der genauen Tropfenform kann zum Beispiel exakt das Volumen der zu untersuchenden biologischen Probe bestimmt werden, wodurch beispielweise eine genaue Aussage über die integral vorliegende Probenkonzentration möglich wird. Für den Fall, dass die räumliche Verteilung der Probenkonzentra-

tion durch Diffusion der Probenmolekühle in eine an einer Grenzfläche anliegende Lösung bestimmt wird, kann die lokale Probenkonzentration insbesondere in den Randbereichen der Lösung von der Größe der Volumina der Randbereiche abhängen und indirekt über eine exakte Oberflächenvermessung der als Tropfen vorliegenden Probe ermittelt werden.

Die Erfindung kann auch zur genauen Erfassung der dreidimen- sionalen Oberfläche von kleineren biologischen Objekten, insbesondere einzelne Zellen oder Proteine verwendet werden, welche häufig an Polystyrolkügelchen gebunden werden. Derar- tige für die Bindung von einzelnen Zellen oder Proteinen geeigneten Polystyrolkügelchen werden auch als sogenannte Beads bezeichnet. Die genaue Bestimmung der Oberfläche von einzelnen Zellen oder Proteinen ermöglicht somit eine Vermes- sung des sterischen Aufbaus der einzelnen Zellen oder Protei- ne. Aus der Kenntnis des sterischen Aufbaus können zum Bei- spiel wichtige Erkenntnisse über das charakteristische Bin- dungsverhalten der untersuchten Zellen/Proteine gewonnen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 wird die numerische Apertur des auf das Messobjekt treffenden Beleuchtungsstrahls so groß gewählt, dass durch das Messobjekt von dem Licht des Beleuchtungsstrahls mög- lichst viel Streulicht in den Raumwinkel des Messstrahls gestreut wird. Bei dem der vorliegenden Erfindung zugrunde- liegenden konfokalen optischen Abstandssensor ist die numeri- sche Apertur des Beleuchtungsstrahls gleich der numerischen Apertur des Messstrahls. Eine große numerischen Apertur des Messstrahls bedeutet gleichzeitig aber auch eine große Win- kelakzeptanz für das von der Probenoberfläche zurückgestreute Licht. Somit ist eine große numerische Apertur des Beleuch- tungsstrahls insbesondere für die Vermessung von Proben mit schwach zurückstreuender Oberfläche vorteilhaft, weil auf- grund einer großen Winkelakzeptanz auch die Lichtintensität

erhöht ist, welche auf die Empfangseinheit des Abstandssen- sors trifft.

Ein weiterer Vorteil einer großen numerische Apertur besteht ferner darin, dass selbst bei einer im Vergleich zur opti- schen Achse des auf die Probenoberfläche treffenden Beleuch- tungsstrahls schräg angeordneten Probenoberfläche aufgrund der großen Winkelakzeptanz für den Messstrahl in der Regel eine für eine weitere Auswertung brauchbare Lichtintensität auf die Empfangseinheit abgebildet wird. Damit kann der sterische Aufbau einer Vielzahl von komplexen dreidimensiona- len Oberflächen vermessen werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird für die Empfangseinheit zumindest ein Sekun- därelektronenvervielfacher, eine Photodiode und/oder eine Avalanche-Photodiode verwendet. Die Verwendung von einem oder von mehreren derartigen hochempfindlichen Detektoren hat den Vorteil, dass der Verlauf der Lichtintensität insbesondere bei der Oberflächenvermessung von biologischen und/oder chemischen Proben, welche im allgemeinen ein geringes Streu- vermögen aufweisen, zuverlässig erfasst werden kann.

Gemäß Anspruch 5 wird in einer anderen Ausführungsform der Erfindung für die Ermittlung des Abstandes zumindest ein Messpunkt der Anstiegs-und zumindest ein Messpunkt der Abfallsflanke des Verlaufs der Lichtintensität verwendet.

Dies hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen dem Abstands- sensor und dem aktuell vermessenen Oberflächenpunkt auch dann auf einfache Weise präzise bestimmt werden kann, wenn die auf die Empfangseinheit treffende Lichtintensität so gering ist, dass das Maximum des Intensitätsverlaufs nur mit einer rela- tiv großen Unsicherheit bestimmt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 6 wird für die Ermittlung des Abstands eine Anpas- sungskurve an den Verlauf der zurückgestreuten Lichtintensi-

tät bestimmt. Die Anpassung einer Modellkurve an den Verlauf der Lichtintensität ist ebenfalls insbesondere bei sehr geringer auf die Empfangseinheit treffender Lichtintensität vorteilhaft, da durch Rauschen verursachte Schwankungen in dem gemessenen Verlauf der Lichtintensität durch die Berück- sichtigung des gesamten Verlaufs der Lichtintensität zumin- dest teilweise kompensiert werden können und somit die Genau- igkeit der Abstandsermittlung erheblich verbessert wird. Die Abstandsermittlung mittels einer Anpassungskurve eignet sich insbesondere bei der Vermessung von Messobjekten mit gering streuenden Oberflächen, welche dazu führen, dass das von der Empfangseinheit ausgegebene Signal nur wenig aus einem im wesentlich durch die Messelektronik bestimmten Rauschpegel herausragt.

Es wird darauf hingewiesen, dass für die Ermittlung des Abstands zwischen Abstandssensor und Oberflächenpunkt auch ausschließlich das Maximum der auf die Empfangseinheit zu- rückgestreuten Lichtintensität verwendet werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die von der Empfangs- einheit erfasst Lichtintensität so groß ist, dass der ent- sprechende Verlauf der Lichtintensität eine relativ glatte Kurve ohne große statistische Schwankungen ist. In diesem Fall ist die Verwendung des Maximums der zurückgestreuten Lichtintensität die einfachste und schnellste Möglichkeit, den Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem Oberflächen- punkt zu bestimmen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 7 wird für die Ermittlung des Abstands nicht das absolute sondern ein relatives Maximum des Verlaufs der Lichtintensität verwendet, wobei die Lichtintensität in dem relativen Maximum einen durch die Reflexionseigenschaften des Messobjekts vorbestimmten Wert unterschreitet. Damit kann insbesondere bei optisch transparenten Proben eine falsche Abstandsmessung verhindert werden, welche beispielweise dann auftreten würde, wenn sich die Probe auf einem reflektieren-

den Substratträger befindet und die Reflektivität der Grenz- schicht Probe-Substrat größer ist als die Reflektivität der Probenoberfläche.

Da die Reflektivität einer Grenzschicht im wesentlichen durch die Brechungsindizes der an die Grenzschicht angrenzenden Materialien bestimmt ist, kann beispielsweise für den Fall, dass die zu vermessende Probe eine im wesentlichen wässrige Lösung und das angrenzende Medium im wesentlichen Luft mit einem Brechungsindex n von eins ist (die Reflektivität an einer Grenzschicht Luft-Wasser beträgt ungefähr 0,02) ein vorbestimmter Wert von ungefähr 5% gewählt werden, welcher von der Reflektivität in dem relativen Maximum unterschritten werden muss, wenn eine gültige Abstandsbestimmung erfolgen soll. Dabei ist ein im Vergleich zu reinem Wasser höherer Brechungsindex der Probenlösung berücksichtigt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass aus dem von der Empfangsein- heit gemessenen Verlauf der Lichtintensität nicht der Abstand zwischen Abstandssensor und Grenzschicht Substrat-Probe sondern der Abstand zwischen Abstandssensor und Probenober- fläche erfasst wird. Es wird darauf hingewiesen, dass im allgemeinen der vorbestimmte von der Reflektivität in dem relativen Maximum zu unterschreitende Wert von dem Reflexi- onsverhalten der Probenoberfläche und von dem Reflexionsver- halten der Grenzschicht Substrat-Probe abhängt.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.

Figur 1 illustriert den Einfluss der numerischen Apertur auf das Winkelverhalten.

Figur 2a illustriert die Abstandsermittlung aus einem Mess- punkt der Anstiegs-und einem Messpunkt der Abfalls- flanke des Verlaufs der Lichtintensität.

Figur 2b illustriert eine Abstandsermittlung mittels einer Anpassungskurve an den gemessenen Verlauf der Licht- intensität.

Figur 2c illustriert die Abstandsermittlung unter Verwendung des Maximums des gemessenen Verlaufs der Lichtinten- sität.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist eine zu vermessende biologi- sche Probe 101 auf einem Substrat 102 aufgetragen. Die biolo- gische Probe 101, welche in flüssiger bzw. zähflüssiger Form vorliegt, bildet eine dreidimensionale Oberfläche aus, welche einem Kugelsegment ähnlich ist.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Probe 101 nicht unbe- dingt in Form eines Kugelsegments vorliegen muss sondern im Prinzip jede mögliche dreidimensionale Form annehmen kann.

Ebenso muss die Probe 110 nicht zwingend in flüssiger bzw. zähflüssiger Form vorliegen. So kann beispielsweise eine in einem auskristallisierten oder ausgehärteten Zustand vorlie- gende Probe untersucht werden, welche beispielsweise nur bei der Aufbringung der Probe auf ein Substrat in einem flüssigen oder zähflüssigen Aggregatszustand vorgelegen hat.

Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfin- dung wird die Oberfläche der biologischen Probe 101 genau erfasst, so dass das Volumen der biologischen Probe 101 präzise bestimmt werden kann. Die biologische Probe 101 wird mit einem Abstandssensor vermessen, der beispielsweise in den Figuren 7 und 8 der deutschen Patentschrift DE 196 08 468 C2 beschrieben ist. Von dem verwendeten Abstandssensor ist in Figur 1 nur eine Abbildungsoptik 104 dargestellt, welche sich in der Nähe der zu erfassenden biologischen Probe 101 befin- det. Die biologische Probe 101 wird von einem Beleuchtungs- strahl 103 beleuchtet, welcher in der zweidimensionalen Darstellung von Figur 1 durch die beiden Randstrahlen 103a, 103b begrenzt wird. Der Beleuchtungsstrahl 103 wird durch die Abbildungsoptik 104 derart abgebildet, dass in Abhängigkeit

von der Stellung eines ebenfalls nicht dargestellten Reflek- torsystems der Beleuchtungsstrahl 103 auf einen Punkt fokus- siert wird, welcher zumindest in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der zu untersuchenden biologischen Probe 101 liegt. Das durch den Beleuchtungsstrahl 103 auf die biologi- sche Probe 101 treffende Licht wird von der Oberfläche der Probe 101 zumindest teilweise zurückgestreut. Figur 1 illust- riert den Fall einer biologischen Probe mit einer rauhen Oberfläche, welche den auftreffenden Beleuchtungsstrahl 103 nicht oder zumindest nur sehr schwach reflektiert. Die Rück- streuung des Beleuchtungslichtes erfolgt in guter Näherung isotrop. Dieses isotrope Streuverhalten ist in Figur 1 durch die zurückgestreuten Lichtstrahlen 105 dargestellt. Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist der Anteil des zurückgestreuten Lichts 105, welcher durch die Abbildungsoptik 104 und weitere nicht dargestellte Komponenten des verwendeten Abstandssen- sors auf die ebenfalls nicht dargestellte Empfangseinheit des Abstandssensors abgebildet werden, umso größer, je größer die numerische Apertur (n-sin a) des auf die biologische Probe 101 treffenden Beleuchtungsstrahls 103 ist. Dabei ist n der Brechungsindex des an die biologische Probe 101 grenzenden Mediums. Da das in Figur 1 dargestellte System ein Trocken- system ist, ist das an die biologische Probe 101 grenzende Medium im wesentlichen Luft, so dass der Brechungsindex n in guter Näherung 1 ist. Der Winkel a, welcher ebenfalls die numerische Apertur des Abstandssensors bestimmt, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 1 nicht explizit dargestellt. Er hängt jedoch von dem auf die Probe 101 tref- fenden Beleuchtungsstrahl 103 derart ab, dass der doppelte Winkel 2a gerade gleich dem Winkel ist, welcher von den beiden auf die Probe 101 treffenden Randstrahlen 103a und 103b eingeschlossen wird. Eine Erhöhung der numerischen Apertur hat neben einer Verbesserung des Winkelverhaltens (ein höherer Anteil des von der Probe 101 zurückgestreuten Lichts wird auf die Empfangseinheit des Abstandssensors abgebildet) den weiteren Vorteil, dass die laterale Auflösung des verwendeten Abstandssensors verbessert wird.

In den Figuren 2a, 2b und 2c ist illustriert, wie aus dem von der Empfangseinheit erfassten Verlauf der Lichtintensität der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem Punkt der zu vermessenden Oberfläche bestimmt wird, welcher Punkt gerade von dem Beleuchtungsstrahl 103 beleuchtet wird.

Figur 2a zeigt, wie aus dem Verlauf der Anstiegsflanke der gemessenen Lichtintensität 200 und dem Verlauf der Abfalls- flanke der gemessenen Lichtintensität 200 der Abstand zwi- schen Abstandssensor und Oberflächenpunkt ermittelt werden kann. Die gemessene Lichtintensität 200 ist in einem Koordi- natensystem dargestellt, welches als Abszisse x die Ortskoor- dinate des Reflektorsystems und als Ordinate I die von der Empfangseinheit erfasste Lichtintensität aufweist. Der Ver- lauf der Lichtintensität 200 ist zu einem Wert Xmax symmet- risch, welcher die Ortskoordinate des Reflektorsystems dar- stellt, bei der von der Empfangseinheit eine maximale Licht- intensität erfasst wird. Aus dem genauen Wert der Ortskoordi- nate xmax wird der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem beleuchteten Punkt der zu vermessenden Oberfläche bestimmt.

Eine präzise Bestimmung der Ortskoordinate xmax erfolgt gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, dass eine Referenzintensität Iref bestimmt wird, welche größer als Null und kleiner als die maximale Lichtin- tensität Imax ist. Aus der Referenzintensität Iref werden die beiden Ortskoordinaten des Reflektorsystems Xi und x2 be- stimmt, für welche die gemessene Lichtintensität gerade gleich der Referenzlichtintensität Iref ist. Mit der Kenntnis der beiden Ortskoordinaten Xi und x2 ist unter der Vorausset- zung eines symmetrischen Verlaufs der gemessenen Lichtinten- sität 200 die Ortskoordinate xmax des Reflektorsystems mit maximaler Lichtintensität bestimmt, welche genau in der Mitte zwischen den beiden Ortskoordinaten Xi und X2 liegt. Die mittige Lage der Ortskoordinate xmax zwischen den beiden Ortskoordinaten Xi und X2 ist in Figur 2a dadurch angedeutet, dass die Abstände auf der Abszisse x sowohl zwischen Xi und

xmax als auch zwischen xmax und x2 jeweils gerade A/2 betragen.

Die Bestimmung des Abstandes zwischen Abstandssensor und Oberflächenpunkt mittels Anstiegs-und Abfallsflanke ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die gemessene Lichtinten- sität 200 so schwach ist, dass eine präzise Bestimmung der Ortskoordinate xmax aufgrund des insbesondere in der Nähe der Ortskoordinate xmax flachen Kurvenverlaufs der erfassten Lichtintensität 200 nicht möglich ist.

In Figur 2b ist skizziert, wie der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem beleuchteten Oberflächenpunkt mittels einer Anpassungskurve an den Verlauf der erfassten Lichtin- tensität 210 ermittelt wird. Diese Abstandsermittlung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die erfasste Lichtinten- sität I so klein ist, dass der Verlauf der erfassten Lichtin- tensität I, wie in Figur 2b dargestellt, von einem starken Rauschen bzw. starken statistischen Schwankungen gekennzeich- net ist. In diesem Fall kann die Ortskoordinate xmax am zuver- lässigsten dadurch bestimmt werden, dass der Verlauf der gesamten erfassten Lichtintensität 210 durch eine Anpassungs- kurve 211 angenähert wird. Eine geeignete Anpassungskurve 211 kann beispielsweise eine Lorenzkurve, eine Gaußkurve oder jede andere symmetrische Kurve sein, welche den allgemeinen Verlauf der gemessenen Lichtintensität 210 zumindest annä- hernd wiedergibt. Aus den bestimmten Anpassungsparametern der Anpassungskurve 211 ist dann mit hoher Genauigkeit die Ortskoordinate xmax festgelegt.

Wie aus Figur 2c ersichtlich, kann die Ortskoordinate Xmax und damit der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem be- leuchteten Oberflächenpunkt bestimmt werden, indem aus- schließlich die maximale Lichtintensität Imax bestimmt wird.

Die Bestimmung von Imax kann beispielsweise durch einen soge- nannten Peakdetektor erfolgen, welcher aus dem Verlauf der gemessenen Lichtintensität 220 die Ortskoordinate Xmax be- stimmt. Die Abstandsermittlung zwischen dem Abstandssensor und dem beleuchteten Oberflächenpunkt anhand der maximalen

Lichtintensität ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die gemessene Lichtintensität 220 so hoch ist, dass das Rauschen oder statistische Schwankungen in guter Näherung vernachläs- sigt werden können.

Zusammenfassend offenbart die Erfindung ein Messverfahren zur Oberflächenvermessung von biologischen und/oder chemischen Proben unter Verwendung eines auf dem konfokalen optischen Abbildungsprinzip beruhenden Abstandssensors, bei dem durch sequentielle Abtastung einzelner Oberflächenpunkte die Ober- fläche der zu untersuchenden Probe vermessen wird. Aufgrund der im allgemeinen geringen Rückstreuung und Reflexion von Oberflächen von biologischen und/oder chemischen Proben wird gemäß zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung für den Abstandsensor eine hohe numerische Apertur. gewählt und/oder ein empfindlicher Detektor verwendet. Zur Bestimmung der maximal von der zu untersuchenden Probe zurückgestreuten Lichtintensität werden abhängig von dem von dem Detektor erfassten Rückstreusignal verschiedene Auswerteverfahren vorgeschlagen.