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.

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.

Beispiele hierfür sind Bar-Code Leser, scannende Displays, Detektionsvorrichtungen für Fingerabdrücke oder auch die konfokale Bilderzeugung, bspw. bei der konfokalen Mikroskopie.

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.

Eine Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts ist bspw. in der US 6172789 B1 beschrieben. Diese Vorrichtung umfasst einen Licht- wellenleiter, aus dem der optische Strahl aus-und von der Rückseite durch eine zentrale Apertur eines ersten 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.

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 reflek- tierten Strahlung stören können.

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.

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.

Die vorliegende Vorrichtung zum konfokalen optischen Abtasten eines Objekts umfasst eine optische Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Fokus oder eines Bereiches kleinen Strahlquerschnitts eines einge- koppelten 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 Strahlquer- schnitts 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 ent- sprechender 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.

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 punktförmige Lichtquelle bereitgestellt, die konfokal zum zweiten Fokus in der Objektebene liegt.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung umfasst die optische Einrichtung eine Lichtleitfaser mit einer vorgeschalteten Kondensor- linse. Der in die Lichtleitfaser eingekoppelte optische Strahl tritt aus der Ausgangsfläche der Lichtleitfaser aus, die aufgrund des geringen Querschnitts der Ausgangsfläche eine annähernd punktförmige Lichtquelle darstellt. Mit Hilfe der nachgeschalteten Kondensor- linse wird der austretende optische Strahl in Ab- stimmung 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.

Für die Erzeugung des optischen Strahls lassen sich unterschiedliche Lichtquellen einsetzen, die eine Strahlformung mit entsprechenden Optiken zulassen.

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.

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 polari- sierenden Strahlteilerwürfels kann durch Einsatz eines Polarisationsfilters vor dem Detektor, der den zurück- laufenden, durch den Strahlteilerwürfel abgelenkten 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.

Durch Aufzeichnung der Intensität des zurück- laufenden Lichtstrahls als Funktion der Winkel- stellungen 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen : Fig. 1 ein erstes Beispiel für einen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Darstellung ; und Fig. 2 ein zweites Beispiel für einen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Darstellung.

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 vor- liegenden Beispiel aus einem Strahlteilerwürfel 2, einer ersten Kondensorlinse 3, einer zweiten Kondensor- linse 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 reflek- tierte 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 Brenn- punkt 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.

Selbstverständlich kann an dieser Stelle auch jeder andere geeignete, in zwei Achsen verkippbare 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.

Der über die Apertur 11 einfallende Strahl wird von dem kippbaren Mikrospiegel 12 auf die reflek- tierende 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.

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 Strahlteiler- würfel 2 und wird von diesem im vorliegenden Beispiel der Figur 1 nach unten auf einen Detektor 9 reflek- tiert, 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 Vor- richtung 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 des 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.

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 Laserlicht- quelle 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 punktförmige 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. Objekt- ebene 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.

Bezugszeichenliste 1 Lichtstrahl 2 Strahlteilerwürfel 3 erste Kondensorlinse 4 zweite Kondensorlinse 5 Lochblende 6 optische Einrichtung 7 Lichtleitfaser 8 faseroptischer faseroptischer Koppler 9 Detektor 10 Hohlspiegel 11 Apertur 12 kippbarer Mikrospiegel 13 erster Fokus 14 zweiter Fokus 15 Laserlichtquelle 20 Objekt-bzw. Bildebene 30 erste Ebene