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Title:
METHOD AND ARRAY FOR DETECTING THE POSITION OF A PLANE SCANNED WITH A LASER SCANNER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/072078
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and an array for detecting an XY plane to be scanned of an object and its positioning in the X'Y' focus plane of a laser scanner, preferably for a laser scan microscope. According to the said method, after roughly orienting the object, which is effected by placing the object in an object holder, a laser ray is directed successively to at least three different points (P1, P2...Pn) located in the XY plane of the object to be scanned. The reflections from points P1, P2...Pn are then reproduced in a position-sensitive detector, wherein an actual position value is determined for each reflection, said value being then compared with a stored set position value. Control commands for changing the inclination of the object holder are obtained from the deviations between the actual position values and the set positions values. The inclination of the object holder is changed on the basis of said control commands until points P1, P2...Pn are located in the X'Y' focus plane of the laser scanner.

Inventors:
MUEHLHOFF DIRK (DE)
RUDOLPH GUENTHER (DE)
SCHMIDT STEFAN (DE)
DOERING GERHARD (DE)
BERTHEL GUENTER (DE)
HARTMANN THOMAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2000/004493
Publication Date:
November 30, 2000
Filing Date:
May 18, 2000
Export Citation:
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Assignee:
ZEISS CARL JENA GMBH (DE)
MUEHLHOFF DIRK (DE)
RUDOLPH GUENTHER (DE)
SCHMIDT STEFAN (DE)
DOERING GERHARD (DE)
BERTHEL GUENTER (DE)
HARTMANN THOMAS (DE)
International Classes:
G02B7/28; G01B11/00; G02B21/00; G02B21/24; G02B21/26; G05B19/402; G05D3/12; (IPC1-7): G02B21/24
Domestic Patent References:
WO1998035256A11998-08-13
Foreign References:
US5783814A1998-07-21
DE19726696A11999-01-07
US5790710A1998-08-04
Attorney, Agent or Firm:
CARL ZEISS JENA GMBH (Carl-Zeiss-Promenade 10 Jena, DE)
CARL ZEISS JENA GMBH (Carl-Zeiss-Promenade 10 Jena, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Ausrichtung der optisch abzutastenden Ebene XY eines Objektes (9) zur Fokusebene X Y eines LaserScanners, wobei das Objekt (9) zunachst auf einer Objekthalterung (11) grob ausgerichtet wird, dann zeitlich nacheinander auf mindestens drei verschiedene, in der Ebene XY liegende Punkte P1, P2... Pn ein Laserstrahl gelenkt und dabei jeweils die von den Punkten P1, P2... Pn ausgehenden Reflexe auf einen positionsempfindlichen Detektor abgebildet werden, dort fur jeden der Reflexe ein IstPostitionswert ermittelt und dieser mit einem gespeicherten Soll Positionwert verglichen wird, aus den Abweichungen der Istvon den Soll Positionswerten Stellbefehle zur Neigungsanderung der Objekthalterung (11) gewonnen und die Neigungsanderung der Objekthalterung (11) soweit veranlaßt wird, bis sich die Punkte P1, P2... Pn in der Fokusebene X'Y'befinden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da6 drei Punkte P1 (xljyl), P2 (X2 ; Y2) und P3 (x3sy3) mit yl=y2= X3=0 und x1=x2W0; y30 angetastet werden, wobei ein Punkt Po mit xo=yo=0 etwa im Zentrum der Ebene XY liegt und Pl, P2, P3 bevorzugt Punkte nahe der Rander der Ebene XY sind und wobei die Ermittlung der Abweichungen zwischen Istund SollPositionswerten nach dem Prinzip der LaserTriangulation erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da6 LaserScanner und Objekt (9) zunachst so zueinander ausgerichtet werden, da8 der Laserstrahl etwa auf die Position Po gerichtet ist, dann die ScanEinrichtung so angesteuert wird, daS der Laserstrahl auf den Punkt Pi gerichtet ist, nun der IstPositionswert fur den Punkt P1 erfaßt wird, dann die ScanEinrichtung so angesteuert wird, daS der Laserstrahl auf den Punkt P2 gerichtet ist, der IstPositionswert fur den Punkt P2 erfaßt wird, aus den Abweichungen der Istzu den Soll Positionswerten der Punkte Pi und P2 Stellbefehle zur Verkippung der Objekthaltung (11) um die YAchse ermittelt werden und damit die Ausrichtung der XAchse der Ebene XY parallel zur Fokusebene X Y veranlaßt wird, danach die ScanEinrichtung so angesteuert wird, da6 der Laserstrahl auf den Punkt P3 gerichtet ist, nun der IstPositionswert fur den Punkt P3 erfaßt und mit dem SollPositionswert verglichen wird und aus der Abweichung von Istzu SollPositionswert des Punktes P3 ein Stellbefehl zur Verkippung der Objekthaltung (11) um die XAchse ermittelt und damit die Ausrichtung der YAchse der Ebene XY parallel zur Fokusebene X Y veranlaßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dal3 die genannten Schritte wiederholt werden und, sofern noch Abweichungen zwischen Istund Soll Positionswerten, die Reflexe der Punkte P1, P2, P3 betreffend, meßbar sind, in der beschriebenen Weise eine Ausrichtungskorrektur veranlaßt wird, bis keine Abweichungen mehr meßbar sind bzw. die Parallelitat der Ebene XY mit der Fokusebene X Y eingestellt ist oder die Ebene XY in der Fokusebene X'Y'liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daS nach der Ausrichtung des Laserstrahls auf den Punkt P1 eine Parallelverschiebung der Objekthaltung (11) in ZRichtung veranlaßt wird, bis der Reflex von P1 optimal auf den Detektor abgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Anspruche, dadurch gekennzeichnet, da nach der Ausrichtung der Ebene XY eine Parallelverschiebung der Objekthaltung (11) in ZRichtung veranlaßt wird, bis die Reflexe von P1, P2, optimal auf den Detektor abgebildet werden.
7. Anordnung zur Lageerfassung der abzutastenden Ebene XY eines Objektes (9) und zu deren Positionierung in der Fokusebene X Y eines LaserScanners, mit einer Objekthalterung (11) zur Aufnahme des Objektes (9), mit einem positionsempfindlichen Detektor zur Lokalisierung der Reflexe von drei in der Ebene XY liegenden und mit einem Laserstrahl angetasteten Punkten P1, P2, P3, mit einer Auswerteschaltung (19) zur Bestimmung der Abweichung des IstPositionswertes eines jeden dieser Reflexe von dessen SollPositionwert auf dem Detektor und mit einer mit der Auswerteschaltung (19) verbundenen Stelleinrichtung zur Neigungsanderung der Objekthalterung (11) relativ zur Fokusebene X Y des LaserScanners.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, da6 der LaserScanner einen auf einer drehbaren Achse gelagerten Spiegel (5) zur Ablenkung eines Laserstrahles in Richtung der Koordinate X aufweist und die Objekthalterung (11) in Richtung der Koordinate Y'geradlinig verschiebbar ist, wobei die Bewegungsablaufe tuber mit Positionsmeldern gekoppelte Antriebe steuerund kontrollierbar sind.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, da6 der Detektor als CCDZeile (15) mit 256 Pixeln ausgebildet und Bestandteil einer TriangulationsBaugruppe (12) ist, die weiterhin mindestens eine Laserdiode (13) mit A>780nm als separate Strahlungsquelle zur Antastung der Punkte P1, P2, P3 sowie eine Optik zur Einkopplung der Diodenstrahlung (16) in den Strahlengang des Laser Scanners umfaßt.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, da6 die Diodenstrahlung (16) ein gaußförmiges Intensitatsprofil aufweist und die IstPosition der von den Punkten P1, P2, P3 reflektierten Diodenstrahlung (16) auf der CCDZeile (15) durch den Schwerpunkt der Gaurs Funktion definiert ist.
11. Anordnung nach einem der Anspruche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, da6 in der Auswerteschaltung (19) ein Speicher mit den Punkten P1, P2, P3 zugeordneten Soll Positionswerten vorgesehen ist und die Auswerteeinheit (19) weiterhin uber einen Differenzbildner verfugt, an dessen Eingängen jeweils ein IstPositionswert und ein SollPositionswert, jeweils bezogen auf einen der Punkte Pi, P2, P3, anliegen und an dessen Ausgang ein Differenzsignal abgreifbar ist, das als Stellsignal fur die mit der Objekthalterung (11) gekoppelte Stelleinrichtung dient.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung drei separat in Richtung der Koordinate Z zustellbare Antriebselemente (20,21,22) aufweist, die mit der Objekthalterung (11) tuber je einen Anlenkpunkte A1, A2, A3 mechanisch verbunden sind, wobei die Objekthalterung (11) nach dem Prinzip der Dreipunktlagerung an den Anlenkpunkt A1, As. A3 anliegt und die Anlenkpunkt Ai, A2, A3 ebenso wie die Punkte P1, P2, P3 in der Ebene XY liegen.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, da6 die Anlenkpunkte Ai, A2 und die Punkte P1, P2 in der X Achse der Ebene XY und/oder der Anlenkpunkt A3 und der Punkt P3 in der YAchse der Ebene XY liegen.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, da6 als Antriebselemente (20,21,22) piezoelektrische Antriebe oder mit Rotationsantrieben gekoppelte feingangige Gewindespindeln vorgesehen sind.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, da6 die Antriebselemente (20,21,22) in Ausnehmungen der Objekthalterung (11) eingreifen, die Objekthalterung (11) innerhalb der Ausnehmungen an den Antriebselementen (20,21,22) anliegt und Antriebselemente (20,21,22) und Objekthalterung (11) durch Federn (23) elastisch gegeneinander vorgespannt sind.
Description:
Verfahren und Anordnung zur Lageerfassung einer mit einem Laser-Scanner abzutastenden Ebene Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Anordnung zur Lageerfassung der abzutastenden Ebene XY eines Objektes und zu deren Positionierung in der Fokusebene X'Y'eines Laser-Scanners, vorzugsweise bei einem Laser-Scan-Mikroskop.

In den letzten zwei Jahrzehnten haben Scanner einen fortgeschrittenen Stand der Technik erreicht. Insbesondere in der Medizintechnik, in der MeBtechnik und vor allem auch in der Mikroskopie werden immer haufiger Objekte mit einem Laserstrahl abgetastet. Zum Beispiel weisen Laser-Scan- Mikroskope gegenüber den konventionellen Mikroskopen im biologisch-medizinischen Bereich klare Vorteile auf, die im wesentlichen auf die erreichbare höhere Auflosung zuruckzufuhren sind und auf die Möglichkeit, bestimmte Tiefenschichten zu differenzieren.

So ist in der Fluoreszenzmikroskopie aufgrund der hohen punktuellen Intensitat des fokussierten Laserstrahles die Ausnutzung der Empfindlichkeit von Photovervielfachern fur einen Bildaufbau bei selbst schwachen Fluoreszenzen möglich. Allerdings setzen XY-Scanner eine sehr hohe Positioniergenauigkeit bei der Ausrichtung der

abzutastenden Objekte zur Fokussierebene des Mikroskops voraus.

Je hoher die Tiefenauflösung ist, um so präziser mu6 die zu untersuchende Ebene der Probe in den Fokus des Laserstrahles gebracht werden, um Intensitatsverluste zu vermeiden bzw. einer mangelnden Bildqualitat vorzubeugen.

Insofern ist es im Zusammenhang mit der immer noch fortschreitenden Entwicklung auf diesem technischen Gebiet erforderlich, Verfahren und Anordnungen zur exakten und nach Moglichkeit selbsttatigen Ausrichtung der Objekte bzw. abzutastenden Ebenen relativ zur Fokusebene zur Verfügung zu stellen. Die noch haufig angewendete Positionierung uber feinfuhlig zustellbare manuelle Antriebe mit wiederholter Positionskorrektur genugt den Anforderungen in der Regel nicht mehr.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine selbsttatige und genaue Positionierung einer abzutastenden Ebenen XY in der Fokusebene X'Y'eines Laser-Scanners möglich ist.

Erfindungsgemä$ ist bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, daS nach einer Grobausrichtung des Objektes, die mit dem Fixieren auf einer Objekthalterung erfolgt, zeitlich nacheinander auf mindestens drei verschiedene, in der abzutastenden Ebene XY des Objektes liegende Punkte Pl, P2... Pn ein Laserstrahl gelenkt und dabei jeweils die von den Punkten P1, P2... Pn ausgehenden Reflexe auf einen positionsempfindlichen Detektor abgebildet werden, dort fur jeden der Reflexe ein Ist-Positionswert ermittelt und dieser mit einem

gespeicherten Soll-Posionswert verglichen wird, aus den Abweichungen der Ist-von den Soll-Positionswerten Stellbefehle zur Neigungsanderung der Objekthalterung gewonnen und auf der Grundlage dieser Stellbefehle die Neigungsanderung der Objekthalterung soweit veranlaßt wird, bis sich die Punkte P1, P2... Pn in der Fokusebene X'Y'des Laser-Scanners befinden.

Die wesentlichen Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daS zur Positionsermittlung weitestgehend die Baugruppen verwendet werden können, die ohnehin in einem Laser-Scanner vorhanden sind, wie beispielsweise die Positionsgeber fur den Laserstrahl sowie die optischen Elemente zur Ubertragung der von der Probe reflektierten Laserstrahlung auf eine optoelektronische Empfangseinrichtungen mit nachfolgender Auswerteeinheit. Außerdem ist auf diese Weise die Positionierung nicht nur genauer, sondern auch wesentlich schneller als mit allen bisher bekannten Verfahren möglich.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindunsgemaSen Verfahrens ist vorgesehen, daß drei Punkte Pi (xi; yi), P2 (X2 ; Y2) und P3 (x3 ; Y3) mit yl=Y2=x3=0 und Xl=-X2$°i y3$0 angetastet werden, wobei ein Punkt Po mit xo=yo=0 etwa im Zentrum des Objektes bzw. der abzutastenden Ebene XY liegt, Pl, P2, P3 bevorzugt Punkte nahe der Objektrander sind und wobei die Ermittlung der Abweichungen zwischen Ist-und Soll-Positionswerten nach dem Prinzip der Laser- Triangulation erfolgt.

Somit sind drei Punkte P1, P2, P3 definiert, die zur Positionserkennung vorteilhaft geeignet sind, da sie erstens aufgrund ihrer Lage an den Objektrandern bzw. an

den Randern der abzutastenden Ebene XY weit auseinander liegen, was gute Voraussetzungen fur die Laser- Triangulation schafft, und zweitens auch unkompliziert ansteuerbar sind, wenn man davon ausgeht, daß der Punkt Po etwa die Ausgangsposition des Laserstrahles im Koordinatenursprung der Fokusebene X Y definiert.

Bei der Triangulation wird mittels des Laserstrahles ein Lichtpunkt auf die abzutastende Ebene des MeSobjektes projiziert und das reflektierte Licht auf einen positionsempfindlichen Detektor abgebildet.. Dabei ist in Abhangigkeit vom Abstand zwischen der abzutastenden Ebene XY und dem Objektiv, gemessen in der Koordinate Z, die Position des Reflexes auf dem Detektor verschieden. Das vom Detektor ausgegebene Signal ist somit ein MaS fur den Abstand der reflektierenden Flache zum Objektiv bzw. ein MaS dafur, ob der reflektierende Punkt im Fokus des Objektivs liegt oder nicht.

Erfindungsgemäß wird das Objekt zunachst so ausgerichtet, da6 der Laserstrahl etwa auf die Position Po gerichtet ist, dann die Scan-Einrichtung so angesteuert, da6 der Laserstrahl auf den Punkt P1 gerichtet ist, ggf. eine Parallelverschiebung der Objekthalterung in Z-Richtung veranlaßt, bis der Reflex von Pi ein eindeutiges Signal auf dem Detektor liefert, nun der Ist-Positionswert fur den Punkt P1 erfaßt, dann die Scan-Einrichtung so angesteuert, daß der Laserstrahl auf den Punkt P2 gerichtet ist, jetzt der Ist-Positionswert fur den Punkt P2 erfaßt, aus den Abweichungen der Ist-zu den Soll-Positionswerten Stellbefehle zur Verkippung der Objekthalterung um die Y- Achse ermittelt und somit die Ausrichtung der X-Achse der Ebene XY parallel zur Fokusebene X Y veranlaßt, hiernach

die Scan-Einrichtung so angesteuert, da6 der Laserstrahl auf den Punkt P3 gerichtet ist, der Ist-Positionswert fur den Punkt P3 erfaßt und schließlich aus der Abweichung von Ist-zu Soll-Positionswert des Punktes P3 ein Stellbefehl zur Verkippung der Objekthaltung um die X-Achse ermittelt und damit auch die Parallelausrichtung der Y-Achse der Ebene XY zur Fokusebene X Y veranlaßt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daS die genannten Schritte wiederholt werden, um gegebenenfalls noch vorhandene Abweichungen zu ermitteln und in der beschriebenen Weise nachzustellen, bis keine Abweichungen mehr meßbar sind bzw. die Parallelitat der Ebenen XY mit der Fokusebene X Y eingestellt ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt es weiterhin, da6 nach dieser Ausrichtung der Ebene XY eine Parallelverschiebung in Z- Richtung vorgenommen wird und zwar so weit, bis die Reflexe von Pl, P2, P3 mit maximaler Intensitat auf den Detektor abgebildet werden. Damit wird mit hoher Sicherheit gewahrleistet, daß die abzutastende Ebene XY nicht nur parallel zur Fokusebene X'Y'ausgerichtet ist, sondern mit dieser zusammenfallt.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Anordnung zur Ausfuhrung der vorgenannten Verfahrensschritte bzw. zur Lageerfassung der abzutastenden Ebene XY eines Objektes und zu deren Positionierung in der Fokusebene X Y eines Laser- Scanners, bevorzugt eines Laser-Scan-Mikroskopes, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Anordnung, die ausgestattet ist mit einer Objekthaltung zur

Aufnahme des Objektes, mit einem positionsempfindlichen Detektor zur Lokalisierung der Reflexe von drei in der Ebene XY liegenden und mit einem Laserstrahl nacheinander oder zeitgleich angetasteten Punkte Pi, P2, P3, mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Abweichungen des Ist- Positionswertes eines jeden dieser Reflexe von dessen Soll- Positionswert auf dem Detektor und mit einer mit der Auswerteschaltung verbundenen Stelleinrichtung zur Neigungsanderung der Objekthalterung relativ zur Fokusebene X Y des Laser-Scanners.

Bevorzugt bezieht sich die erfindungsgemäße Anordnung auf einen im Stand der Technik an und fur sich bekannten Laser- Scanner, der einen auf einer drehbaren Achse gelagerten Spiegel zur Ablenkung eines Laserstrahles in Richtung der Koordinate X'aufweist und bei dem die Objekthalterung in Richtung der Koordinate Y'geradlinig verschiebbar ist, wobei die Bewegungsablaufe uber mit Positionsmeldern gekoppelte Antriebe steuer-und kontrollierbar sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Detektor als CCD-Zeile mit 256 Pixeln ausgebildet und Bestandteil einer Triangulations-Baugruppe, in der weiterhin mindestens eine Laserdiode als separate Strahlungsquelle zur Antastung der Punkte P1, P2, P3, bevorzugt mit einer Laserwellenlange >780nm und eigener Ansteuerung, und eine Optik zur Einkopplung der Diodenstrahlung z. B. in den-Strahlengang des Laser- Scanners vorgesehen sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Diodenstrahlung ein gaußförmiges Intensitatsprofil aufweist und die Ist- Positionen der von den Punkten P1, P2, P3 reflektierten

Diodenstrahlung auf der CCD-Zeile jeweils durch den Schwerpunkt der Gauß-Funktion definiert sind. Die Schritte zur Bestimmung des Schwerpunktes gehören zum Stand der Technik und sollen deshalb hier nur kurz angedeutet werden: Auf der CCD-Zeile wird zunachst das Pixel mit der maximalen Intensitat sowie das Niveau des Grundsignales ermittelt.

Aus diesen Werten wird die Halbwertshohe der GauS-Funktion berechnet und es werden die Schnittpunkte der GauS-Funktion mit der Halbwertshohe bestimmt, wobei zwischen den Pixeln linear interpoliert wird. Der Mittelwert zwischen den Schnittpunkten gibt naherungsweise den Schwerpunkt an.

Durch die Interpolation erhalt man den Schwerpunkt mit einer Auflosung, die besser ist als die Pixelgröße und nur durch das Rauschen sowie Abweichungen des MeSsignales von der angenommenen GauSfunktion begrenzt wird.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daS in der Auswerteschaltung ein Speicher mit (den Punkten Pl, P2, P3 zugeordneten) Soll-Positionswerten vorgesehen ist, wobei die Soll-Position jeweils bevorzugt in der Mitte der CCD- Zeile definiert ist und die Auswerteeinheit weiterhin uber einen Differenzbildner verfugt, an dessen Eingangen bei jeder Auswertung jeweils ein Ist-Positionswert und ein Soll-Positionswert anliegen, jeweils bezogen auf einen der Punkte P1, P2, P3, und an dessen Ausgang ein Differenzsignal als Stellsignal fur die mit der Objekthalterung gekoppelte Stelleinrichtung abgreifbar ist.

Die Stelleinrichtung ist vorteilhaft so ausgebildet, daß sie drei separat in Richtung der Koordinate Z zustellbare Antriebselemente aufweist, von denen jedes mit der Objekthalterung über einen gesonderten Anlenkpunkt Ai, A2, A3

mechanisch verbunden ist. Dabei liegen die Anlenkpunkte Ai, A2, A3 ebenso wie die Punkte P1, P2, P3 in der Ebene XY.

AuSerdem befinden sich die Anlenkpunkte A1 und A2 mit den Punkten P1 und P2 auf derselben Geraden, die auch durch den Koordinatenursprung Po geht und so die X-Achse bildet, wahrend die Punkte A3, P3 und der Koordinatenursprung ebenfalls auf einer gemeinsamen Geraden, namlich der Y- Achse, liegen.

Aufgrund dieser Anordnung im Zusammenhang mit der separaten Ansteuerbarkeit der Antriebselemente ist gewahrleistet, da6 die Objekthalterung beispielsweise um die Y-Achse gekippt werden kann, wenn die Anlenkpunkte A1 und A2 gegenlaufig angesteuert werden, wahrend der Anlenkpunkt A3 in relativer Ruhe verbleibt. Weiterhin besteht so die Moglichkeit, die Objekthalterung definiert um die X-Achse zu kippen, sofern lediglich der Anlenkpunkt A3 angesteuert wird und die Anlenkpunkte Ai und As in relativer Ruhe verbleiben.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Stelleinrichtung hat vorteilhaft zur Folge, daS die Winkel-Stellbewegungen um die X-Achse einerseits und die Y-Achse andererseits unabhangig voneinander vorgenommen werden können und darauf verzichtet werden kann, die X-Achse nachzufuhren, wahrend die Y-Achse bewegt wird und umgekehrt.

Vorteilhaft ist weiterhin vorgesehen, das als Antriebselemente piezoelektrische Antriebe oder, in einer alternativen Ausführung, mit Rotationsantrieben gekoppelte feingangige Gewindespindeln vorgesehen sind. Weiterhin kann der Stellmechanismus so ausgebildet sein, daß die Antriebselemente in Ausnehmungen der Objekthalterung eingreifen, die Antriebselemente innerhalb der Ausnehmungen

an der Objekthaltung nach dem Kugel/Kalotten-Prinzip anliegen und Antriebselemente und Objekthalterung durch Federn elastisch gegeneinander vorgespannt sind, wodurch sich eine spielfreie Lagerung ergibt.

Selbstverstandlich sind auch anderweitige Ausbildungen der Antriebselemente denkbar, so beispielsweise in Fuhrungen verschiebliche Bolzen, die einerseits an den Anlenkpunkten Ai, A2, A3 anliegen und andererseits mit Exenterflachen in Berührung stehen, wobei die Exenter von Schrittmotoren, die zur Erzielung der erforderlichen Prazision mit entsprechenden Getrieben ausgestattet sind, angetrieben werden.

Der Vollstandigkeit halber sei darauf hingewiesen, da6 die Erfindung zwar anhand des Triangulations-Prinzips zur Erfassung der von den Punkten P1, P2, P3 reflektierten Laserstrahlung erlautert worden ist, was jedoch nicht ausschließt ; da$ hier auch andere Mittel zur Lageerkennung dieser Reflexe genutzt werden konnen. Es sei diesbezüglich lediglich die Moglichkeit angedeutet, einen kollimierten symmetrischen Laserstrahl senkrecht auf die Ebene XY zu richten und den Reflex liber eine Zylinderlinse auf eine Quadrantendiode abzubilden. Hierbei ist die Elliptizitat des Fokus auf der Quadrantendiode ein Ma6 fur die Lageabweichung des mit dem Laserstrahl beaufschlagten Punktes von der Fokusebene. Auch ist beispielsweise ein Kontrastbestimmungsverfahren anwendbar, bei dem bei laufender Abtastung der Abstand der Punkte P1, P2, P3 solange geandert wird, bis eine aus dem ermittelten Bild abgeleitete Kontrastfunktion ihr Maximum hat. Dabei kann sowohl ein einfacher Kontrast bestimmt werden als auch das Frequenzspektrum der Bildinformationen.

Die vorbeschriebene Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar zu Abtastung der Plattenböden von Mikrotiterplatten und Bio-Chips, in denen sich fluoreszierende Proben befinden. Dabei ist allerdings zu berucksichtigen, da6 die Laserstrahlung zweimal reflektiert wird, namlich einmal von der Unterseite und ein zweites Mal von der Innenseite des Plattenbodens. Das heißt, es können je nach Ortsauflösung ein oder auch zwei Laserreflexe auf der CCD-Zeile erscheinen. Da sich die Innenseite naher an der abzutastenden Probe befindet, wird bevorzugt diese reflektierende Flache zur Ausrichtung verwendet.

Unter Umstanden ist es auch vorteilhaft, wenn in der Triangulations-Baugruppe nicht nur eine, sondern auch noch eine zweite Laserdiode (zusatzlich zur Laserstrahlungsquelle, die zur Fluorenszenzmikroskopie der Probe vorgesehen ist) vorhanden ist, wobei zwar stets nur eine aktiv sein muS, auf diese Weise jedoch den stark unterschiedlichen Aperturen verschiedener Objektive Rechnung getragen werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung kann ein mechanischer Shutter vorhanden sein, der den Mikroskopierlaserstrahl wahrend der Ausrichtung der Ebene XY blockiert. Damit wird einem ungewollten Ausbleichen der Probe vorgebeugt.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erlautert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Laser-Scanners mit der erfindungsgemäßen Anordnung Fig. 2 eine Darstellung des Prinzips der Laser- Triangulation Fig. 3a, 3b das Prinzip der Ankopplung separater Antriebselemente an die Objekthalterung Fig. 4 eine Draufsicht der Objekthalterung mit aufgelegtem Objekt In Fig. 1 ist das Prinzip eines Laser-Scan-Mikroskopes dargestellt, bei dem ein von einem Laser. 1 ausgehender Laserstrahl 2 tuber eine strahlaufweitende Optik 3, einen Galvanometer-Scanner 4, der einen auf einer Drehachse gelagertern Spiegel 5 zur Ablenkung des Laserstrahles in der Koordinate X aufweist, über einen Strahlteiler 6 in den Mikroskopstrahlengang 7 eingespiegelt wird.

Der Mikroskopstrahlengang 7 ist durch das Mikroskopobjektiv 8 hindurch auf ein Objekt 9 gerichtet. Bei dem Objekt 9 handele es sich beispielhaft um eine Mikrotiterplatte oder Bio-Chip zur Aufnahme von fluoreszierenden Proben. Die Plattenböden der Mikrotiterplatten werden als Ebene XY genutzt.

Die Auslesung der Probe anhand der in das Mikroskopobjektiv 8 zuruckgeworfenen Fluoreszenzstrahlung erfolgt üblicherweise durch einen Photoempfanger 10.

Die Probe ist auf einer Objekthalterung 11 abgelegt, die in der Koordinate Y' (nicht dargestellt) verschiebbar ist, so da6 durch Zusammenwirken des Galvanometer-Scanners 4 und der Verschiebung der Objekthalterung 11 eine Ebene XY mit dem Laserstrahl 2 abgetastet werden kann.

Um als Voraussetzung fur eine hochwertige Bildgewinnung mit dieser Einrichtung zu gewahrleisten, daL die abzutastende Ebene XY des Objektes 9 in der Fokusebene X'Y'des Laser- Scan-Mikroskopes positioniert ist, ist erfindungsgemäß eine Triangulations-Baugruppe 12 vorgesehen, deren prinzipieller Aufbau in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 2 ist zu erkennen, dag die Triangulations-Baugruppe 12 eine Laserdiode 13, die eine Laserstrahlung mit X=780nm aussendet, eine Reader-Optik 14 und eine CCD-Zeile 15, beispielhaft mit 256 Pixeln, aufweist.

Das Prinzip der Laser-Triangulation und damit auch die Wirkungsweise der Triangulations-Baugruppe 12 sei anhand Fig. 2 kurz erlautert: Die von der Laserdiode 13 ausgehende Diodenstrahlung 16 ist durch die Reader-Optik 14 hindurch auf die abzutastende Ebene XY des Objektes 9 gerichtet. Die Position, an welcher die Diodenstrahlung 16 auf die Ebene XY trifft, ist mit der Scan-Einrichtung des Laser-Scan- Mikroskopes beeinflußbar, indem der Galvanometer-Scanner 4 und die Tischsteuerung zur Verschiebung der Objekthalterung 11 in der Koordinate Y entsprechend angesteuert werden und die Diodenstrahlung 16, wie in Fig. l dargestellt, über einen Strahlteiler 17 in den Unendlich-Strahlengang der Scan-Einrichtung eingespiegelt wird.

Zum Zwecke der Erlauterung sei angenommen, daß die Scan- Einrichtung so angesteuert wird, daß die Diodenstrahlung 16 auf einen Punkt P1 der Ebene XY trifft (siehe Fig. 2). Der von der Ebene XY reflektierte Diodenstrahl 16 tritt dann wiederum durch die Reader-Optik 14 hindurch und trifft bei der Position 18 auf die CCD-Zeile 15.

Aus Fig. 2 wird weiter deutlich, da6 sich mit der Veranderung des Abstandes der Ebene XY bzw. des Punktes P1 von der Reader-Optik 14 bzw. damit auch vom Mikroskopobjektiv 8 die Position des auf die CCD-Zeile 15 treffenden Reflexes andert. Wird unter Ausnutzung dieses Prinzips die Position 18 nun so definiert, daS sie den genauen Fokusabstand der Ebene XY im Punkt P1 entspricht, so ist durch Vergleich beispielsweise der Positionen 18.1 oder 18.2 mit der gewunschten Position 18 durch Auswertung der dazwischen liegenden Pixel meßbar, um welchen Betrag die Lage des Punktes P1 von der Fokuslage abweicht.

In Fig. 1 ist nun weiterhin dargestellt, daS die Triangulations-Baugruppe 12 mit einer Auswerteschaltung 19 verbunden ist, die zur Ermittlung dieser Abweichungen ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist in der Auswerteschaltung 19 ein Differenzbildner vorgesehen, der für jeden beliebigen Punkt P1, P2... Pn, auf den die Diodenstrahlung 16 mit Hilfe der Scan-Einrichtung gerichtet wird, aus den Lageabweichungen in der vorbeschriebenen Weise ein Differenzsignal ermittelt.

Die Auswerteschaltung 19 ist erfindungsgemäß weiterhin uber Signalwege mit drei unabhangig voneinander ansteuerbaren Antriebselementen 20,21,22 verbunden, die zur Verstellung der Objekthalterung 11 in Richtung der Koordinate Z ausgelegt sind. Als Antriebselemente 20,21,22 seien beispielhaft Feingewindespindeln vorgesehen, die mit ansteuerbaren Rotationsantrieben gekoppelt sind (zeichnerisch nicht im Detail dargestellt).

In Fig. 3a und Fig. 3b ist das Prinzip der mechanischen Kopplung zwischen den Antriebselementen 20,21,22 dargestellt, durch welche sich die im folgenden erläuterte Funktionsweise der Stelleinrichtung ergibt.

In Fig. 3a und Fig. 3b sind jeweils das Mikroskopobjektiv 8 und die Objekthalterung 11 zu erkennen. Weiterhin ist die Ebene XY angedeutet, in der die abzutastende Probe 9 liegt.

Fig. 3a zeigt die Objekthalterung 11 in einem Schnitt durch die XZ-Ebene, wobei zu erkennen ist, da6 die Anlenkpunkte A1 und A2, uber die die Kraft-und Bewegungsubertragung von den Antriebselementen 20 und 21 auf die Objekthalterung 11 erfolgt, sowohl in der Ebene XY als auch in der XZ-Ebene (Zeichenebene) liegen. Beide Anlenkpunkte A1 und A2 sind also (etwa gleichweit vom Koordinatenursprung entfernt) in der X-Achse angeordnet.

Fig. 3b zeigt den Schnitt BB aus Fig. 3a und damit einen Schnitt durch die Ebene YZ. Hier ist erkennbar, da6 der Anlenkpunkt A3, uber den das dritte Antriebselement 22 und die Objekthalterung 11 miteinander gekoppelt sind, sowohl in der Ebene YZ als auch in der Ebene XY und damit auf der Y-Achse liegt.

Bei der Ankopplung der Objekthalterung 11 an die Antriebselemente 20,21,22 handelt es sich demnach um eine Dreipunktauflage, wobei zwei der Auflagepunkte (A1, A2) in der X-Achse und der dritte Auflagepunkt (A3) in der Y-Achse liegen.

Werden nun, wie in Fig. 3a angedeutet, die Antriebselemente 20 und 21 gegenlaufig in Richtung +z bzw.-z zugestellt und

ruht das Antriebselement 22, erfolgt eine Neigungsanderung der Objekthalterung 11 und damit der abzutastenden Ebene XY um deren Y-Achse.

Anhand Fig. 3b laSt sich dagegen erkennen, da6 bei Zustellung des Antriebselementes 22 in Richtung +Z und bei ruhenden Antriebselementen 20 und 21 eine Verkippung der Objekthalterung um die X-Achse erfolgt.

In Fig. 3a und Fig. 3b sind weiterhin Zugfedern 23 angedeutet, die eine elastische Vorspannung der Objekthaltung 11 gegen die Antriebselemente 20,21,22 bewirken. Die Anlageflächen zwischen Objekthalterung 11 und Antriebselementen 20,21,22 seien bevorzugt als Kugel einerseits und Kalotte andererseits ausgebildet.

In Fig. 4 ist die Objekthalterung 11 in einer vereinfachten Darstellung in Draufsicht erkennbar. Hier ist noch einmal die Positionierung der Anlenkpunkte A1, A2, A3 verdeutlicht, wobei zu erkennen ist, da6 A1 und As auf der X-Achse und A3 auf der Y-Achse liegen. Alle drei Anlenkpunkte A1, A2, A3 sind außerdem in der XY-Ebene, in diesem Fall der Zeichenebene, positioniert.

Etwa im Zentrum der Objekthalterung 11 ist das Objekt 9 positioniert. Objekthalterung 11 und Objekt 9 sind dabei relativ zur Scan-Einrichtung so ausgerichtet, daS der Koordinatenursprung zumindest etwa in den Flachenzentren angeordnet ist.

Mit dieser Anordnung läßt sich das erfindungsgemaSe Verfahren wie folgt ausfuhren, wobei zunachst davon ausgegangen wird, da6 das Objekt 9 auf der Objekthalterung

11 grob ausgerichtet ist, das heißt die abzutastende Ebene XY möglicherweise noch nicht in der Fokusebene des Laser- Scan-Mikroskopes positioniert ist: In einem ersten Verfahrenschritt wird die Scan-Einrichtung so angesteuert, da6 der Diodenstrahl 16 (vgl. auch Fig. 1 und Fig. 2) auf einen Punkt P1 gerichtet ist, der wie die Anlenkpunkte A1 und A2 auf der X-Achse, jedoch bevorzugt nahe dem Objektrand in Richtung-x, liegt. Wie weiter oben bereits beschrieben, wird nun anhand des Reflexes von Punkt P1 durch Vergleich der Ist-Position mit dem Vergleich der in der Auswerteeinheit gespeicherten Soll-Position die Ablage des Punktes Pi von der Fokusebene ermittelt.

Im nachsten Schritt wird die Scan-Einrichtung so angesteuert, daß der Laserstrahl auf einen Punkt P2 der abzutastenden Ebene XY gerichtet ist, wobei der Punkt P2 ebenso wie die Anlenkpunkte A1 und A2 auf der X-Achse, jedoch bevorzugt nahe dem Objektrand in Richtung +x, liegt.

Fur den Reflex von Punkt P2 wird in derselben Weise die Abweichung von der Fokusebene ermittelt.

Die ermittelten Abweichungen fur P1 und P2 werden als gegenlaufige Stellbefehle an die Antriebselemente 20 und 21 ausgegeben, wodurch eine Verkippung (wie bereits dargestellt) um die Y-Achse veranlaßt wird, und zwar jeweils um den Betrag, der als Abweichung von der Soll-Lage ermittelt worden ist. Bei hoher Prazision ist die X-Achse nun parallel zu Fokusebene X'Y'ausgerichtet bzw. liegt bereits innerhalb der Fokusebene X'Y'.

Nachfolgend wird die Scan-Einrichtung so angesteuert, daS die Diodenstrahlung 16 auf einen Punkt P3 gerichtet ist,

der ebenso wie der Anlenkpunkt A3 auf der Y-Achse, jedoch bevorzugt nahe dem Objektrand in Richtung-y liegt. Nun wird der Ist-Positionswert mit der Triangulations-Baugruppe 12 ebenso wie oben beschrieben erfaSt und aus der Abweichung zwischen Ist-und Soll-Position des Reflexes von P3 auf der CCD-Zeile 15 ein Stellbefehl fur das Antriebselement 22 ermittelt, an dieses ausgegeben und damit die Verkippung der Objekthalterung 11 um die X-Achse bewirkt, womit nunmehr auch die Ausrichtung der Y-Achse parallel zur Fokusebene X'Y'erzielt wird.

Optional können die genannten Verfahrensschritte nun wiederholt werden und, sofern noch Abweichungen zwischen Ist-und Soll-Positionswerten, die Reflexe der Punkte Pl, P2, P3 betreffend, meßbar sind, Lagekorrekturen in der vorbeschriebenen Weise veranlaßt werden. Dauber hinaus kann durch gleichzeitige Ansteuerung der Ansteuerelemente 20,21,22 mit gleicher Bewegungsrichtung eine Zustellung des Objektes 9 in der Koordinate Z soweit veranlaßt werden, bis die Reflexe von P1, P2, P3 mit maximaler Intensitat auf die CCD-Zeile abgebildet werden. Damit ist eine exakte Ausrichtung des Objektes 9 relativ zur Scan-Einrichtung erreicht.

Während der beschriebenen Verfahrensschritte kann ein Shutter 24 so angesteuert werden, da6 die zur Fluoreszenzanregung der Probe bestimmte Laserstrahlung 2 blockiert ist.

Bezugszeichenliste 1 Laser 2 Laserstrahl 3 strahllaufweitende Optik 4 Galvanometer-Scanner 5 Spiegel 6 Strahlteiler 7 Mikroskopstrahlengang 8 Mikroskopobjektiv 9 Objekt 10 Okular 11 Objekthalterung 12 Triangulations-Baugruppe 13 Laserdiode 14 Reader-Optik 15 CCD-Zeile 16 Diodenstrahlung 17 Strahlteiler 18,18.1,18.2 Positionen 19 Auswerteschaltung 20,21,22 Antriebselemente 23 Zugfedern 24 Shutter