Automatische Fokusjustierung

Piezoantriebe für die Mikroskopie

  • Piezoantriebe lassen sich flexibel und einfach am Mikroskop anbringen und erlauben eine schnelle Feinjustierung des Fokus. Mehrere 100 µm können so innerhalb von wenigen Millisekunden auf wenige Nanometer genau angefahren werdenPiezoantriebe lassen sich flexibel und einfach am Mikroskop anbringen und erlauben eine schnelle Feinjustierung des Fokus. Mehrere 100 µm können so innerhalb von wenigen Millisekunden auf wenige Nanometer genau angefahren werden
  • Piezoantriebe lassen sich flexibel und einfach am Mikroskop anbringen und erlauben eine schnelle Feinjustierung des Fokus. Mehrere 100 µm können so innerhalb von wenigen Millisekunden auf wenige Nanometer genau angefahren werden
  • Mit PIFOC Z-Antrieben lassen sich nicht nur einzelne Objektive justieren, sondern auch der komplette Objektivrevolver
  • Die Piezo-Z-Antriebe lassen sich aufgrund ihrer Kompaktheit oft direkt in den bereits vorhandenen XY-Probenscanner (hier ein Kreuztisch von Märzhäuser) integrieren

In der Biotechnologie sowie in der klinischen und pharmazeutischen Forschung ist Mikroskopie heute ohne Automatisierungstechnik kaum noch denkbar. Aber auch bei etlichen Anwendungen in der industriellen Oberflächeninspektion verlangen sowohl die großen Datenmengen als auch die gewünschten Durchsatzraten entsprechende Lösungen bei Probenhandling und -positionierung. Nun erreichen handelsübliche Schrittmotoren zwar die notwendigen Geschwindigkeiten und Auflösungen im Mikrometerbereich und eignen sich damit durchaus als Antriebe für einen Proben-Scan in XY-Richtung. Für Bewegungen in Richtung der optischen Achse hingegen sind weitaus höhere Auflösungen erforderlich, gleichzeitig sind langsame Einschwingzeiten der Antriebe hier unerwünscht. Weitaus bessere Voraussetzungen für die Fokus-Feinjustierungen bieten Piezoantriebe. Obendrein lassen sie sich vergleichsweise einfach in die Anwendung integrieren und auch ein späteres Nachrüsten ist meist unproblematisch.

In der Mikroskopie gibt es heute viele Anwendungen, die eine dynamische und präzise Justierung der Probe in Richtung der optischen Achse erfordern. Dazu gehören beispielsweise die Autofokussierung auf die Topografie der Oberfläche oder die Datenerfassung in unterschiedlichen Brennebenen zur computerunterstützten Darstellung dreidimensionaler Strukturen. In all diesen Fällen kommt es darauf an, in möglichst kurzer Zeit mit größtmöglicher Genauigkeit zu fokussieren:

Zeitvorteil beim Screening
Ein breites Anwendungsfeld in der Mikroskopie hat dabei das sog. Screening. Darunter versteht man ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb eines definierten Prüfbereichs - dieser besteht meist aus einer großen Anzahl von Proben - bestimmte Eigenschaften der Prüfobjekte zu identifizieren. Typische Applikationen finden sich in Biotechnologie, medizinischer Diagnostik oder Pharmazie. Dabei werden Gewebe- oder Zellproben einem Wirkstoff ausgesetzt und die Veränderungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Dosierung und der Einwirkzeit beobachtet. Außerdem kann die Bestrahlung fluoreszierender Tracer toxisch auf die Zellen wirken; ein weiterer Grund, weshalb der Zeitfaktor beim Fokussieren eine wichtige Rolle spielt.

Gleichzeitig verlangt der Handlingprozess nach hohen Durchsatzraten der Proben. Auch aus diesem Grund sind beim Screening möglichst hohe Geschwindigkeiten beim Fokussieren erwünscht.
Speziell für solche Problemstellungen hat die Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI) Piezoantriebe im Programm, die sich flexibel und einfach am Mikroskop anbringen lassen und den klassischen Z-Motor - meist ein Schrittmotor - bei seiner Arbeit unterstützen (Abb. 1) oder ihn ersetzen. Dabei wird entweder das Objektiv, der Objektivrevolver oder die Probe entlang der optischen Achse bewegt. Ist die erste Probe in den Fokus gebracht, können sich die Brennebenen der nachfolgenden Proben von der ersten unterscheiden, sei es durch Differenzen in der Füllstandshöhe oder durch Unebenheiten am jeweiligen Probenhalter. Um die Qualität der Auswertung zu garantieren, muss deshalb bei jeder Probe der Fokus nachjustiert werden, und zwar mit möglichst kurzen Einschwingzeiten. Diese Aufgabe übernimmt der Piezoantrieb. Die Autofokus-Routinen sprechen beim Nachjustieren also nicht mehr den langsameren Schrittmotor an, sondern den Piezoantrieb. Bei einem maximalen Stellweg von bis zu 500 µm regelt dieser binnen weniger Millisekunden die Position auf wenige Nanometer genau.

Dreidimensionale Bilderzeugung
Diese Vorteile des Piezoantriebs lassen sich auch für die dreidimensionale Bilderzeugung nutzen. Bei der sog. konfokalen Mikroskopie werden beispielsweise in der Diagnostik virtuelle Schnitte durch die Gewebestruktur erzeugt bzw. die Beschaffenheit der Probe wird durch die Verschiebung der Brennebene detektiert. Für die Justage der Brennebene ist auch hier eine präzise Bewegung der abbildenden Optik in Richtung der optischen Achse notwendig. Alternativ dazu kann aber auch die Probe entsprechend bewegt werden. Beide Verfahren haben ihre Vorteile:
PIFOC-Z-Antriebe für das Objektiv können sehr klein und steif gebaut werden. Sie reagieren dadurch mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen sehr genau. Außerdem sind bei der Probe bewegungsbedingte Störungen auszuschließen. Entsprechend ausgelegt können die PIFOC-Z-Antriebe je nach Anforderung einzelne Objektive oder den ganzen Revolver bewegen (Abb. 2).
Es gibt aber auch Gründe, die dafür sprechen, beim Fokussieren nicht das Objektiv zu bewegen, sondern die Probe. Der wichtigste ist, dass auf diese Weise das Bild bei der Phasenkontrast-Mikroskopie (Differentielle Interferenz-Kon­trastmikroskopie, kurz: DIC) nicht geschwächt wird. Dazu lassen sich die Piezoantriebe aufgrund ihrer Kompaktheit oft direkt in den bereits vorhandenen XY-Probenscanner integrieren (Abb. 3). Ausführungen mit vertikalen Verfahrwegen von 0,1-0,5 mm passen z.B. ohne Adapter in XY-Scanner des Mikroskopausrüsters Märzhäuser. Damit können noch immer alle gängigen Probenhalter für Objektträger bis hin zur Mikrotiterplatte verwendet werden. Die noch immer geringe Gesamthöhe des kompletten XY-Z-Systems erlaubt den Einsatz unter allen gängigen Mikroskopen und Integration und Ansteuerung sind so einfach wie bei einem klassischen Kreuztisch.


Vorteile und Eigenschaften von Piezoaktoren
Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Energie direkt in mechanische um und umgekehrt. Dieser piezoelektrische Effekt wurde im Jahre 1880 durch die Gebrüder Curie entdeckt. Für die Positionierung von großer Bedeutung ist die Bewegung, die entsteht, wenn eine elektrische Spannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Aktoren, die auf dem Piezoeffekt basieren, bewegen sich im Sub-Nanometerbereich mit hoher Dynamik. Mit klassischen Methoden können Stellwege bis zu 1 mm bei hohen Auflösungen im Nanometerbereich und hoher Dynamik mit Scanfrequenzen bis zu mehreren Kilohertz erreicht werden. Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Teile; Piezoaktoren sind dadurch praktisch wartungs- und verschleißfrei. Sie können große Lasten bis zu mehreren Tonnen bewegen. Elektrisch wirken sie wie kapazitive Lasten und benötigen im statischen Betrieb keine Leistung.

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Auf der Römerstr. 1
76228 Karlsruhe
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Telefon: +49 721 4846-0
Telefax: +49 721 4846-1019

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