Beim Laser Scanning Mikroskop wird das Bild durch zeilenweise Abtastung aufgenommen. Dieses Verfahren bietet einige Vorteile und Besonderheiten die mit herkömmlichen Mikroskopen nur schwer oder gar nicht zu realisieren sind. Konfokale Abbildung, Reliefvermessung, OPIC und differentielle Bilder sind Verfahren die im Zuge des Beitrags erläutert werden.
Um in diesem Bereich zu experimentieren braucht man ein funktionsfähiges Mikroskop das man natürlich selber baut. Eine Art Laser Scanning Mikroskop im Weiteren kurz LSM genannt hat wohl jeder zuhause. Ein CD- oder DVD-Player ist im Grunde ein LSM bei dem die Oberfläche der Disk mit einem Laser abgerastert wird. Es liegt nahe die Komponenten aus einem Player zu verwenden. Ein vereinfachtes Arbeitsprinzip eines CD-Kopfes ist im folgenden Bild zu sehen. Der Strahl eines Lasers wird mit einer Linse auf die Oberfläche fokussiert und das von dort reflektierte Licht mit einer Fotodiode gemessen.

Aufbau eines CD-Lesekopfes

Die Auflösungen die hier erreicht werden sind besonders bei der modernen Blue-Ray Technologie erstaunlich.

Zum Bau eines einfachen Mikroskops verwendet man die optische Einheit eines möglichst alten CD-Laufwerks. Alt deshalb, weil bei diesen Teilen die Einzelkomponenten noch relativ groß und leicht zu erkennen sind. In den neusten Geräten sind oft die Fotodioden zusammen mit dem Vorverstärker auf einem Chip integriert. Dadurch wird das Herausfinden der Anschlüsse schwierig zumal kaum Daten zu diesen Spezialteilen zu bekommen sind.
Bei genauerer Untersuchung des Kopfes wird man sehen, dass die Objektivlinse beweglich gelagert ist und sowohl horizontal wie vertikal durch von kleinen Spulen erzeugte Magnetfelder bewegt werden kann. Mit der vertikalen Verstellung kann der Laser dynamisch fokussiert werden, die horizontale Verstellung dient zur Kompensation von Spurfehlern. Nun müssen die entsprechenden Anschlüsse der einzelnen Bauteile gefunden werden. Beim Laser und den beiden Verstellspulen ist das einfach. Mehr Schwierigkeiten kann die Fotodiode bereiten, die aus bis zu sechs Einzeldioden besteht die meist einen gemeinsamen Anodenanschluss haben. Zwei der Dioden (E,F) messen die Spurlage, die anderen vier (A,B,C,D) messen das reflektierte Signal und dienen zur Fokuseinstellung. Für das Lasermikroskop werden nur die vier letzteren verwendet.

Fotodiodenarray im CD-Lesekopf

Die automatische Fokussierung in einem CD-Player ist ein genialer optischer Trick. Durch eine Zylinderlinse im Strahlengang wird die Abbildung astigmatisch, das heißt der Laserfleck wird auf der Fotodiode elliptisch abgebildet. Nur bei exakter Fokussierung entsteht ein runder Fleck.

Funktion der Fokussierung

Werden die Signale der Dioden in entsprechender Weise kombiniert ((B+C)-(A+D)) kann mit dem Nulldurchgang des Signals die richtige Fokussierung exakt festgestellt werden.

Der Scanner
Zum Abtasten muss die Probe rasterförmig über die Optik bewegt werden. Ein einfacher Scanner lässt sich aus zwei kleinen Lautsprechern bauen. Die Lautsprecher sind rechtwinklig zueinander befestigt und ihre Schwingspulen bewegen über zwei steife Stahldrähte den kleinen Probentisch. Angetrieben werden die Lautsprecher über Leistungsverstärker von den X- und Y-Achsen DA-Wandlern.

Die Wirkungsweise Des Lautsprecherscanners

Der fertige Scanner mit CD-Optik

Der Probentisch und die Elektronikplatine

Die Elektronik besteht aus den zwei Leistungsverstärkern zum Antrieb des Scanners und einem dritten für die Bewegung der Fokussierspule. Als Verstärker dienen Audio IC's TDA 2040. Da diese Verstärker nur bei relativ hohen Verstärkungsgraden stabil arbeiten wird die Eingangsspannung abgeschwächt und dann wieder verstärkt. Ohne diesen Trick erhält man leicht hochfrequente Schwingungen am Ausgang der ICs. Eine einfache Stromquelle versorgt den Laser mit etwa 40 mA Betriebsstrom. Zwei Strom/Spannungswandler verstärken die Signale der Fotodioden. Welche von den meist vielen Dioden im Kopf die beste Abbildung bringt muss ausprobiert werden. Werden zwei Kanäle aufgezeichnet kann man später per Software Differenzen der beiden Bilder bilden und so manchmal Details eines Bildes aus arbeiten. Auf die Strom/Spannungswandler folgt ein weiterer Spannungsverstärker um auch bei schlecht reflektierenden Oberflächen ausreichend Signal zu bekommen.

Die Schaltung zum Lasermikroskop

Die Ansteuerung der Elektronik bewerkstelligt wie bei STM ein Delphi-Programm über die bewährte Vellemann-Platine.

Zum ersten Test wurde eine Probe verwendet auf der sich kleine Metallflächen im konstanten Abstand befinden. Die Flächen sind quadratisch und haben einen Abstand von 50 µm.

Aufnahme des Testgitters

Die Messung des Gitters zeigt einen Scanbereich von etwa 150 µm und somit eine Vergrößerung von etwa 800 fach aber leider auch die eher mäßige Linearität des Lautsprecher-Scanners.

Metallisierung auf Halbleiter

Mehr Anlass zur Freude bereitet die optische Auflösung die im Bereich eines Mikrometers liegt und durchaus mit "richtigen" Mikroskopenverglichen werden kann. Ebene Flächen eignen sich am Besten zur Untersuchung, z.B. Halbleiteroberflächen. Aus älteren ICs im Metallkappengehäuse kann man geeignete Testobjekte gewinnen. Folgendes Bild zeigt einen Teil eines µA733 Verstärker Chips. Auch die faserige Oberfläche einer Briefmarke ließ sich trotz geringer Reflektion noch gut abbilden

Strukturen auf einem µA 733 Verstärker und Papieroberfläche

Durchlichtaufnahmen, Reliefvermessung und OPIC werden im nächsten Teil des Artikels besprochen.