DE2360197A1

DE2360197A1 - Verfahren zur erhoehung der schaerfentiefe und/oder des aufloesungsvermoegens von lichtmikroskopen

Info

Publication number: DE2360197A1
Application number: DE19732360197
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Phys Frosch; Hans-Erdmann Dipl Phys Korth
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1973-12-03
Filing date: 1973-12-03
Publication date: 1975-06-05
Also published as: JPS5087661A; FR2253221A1; FR2253221B1

Description

Verfahren zur Erhöhung der Schärfentiefe und/oder des Auflösungsvermögens von Lichtmikroskopen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Erhöhung der Schärfentiefe und/oder des Auflösungsvermögens von Lichtmikroskopen.

Bei der Auswertung von mikroskopischen Abbildungen oder Aufnahmen, beispielsweise bei der laufenden Untersuchung von Schnittflächen in der Medizin, Biologie, Materialprüfung usw. insbesondere aber bei der Prüfung der Güte von Oberflächen bei der Überwachung fertigungstechnischer Prozesse hat es sich herausgestellt, daß die mikroskopische Untersuchung von Flächen, deren Unebenheiten gleich oder größer als das laterale Auflösungsvermögen und somit auch größer als die Schärfentiefe der verwendeten Mikroskope sind, sehr viel Zeit und eine außerordentlich hohe Konzentration erfordert.

Bekanntlich ist wegen der Wellennatur des Lichtes bei einem bestimmten Auflösungsvermögen eines Mikroskops eine bestimmte Objektivapertur notwendig, durch deren öffnungswinkel die erzielbare Schärfentiefe begrenzt ist. Das hat zur Folge, daß, wenn Strukturdetails in der Größenordnung von um aufgelöst werden sollen, die Schärfentiefe auch in diesem Bereich liegt. Soll nun eine Oberfläche untersucht werden, deren Unebenheiten etwa in der Größenordnung des zehnfachen benötigten Auflösungsvermögens liegen,

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so muß für jeden Objektbereich die Tiefeneinstellung des Mikroskops etwa zehnmal geändert werden. Ferner wird durch an den nicht scharf eingestellten Objektpunkten entstehendes Streulicht der Kontrast in einem sehr störenden Umfang herabgesetzt. Diese Nachteile können nur teilweise durch Erhöhung der Schärfentiefe herabgesetzt werden, insbesondere auch deshalb, weil damit zwangsläufig eine Verschlechterung des Auflösungsvermögens verbunden ist.

In der Literatur stelle "A method to increase the depth of focus by two step image processing", by G. Häusler, Optics Communication, Bd. 6, No. 1, September 1972, wird ein Verfahren zur Erhöhung der von einem System übertragbaren Schärfentiefe beschrieben, das aber neben einer teilweisen Verfälschung der Abbildung noch den Nachteil ha,t, daß zuerst eine photographische Aufnahme des abzubildenden Objekts gemacht werden muß, deren Unscharfe anschließend gemäß dem Verfahren teilweise rückgängig gemacht wird.

In der LiteratureteHe "Optische Abbildung unter Überschreitung der beugungsbedingten Auflösungsgrenze¹¹ von W. Lukosz und M. Marchand, Physikalisches Institut, Technische Hochschule, Braunschweig, Germany, Optica Acta 10, S. 241, 1163, wird ein möglicher, aber überaus komplizierter Weg zur Erhöhung des Auflösungsvermögens beschrieben.

Zur mikroskopischen Untersuchung mit hohem Auflösungsvermögen großer Zahlen von Elementen mit nicht vollkommen ebenen Flächen eignen sich die beiden oben genannten Verfahren wegen ihrer Umständlichkeit und wegen ihrer begrenzten Genauigkeit nicht.

Bei der Elektronenrastermikroskopie wird ein Objekt mit einer aus einem Elektronenstrahl bestehenden sehr feinen Sonde punktweise abgetastet. Wegen der besonders guten Fokussierbarkeit des Elektronenstrahls und der Kürze der den einzelnen Elektronen gemäß der Schrödingergleichung zuzuordnenden Wellenlängen, ist

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das Auflösungsvermögen und die Schärfentiefe derartiger Vorrichtungen wesentlich besser als die von Lichtmikroskopen. Wegen der Kompliziertheit von Elektronenrastermikroskopen sind diese für die gemäß der Erfindung zu lösenden Aufgaben jedoch vollständig ungeeignet. Es sind weiterhin sogenannte Fernsehmikroskope bekannt, bei denen das Objekt oder eine Abbildung des Objekts punktweise abgetastet werden. Eine Erhöhung des Auflösungsvermögens oder der Schärfentiefe tritt durch dieses Verfahren nicht ein. Eine übertragung der die Schärfentiefe und das hohe Auflösungsvermögen bei Elektronenrastermikroskopen bedingenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten und technischen Maßnahmen auf Lichtmikroskope ist nicht möglich, da bei diesen die Bildgewinnung auf ganz anderem Wege erfolgt.

In der OS 2 013 101 wird eine Vorrichtung mit einem im Objektraum rotierenden Glasstab zur periodischen Verschiebung der scharf eingestellten Ebene beschrieben. Mit dieser Vorrichtung können aber nur um mindestens mehrere Schärfentiefenbereiche voneinander entfernte Objektebenen beobachtet werden, da bei kleineren Abständen immer auch eine oder mehrere benachbarte Objektebenen mehr oder weniger scharf abgebildet werden, wodurch zumindest der Kontrast der jeweils optimal scharf abgebildeten Objektebene stark herabgesetzt wird. Bedingt durch den im Objektraum rotierend angeordneten Glasstab ist diese Vorrichtung nur bei relativ kleinen Vergrößerungen und.somit großen Schärfentiefenbereichen verwendbar, so daß in der Regel nur mindestens 10 bis 20 pm auseinanderliegende Objektebenen ohne dazwischenliegende Objektbereiche beobachtet werden können. Dadurch wird die Verwendbarkeit derartiger Vorrichtungen für die meisten der obengenannten Aufgaben ausgeschlossen.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren und eine Anordnung zur Erhöhung 'der Schärfentiefe und/oder des Auflösungsvermögens von Lichtmikroskopen anzugeben, durch das Abbildungen beliebiger Öbjektebenen auch bei starken Vergrößerungen möglich sind, ohne.daß die Abbildung durch außerhalb des

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Schärfentiefenbereiches, aber in dessen Nähe liegende Flächenbereiche des Objekts gestört wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Erhöhung der Schärfentiefe und/oder des Auflösungsvermögens von Lichtmikroskopen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Abbildung des Objekts durch eine in-einer zur Ebene, auf die das Mikroskopobjektiv scharf eingestellt ist, konjugierten Ebene angeordnete Einloch- oder Mehrlochabtastblende punktweise abgetastet wird. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß auf einer in einer zur scharf eingestellten Ebene konjugiert liegenden Ebene angeordneten Lochblende nur die genau in der scharf eingestellten Ebene liegenden Punkte scharf abgebildet werden. Befinden sich in einzelnen Bildpunkten Löcher der Blende, die etwa die Größen dieser Bildpunkte aufweisen, so wird das ganze oder ein Großteil des diese Bildpunkte bildenden Lichts durch die Blende hindurch übertragen und kann beispielsweise über einen Strahlenteiler und eine Linse durch Beobachtung, photographische Aufnahme oder eine Fernsehkameraröhre in der Bildebene besagter Linse ausgewertet werden. Liegt ein Objektpunkt nicht in der Ebene, auf die das Objektiv scharf eingestellt ist, so wird er bekanntlich auch in einer zu dieser konjugiert liegenden Ebene nur unscharf abgebildet. Je nach dem Grad der Unscharfe wird durch ein Loch der Blende nur ein kleiner Teil des die Abbildung des Objektpunktes bildenden Lichtes durchgelassen, das, bei richtiger Dimensionierung der Anlage, in der Auswertebene nur wenig oder gar nicht stört. Wird die Lochblende in einer innerhalb der zur jeweils scharf eingestellten Ebene konjugiert liegenden Ebene verlaufenden Richtung in eine rotierende oder hin und her gehende Bewegung versetzt, so wird das ganze Objekt punktweise abgetastet, wobei nur die in der jeweils scharf eingestellten Ebene, genauer gesagt, im Schärfentiefenbereich des Objektivs liegenden Objektpunkte, mit voller Intensität zu der in der Auswertebene entstehenden Abbildung beitragen. Durch Verschiebung des Objekts in Richtung der optischen Achse kann man so nacheinander verschiedene Ebenen einer unebenen Objektfläche mit

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gutem Kontrast und dem vollen Auflösungsvermögen der Apertur sichtbar werden lassen. Durch diese Maßnahme wird unter anderem erreicht, daß die unter normalen Umständen etwa Auflösungsvermögen gleiche Schärfentiefe um ein Vielfaches erhöht wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die in einer zur Ebene, auf die das Objektiv scharf eingestellt ist, konjugierten Ebene angeordnete Einloch- oder Mehrlochabtastblende neben der Abtastung der Objektabbildung die in der besagten Ebene des Mikroskopobjektivs liegenden Flächenbereiche des Objekts durch ein Lichtpunktmuster abtastet. Diese Abtastung kann entweder durch eine Bewegung der Blende oder durch mechanische oder elektrooptische bzw. magnetooptische Lichtablenker usw. erfolgen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Objekt oder die Ebene, auf die das Objektiv scharf eingestellt ist, mit großer Geschwindigkeit periodisch in Richtung der optischen Achse verschoben, so daß alle zwischen den beiden Endlagen des Objekts oder der besagten Ebene liegenden Objektpunkte nacheinander mit hohem Kontrast und gutem Auflösungsvermögen in der Auswertebene abgebildet werden. Erfolgt die Abtastung parallel und senkrecht zur Objektebene mit genügend großer Geschwindigkeit, so werden die vielen Einzelbilder durch das Auge zu einem einzigen scharfen Bild integriert. Für photographische Aufnahmen kann die Abtastung langsamer erfolgen.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Größe der Löcher der Abtastblende so gewählt, daß neben der nullten mindestens auch die erste Ordnung der an den die Abtastung bewirkenden Blendenöffnungen gebeugten beleuchtenden Strahlung innerhalb der Apertur des Mikroskopöbjektivs liegt, und daß ihre Abbildungen in der Fokusebene im Bereich des maximalen Auflösungsvermögens des Objektivs liegen.

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Durch die Erfindung wird nicht nur die Schärfentiefe, sondern durch die weitgehende Ausschaltung des von nicht scharf eingestellten Objektebenen stammenden Lichts auch der Kontrast und im gewissen Umfang auch das laterale Auflösungsvermögen verbessert.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung der Abbildung einer

Blende, die in einer zur Ebene, auf die ein Mikroskopobjektiv scharf eingestellt ist, konjugierten Ebene liegt,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Mikroskops

mit Köhlerscher Beleuchtung und einer Zusatzeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fign. 3 und 4 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig. 5 die schematische Darstellung der in der Vorrichtung nach Fig. 4 verwendeten Mehrlochabtastblende.

In Fig. 1 fällt eine im Mittelpunkt einer Linse 2 nach Art der Köhlerschen Mikroskopbeleuchtung konvergierende Strahlung 10 auf eine Mehrlochblende 1, in der der Einfachheit halber nur zwei öffnungen 5 und 6 dargestellt sind. Der etwa 30 pm betragende Durchmesser der öffnungen 5 und 6 ist so gewählt, daß neben der nullten Ordnung mindestens auch die erste Ordnung der in die Ebene der Linse 2 gelangenden Beugungsfiguren innerhalb der Apertur dieser ■ Linse liegen. Wird diese Bedingung erfüllt, so werden die öffnungen 5 und 6 in der zur Ebene 13 der Blende 1 konjugiert liegenden Ebene 12, auf die das Objektiv 2 scharf eingestellt ist, beispielsweise als Punkt 8 scharf abgebildet. Der Durch-

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messer des Punktes 8 hängt von der Vergrößerung der Objektivlinse 2 ab. Bewirkt diese Linse beispielsweise eine 30-fache Vergrößerung und liegt ihr Auflösungsvermögen bei 1 pm, so wird der Punkt 8 einen Durchmesser von 1 pm haben und seinerseits in der Ebene 13 als Lichtfleck mit einem Durchmesser von 30 pm abgebildet. Wie ohne weiteres ersichtlich, liegt die Abbildung des Punktes 8 zur Gänze innerhalb der Blendenöffnung 6, so daß das gesamte diese Abbildung bewirkende Licht die Maske 1 durchsetzen kann. Hätte die Linse 2 ein schlechteres Auflösungsvermögen, beispielsweise ein Auflösungsvermögen von 3 pm, so könnte die Blendenöffnung 6 nicht scharf auf der Ebene 12 abgebildet werden. Darüberhinaus würde selbst ein einen Durchmesser von nur 1 pm aufweisender Lichtfleck in der Ebene 12 nicht scharf in der dazu konjugiert liegenden Blendenebene 13 abgebildet werden. Dadurch wurden die Übertragungseigenschaften der Blende 1 wes-entlich. verschlechtert, da nur ein Bruchteil des die Abbildung des Punktes 8 in der Blendenebene 13 bewirkenden Lichtes durch die Blendenöffnung 5 oder 6 hindurchtreten könnte. Die Durchmesser der Blendenöffnungen 5 und 6 sind daher so zu wählen, daß neben ihren nullten BeugungsOrdnungen mindestens noch ihre ersten Beugungsordnungen innerhalb der Apertur der Linse 2 liegen und daß die Abbildung der Blendenöffnungen in der Ebene nicht kleiner sind als das Auflösungsvermögen dieser Linse.

Wird eine Blendenöffnung, in der Pig. I die Blendenöffnung 5, nicht in der Ebene 12, sondern auf einen tiefer liegenden Bereich des Objektes 11 abgebildet, so ist die Abbildung nicht mehr punktförmig, wie sie im Bereich der Ebene 12 wäre, sondern hat die Form eines räumlich ausgedehnten Lichtfleckes 7, dessen Durchmesser eine Funktion des Abstandes zwischen der Ebene 12 und des betreffenden Bereiches des Objektes 11 ist.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich, wird ein innerhalb des Lichtfleckes 7 liegender Punkt 9 nicht innerhalb der Blendenebene 13, sondern in einer darunter liegenden Ebene 14 scharf abgebildet, während in der Ebene 13 eine einen wesentlich größeren Durchmesser aufweisende unscharfe Abbildung entsteht, deren Licht nur

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'ein Bruchteil die Blendenöffnung 5 durchsetzen kann. Der Anteil des die Blendenöffnung 5 durchsetzenden Lichtes ist noch geringer, wenn man von der einen größeren Durchmesser als der Lichtpunkt 8 aufweisenden unscharfen Abbildung 7 auf dem Objekt 11 ausgeht.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Mikroskops mit Köhlerscher Beleuchtung und einer Zusatzeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die von einer Lichtquelle 3 ausgehende Strahlung 10 wird durch eine Linse 16 in der öffnung einer Lochblende 17 fokussiert und mittels einer Linse 18 in eine auf der Objektivlinse 2 konvergierende Strahlung umgewandelt. Die die Linse 18 verlassende Strahlung durchsetzt einen Strahlenteiler 19 und eine rotierende Abtastlochblende 21, um anschließend durch die Linse 2 in der Ebene 12 eine Abbildung der Blendenöffnungen 25 und 26 zu erzeugen. Die Blendenöffnung 26 wird in der zur Blendenebene konjugiert liegenden Ebene 12 scharf abgebildet, da der etwa 30 um betragende Durchmesser der Blendenöffnungen 25 und 26 so bemessen ist, daß mindestens die erste Beugungsordnung der sie durchsetzenden Strahlung innerhalb der Apertur der Linse 2 liegt und daß der Durchmesser des die Abbildung der Blendenöffnung darstellenden Punktes 8 nicht kleiner als das Auflösungsvermögen der Linse 2 ist. Bei einer 30-fachen Vergrößerung der Linse 2 beträgt der Durchmesser des Punktes 8 1 jum. Wie schon im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1 erläutert, wird der diese Abbildung darstellende Lichtpunkt im Bereich der Ebene 13 der Blende 21 scharf abgebildet und durchsetzt die Blendenöffnung 26 vollständig oder doch nahezu vollständig. Anschließend wird dieser Strahl am Strahlenteiler 19 teilweise zu einer Linse 20 abgelenkt und erzeugt im Bereich einer Auswertebene 22 einen scharfen Lichtpunkt 23. Der die Blendenöffnung 25 durchsetzende Teil der von der Lichtquelle 3 kommenden Strahlung 10 wird im Bereich der Ebene 12 fokussiert und fällt als divergente Strahlung auf den unter dieser Ebene gelegenen Bereich des Objektes 11, wo er eine unscharfe Abbildung in Form eines räumlich ausgedehnten Lichtfleckes 7 erzeugt. Jeder Punkt 9 dieses Lichtfleckes wird, da der

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ihn tragende Bereich des Objektes 11 unterhalb der Ebene 12 liegt, nicht in der zu dieser konjugierten Ebene 13 der Blende 21, sondern in einer darunter liegenden, zu der den Lichtpunkt 9 tragenden Fläche konjugiert liegenden Ebene 14 scharf abgebildet, so daß in der Ebene der Blende 21 ein Lichtfleck entsteht, dessen Durchmesser größer als die Blendenöffnung 25 ist. Die Abbildung des Lichtfleckes 7 in der Ebene der Blende 21 weist einen noch größeren Durchmesser als die Abbildung des Punktes 9 auf, so daß nur ein geringer Bruchteil des die Abbildung des Lichtfleckes 7 in der Ebene der Blende 21 bewirkenden Lichtes die Blendenöffnung 25 durchsetzen kann. Diese von der öffnung 25 ausgehende Strahlung die wie gesagt, nur einen kleinen Bruchteil der auf die Blende von unten fallenden Strahlung ausmacht, erzeugt in der Auswertebene 22 einen Lichtpunkt 37, dessen Helligkeit so klein ist, daß dieser nicht wahrgenommen wird, oder zumindest nicht stört. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn eine Vorrichtung zur Einstellung eines Schwellwertes zur Verfügung steht. Wird die Blende 21, die außer den Blendenöffnungen 25 und 26 noch eine große Anzahl anderer Öffnungen enthält, um eine Achse 24 in schnelle Drehung versetzt, so werden nacheinander alle Punkte des im Bereich der Objektivlinse 2 liegenden Objekts 11 abgetastet und auf der Auswertebene 22 abgebildet. Dabei ist die Intensität der in der Auswertebene 22 abgebildeten Objektpunkte, die in der Ebene 12 liegen, wesentlich größer, als die Intensität der Abbildungen von Objektpunkten, die außerhalb dieser Ebene liegen.

In der Auswertebene 22 erscheint somit eine scharfe Abbildung aller im Bereich der Ebene 12 liegenden Punkte des Objektes 11. Da alle außerhalb dieser Ebene liegenden Objektpunkte in der Ebene 13 unscharf abgebildet werden, was eine sehr schlechte Ausleuchtung der Blendenöffnungen zur Folge hat, wird der Kontrast der Abbildung der in der Ebene 12 liegenden Bereiche des Objektes 11 kaum herabgesetzt. Wird das Objekt 11 so weit nach oben verschoben, daß der Punkt 9 in der Ebene 12 liegt, so wird dieser Punkt und alle anderen in gleicher Höhe liegenden Punkte des Objektes 11 in der Auswertebene 22 scharf abgebildet, während der Punkt 8 und alle in der gleichen Höhe liegenden Punkte des Objektes in der

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Auswertebene 22 so schwach abgebildet werden, daß sie entweder überhaupt nicht bemerkt werden, oder den Kontrast nur unwesentlich verschlechtern.

Fig. 3 ist die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren in besonders einfacher und übersichtlicher Weise ausgeführt werden kann. Die von einer Lichtquelle 3 ausgehende Strahlung 10 wird durch eine Linse 16 in der öffnung einer Lochblende 17 fokussiert und fällt auf eine Linse 18, durch die sie in eine in der Mitte einer Mikroskopobjektivlinse 2 konvergierende Strahlung umgewandelt wird. Diese Strahlung durchsetzt ein Element 42, das aus einem durchsichtigen Trägerelement 40, einer teilreflektierenden Schicht 39 und einer Abtastlochblende 41 besteht. Die Lochblende 41 enthält neben den eingezeichneten Blendenöffnungen 25 und 26 noch eine Vielzahl anderer öffnungen, deren Durchmesser, wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorhergehenden Figuren näher erläutert, in der Größenordnung von 30 bis 50 μη liegt. Die die teilreflektierende Schicht 39 und die Blendenöffnungen, beispielsweise die Blendenöffnungen 25 und 26, durchsetzende Strahlung fällt auf die Linse 2, wobei mindestens die erste BeugungsOrdnung innerhalb der Apertur dieser Linse liegt. Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorherigen Figuren eingehend beschrieben, wird die Blendenöffnung 26 auf dem in der Ebene 12 liegenden Punkt 8 des Objektes 11 scharf abgebildet, der seinerseits im Bereich der Blendenöffnung 26, die in unmittelbarer Nähe einer zur Ebene 12 konjugiert liegenden Ebene 13 liegt, scharf abgebildet wird. Die Neigung des aus dem Trägerelement 40, der teilreflektierenden Schicht 39 und der Lochblende 41 bestehenden Elements 42 in bezug auf die Ebene 13 ist in der Figur zur Verbesserung der Anschaulichkeit übertrieben wiedergegeben. Die die Blendenöffnung 26 von unten nach oben durchsetzende Strahlung wird an der teilreflektierenden Schicht 39 teilweise reflektiert, durchsetzt die Blendenöffnung ein zweites Mal, und gelangt über einen Spiegel 43 zu einer Linse 5O, durch die sie in einer Beobachtungsebene 52 als Lichtpunkt 53 fokussiert

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wird, wo sie eine scharfe Abbildung des seinerseits eine Abbildung der Blendenöffnung 26 darstellenden Lichtpunktes 8 erzeugt. Wie ebenfalls im Zusammenhang mit der Beschreibung der Figuren 1 und 2 eingehend erläutert, erzeugt die die Blendenöffnung 25 durchsetzende Strahlung auf den unterhalb der Ebene 12 liegenden Fläche des Objektes 11 einen eine unscharfe Abbildung darstellenden Lichtfleck 7, der seinerseits im Bereich der Blendenöffnung 25 unscharf abgebildet wird, so daß nur ein kleiner Teil des diese Abbildung bildenden Lichtes an der teilreflektierenden Schicht 39 reflektiert wird und über den Spiegel 43 und die Linse 50 in der Auswertebene 52 eine äusserst lichtarme Abbildung 57 der öffnung 25 erzeugt. Außerhalb der die teilreflektierende Schicht 39 freigebenden Öffnungen 25, 26 etc. ist die Abtastblende 41 energieverzehrend, also ma.ttschwarz ausgebildet.

Wird das aus dem Trägerelement 40, der teilreflektierenden Schicht 39 und der Lochblende 41 bestehende Element 42 mit Hilfe der Achse 24 in schnelle Drehung versetzt, so wird die gesamte im Bereich der Objektivlinse 2 liegende Fläche des Objektes 11 punktweise abgetastet, so daß im Bereich der Auswertebene 52 eine scharfe und kontrastreiche Abbildung der in der Ebene 12 liegenden Flächenelemente des Objekts 11 sichtbar wird. Alle außerhalb der Ebene 12 liegenden und somit unscharf abgetasteten Flächenelemente des Objektes 11 werden nur unter starker Lichteinbuße in der Auswertebene 52 abgebildet, so daß sie entweder überhaupt nicht sichtbar sind oder nur wenig den Kontrast der Abbildungen der innerhalb der Ebene 12 liegenden Flächenelemente des Objekts 11 stören. Soll eine andere Ebene des Objektes 11 sichtbar gemacht werden, so werden die den Tisch 44 tragenden piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elemente 45 über nicht dargestellte Leitungen erregt, so daß das Objekt 11 sich in Richtung der optischen Achse der Objektivlinse 2 nach oben oder nach unten so weit verschiebt, daß die zur Wiedergabe in der Auswertebene 52 vorgesehene Ebene des Objektes 11 mit der Ebene 12 zusammenfällt. Es .ist aber auch möglich, anstelle des Objekts 11 das Objektiv 2 periodisch zu verschieben» Soll die gesamte Ober-

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fläche des Objektes 11 gleichzeitig sichtbar oder auswertbar gemacht werden, so wird den piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elementen 45 eine Wechselspannung mit einer Frequenz zugeführt, die wesentlich höher oder niedriger als die Abtastfrequenz der Lochblende 41 ist. Durch diese eine Frequenz von beispielsweise 30 Hz oder 50 kHz aufweisende Wechselspannung wird das Objekt 11 periodisch in Richtung der optischen Achse der Objektivlinse 2 so weit nach unten und nach oben bewegt, daß alle in der Auswertebene 52 sichtbar zu machenden Flächenbereiche die Ebene 12 durchlaufen. Auf diese Weise erscheinen in der Auswertebene 52 in rascher Folge hintereinander alle Bereiche der Oberfläche des Objektes 11 scharf abgebildet. Während der Abbildung einer bestimmten Ebene des Objektes 11 sind die den anderen Ebenen zugeordneten Flächenbereiche des Objekts 11 im Bereich der Auswertebene 52 nahezu unsichtbar oder stören den Kontrast der jeweils scharf abgebildeten Ebenen nur unwesentlich. Bedingt durch die rasche Bildfolge werden die einzelnen Bilder durch das menschliche Auge integriert und erscheinen dem Beobachter als ein flimmerfreies, scharfes und eine dem Hub des Objektes 11 gleiche Schärfentiefe aufweisendes Bild. Soll die in der Auswertebene 52 erzeugte Abbildung photographisch aufgenommen werden, so kann die X-, Y- Z-Abtastung, d.h. die durch die rotierende Lochblende 41 und durch die Vertikalbewegung des Tisches 44 bedingte Abtastung wesentlich verlangsamt werden. Zur besseren Beobachtung der in der Auswertebene 52 entstehenden Abbildung kann ein Projektionsschirm oder eine Mattscheibe vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, die durch die Linse 50 erzeugte Abbildung auf dem Bildschirm einer Fernsehkameraröhre, auf einer Photodiodenmatrix oder auf einer anderen geeigneten Auswertvorrichtung zu erzeugen. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle der Änderung des Abstandes zwischen Objektivlinse 2 und Objekt 11 die Brennweite der Objektivlinse 2, beispielsweise durch elektrooptische Mittel mit großer Geschwindigkeit zu verändern.

Durch die Vereinigung der Lochblende 41 und der teilreflektieren-

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den Schicht 39 zu einem gemeinsamen Element werden die bei der Anordnung nach Fig. 2 auftretenden, durch Streulicht verursachten Störungen nahezu vollständig unterdrückt. Darüberhinaus wird durch diese Maßnahme und durch eine gitterartige Anordnung der Abtastlochblendenöffnungen das Auflösungsvermögen des gesamten optischen Systems, wie beispielsweise aus der Literaturstelle "Optische Abbildung unter Überschreitung der beugungsbedingten Auflösungsgrenze," von W.Lukosz und Marchand, Optica Acta, 10, S. 241, 1963, ersichtlich, in bestimmtem Umfang erhöht.

Fig. 4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Das von einer Lichtquelle 103 ausgehende, vorzugsweise monochromatische Licht wird durch Linsen 116 in der öffnung einer Lochblende 117 fokussiert und mittels einer Linse 118 als konvergentes Strahlenbündel durch einen Polarisator 162 auf ein rotierendes Element 142 geworfen, das entsprechend der in Fig. dargestellten Anordnung ausgebildet ist. Die Flächennormalen dieses Elements und die optische Achse der Linsen 116, 118 schließen einen Winkel ein, unter dem die den Polarisator verlassende Strahlung die als polarisationsabhängigen Strahlenteiler wirkende Schicht 39 des Elements 142 ungeschwächt durchsetzen kann. Das die in der Figur durch weiße Bereiche angedeutete Blendenöffnungen durchsetzende Licht wird durch eine Linse 158, über einen Umlenkspiegel 143 und ein Objektiv 102 auf ein Objekt 111 fokussiert. Der Durchmesser der Blendenöffnungen und die Vergrößerung der Linsen sind wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fign. 1 bis 3 erläutert, bemessen. Wie im gleichen Zusammenhang ebenfalls schon beschrieben, werden die Blendenöffnungen nur in den Bereichen des Objekts 111 scharf abgebildet, die in einer zum Element 142 konjugierten Ebene liegen. In gleicher Weise werden auch nur die in dieser Ebene liegenden beleuchteten Objektpunkte auf dem Element 142 scharf abgebildet. Da die Polarisationsebene der die Abbildungen an der Oberseite des Elements 142 erzeugenden Strahlung durch deren zweimaligen Durchtritt durch die λ/4-Ρlatte 163 um 90° gedreht ist, wird diese Strahlung an der Schicht 39 ohne Verluste

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reflektiert, so daß die so ausgeleuchteten Blendenöffnungen über die Linse 158, einen umlenkspiegel 154, Linsen 160 und einen unerwünschtes Streulicht unterdrückenden Polarisator 164 in einer Auswertebene 161 mit maximaler Intensität scharf abgebildet werden. Alle nicht in einer zum Element 142 konjugiert liegenden Ebene befindlichen Objektpunkte werden am Element 142 unscharf abgebildet, so daß nur ein geringer Bruchteil des diese Abbildungen erzeugenden Lichtes an der Schicht 39 reflektiert wird und eine äußerst lichtschwache Abbildung in der Auswertebene 161 erzeugt. Das Objekt kann, wie in Fig. 3 gezeigt, durch in der Fig. 4 nicht dargestellte Mittel in Richtung der optischen Achse des Objektivs 102 periodisch verschoben werden, so daß es bei einem mit geeigneter Geschwindigkeit rotierenden Element 142 in der Auswertebene 161 mit großer Tiefenschärfe abgebildet wird.

Fig. 5 stellt einen vergrößerten Ausschnitt des Elements 42 bzw. 142 dar. Die Anordnung besteht aus einem durchsichtigen, beispielsweise aus Glas bestehenden Trägerelement 40, einer mit einer Quarzschicht 39a überzogenen, als polarisationsabhängiger Strahlenteiler wirkenden Schicht 39 und einer Lochblende 41, die beispielsweise aus Chrom besteht und eine schwarze spiegelnde Oberfläche hat.

Die vorliegende Erfindung kann außer zur visuellen Untersuchung von Unebenheiten aufweisenden Halbleiterplättchen auch zu automatischen Untersuchungen verwendet werden. Dabei können die in jeder Objektebene beobachtbaren Objektpunkte in einem Computer gespeichert und die einzelnen Elemente unter Berücksichtigung der Profilhöhen in Gruppen eingeteilt werden. In gleicher Weise können auch größere Mengen von Teilchen untersucht und entsprechend ihrer Größe gezählt und verschiedenen Klassen zugeordnet werden. Auch die Erstellung von Schnittansichten durchsichtiger Körper, beispielsweise von Kristallen, kann mit der vorliegenden Erfindung · in vorteilhafter Weise erfolgen=

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Erhöhung der Schärfentiefe und/oder des Auflösungsvermögens von Lichtmikroskopen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildung des Objektes durch eine Einloch-oder Mehr lochab tastb lende (.1, 21, 41) punktweise abgetastet wird die in einer Ebene (12), auf die das Objektiv (2) scharf eingestellt ist, konjugierten Ebene (13) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Ebene (12) , auf die das Mikroskopobjektiv (2) scharf eingestellt ist, konjugierten Ebene (13) angeordnete Einloch- oder Mehrlochabtastblende (1, 21, 41) neben der Abtastung der Objektabbildung die in der besagten Ebene

(12) des Mikroskopobjektivs liegenden Flächenbereiche des Objekts (11) durch ein Lichtpunktmuster abtastet.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Objektabbildung und/oder des Objekts in einer zur scharf eingestellten Ebene (12) parallelen Richtung (ίζ- und/oder Y-Richtung) erfolgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Objektabbildung und/oder des Objekts senkrecht zur scharf eingestellten Ebene (12) (Z-Richtung) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung in Z—Richtung durch eine periodische Verschiebung des Objekts (11) und/oder des Mikroskopobjektivs (2) in Richtung der optischen Achse um eine der gewünschten Schärfentiefe gleiche Entfernung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Abtastung in Z-Richtung durch eine periodische Änderung

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der Brennweite des Mikroskopobjektivs (2), beispielsweise durch elektrooptische Mittel, um eine der gewünschten Schärfentiefen gleiche Entfernung erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß neben der nullten mindestens auch die erste Ordnung der an den die Abtastung bewirkenden Blendenöffnungen (5, 6, 25, 26) gebeugten Strahlung innerhalb der Apertur des Mikroskopobjektivs (2) liegt und daß der Durchmesser der Blendenöffnungen so bemessen ist, daß ihre Abbildungen in der scharf eingestellten Ebene (12) mindestens gleich oder größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskopobjektivs sind.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine im Bereich einer zur scharf eingestellten Ebene (12) des Mikroskopobjektivs (2) konjugierten Ebene (13) angeordnete Vielfachlochabtastblende (1, 21, 41), deren Flächennormale mit der optischen Achse einen spitzen Winkel bildet und durch einen im vom Objekt (11) ausgehenden Strahlengang dahinter angeordneten Strahlenteiler (19).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine im Bereich einer zur scharf eingestellten Ebene (12) des Mikroskopobjektivs (2) konjugierten Ebene (13) im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse schwingend angeordnete Vielfachlochabtastblende (1, 21, 42).
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine im Bereich einer zur scharf eingestellten Ebene (12) des Mikroskopobjektivs (2) konjugierten Ebene (13) im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse rotierend angeordneten Vielfachlochabtastblende (1, 21, 42).
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen im Verlauf der von einer

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Beleuchtungsvorrichtung (103, 116, 117, 118) ausgehenden Strahlung angeordneten Polarisator (162), ein aus einem 'polarisationsabhängigen, die vom Polarisator (162) kommende Strahlung vollständig durchlassenden Strahlenteiler (39) und einer Mehrlochabtastblende (41) bestehendes Element (142), dessen Flächennormale mit der optischen Achse der Beleuchtungsvorrichtung einen spitzen Winkel einschließt, eine die Blendenöffnungen der Mehrlochabtastblende (41) über einen Umlenkspiegel (143) durch eine λ/4-Ρlatte (163) und ein Objektiv (102) auf einem Objekt (111) abbildende und diese Abbildung wieder auf dem Element (142) abbildende Linse (158), die gleichzeitig das am polarisationsabhängigen Strahlenteiler (39) wegen seiner beim zweimaligen Durchgang durch die λ/4-Ρlatte (163) um 90 % gedrehten Polarisationsebene vollständig reflektierte Licht über einen zweiten Umlenkspiegel (154) und Linsen (160) im Falle der Abtastung einer im Schärfentiefenbereich liegenden Objektfläche auf einer Auswertebene (161) mit maximaler Intensität scharf fokussiert, während bei Abtastung einer außerhalb des Schärfentiefenbereichs liegenden Objektfläche, bedingt durch die Unscharfe der auf der Mehrlochabtastblende ßf-1) entstehenden Abbildung, Lichtverluste auftreten, die die Intensität der in der Auswertebene erzeugten Abbildung stark herabsetzen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen von der Beobachtungsebene (161) angeordneten Polarisator (164) .
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein im Bereich einer zur scharf eingestellten Ebene (12) des Mikroskopobjektivs (102) konjugierten Ebene (13) im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse schwingend oder rotierend angeordnetes Element (142), das aus einer als Strahlenteiler wirkenden teilreflektierenden Schicht (39) und einer mit ihr ver-

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bundenen Vielfachlochabtastblende (41) besteht.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Vielfachlochabtastblende (41) kreuzgitterartig angeordnet sind, derart, daß durch ihre Bewegung im Beleuchtungs- und im Abbildungsstrahlengang eine Erhöhung des Auflösungsvermögens des Mikroskopobjektivs bewirkt wird.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine statistische Verteilung der Öffnungen (5, 6, 25, 26) der Vielfachlochabtastblende (Ir 21, 41).
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß die objektseitige Oberfläche der Vielfachlochabtastblende (1, 21, 41) reflektierend und/oder strahlungsabsorbierend ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß die objektseitige Oberfläche der Vielfachlochabtastblende (1, 21, 42) aus einer Chromschicht mit geschwärzter, gerichtet und schwach reflektierender Oberfläche besteht.
18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das die Abtastung und Abbildung bewirkende Element (142) aus einer durchsichtigen Trägerschicht 40, einer aus polarisationsabhängigen Strahlenteiler wirkenden Schicht (39) und einer Mehrlochabtastblende (41) aufgebaut ist, die aus einer eine schwarze spiegelnde Fläche aufweisenden Chromschicht besteht.

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