JP2005502907A - 対象物の光学的検査をするための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
対物レンズ(10)と、対象物(12)を支持するための対象物台(14)を有する、対象物(12)の3次元画像を形成する装置に、対物レンズ(10)の対象物(12)からの間隔を調整するために圧電アクチュエータ(16,22)が設けられている。画像記録装置が対象物(12)の一連の個別画像を種々異なる面で記録する。この一連の個別画像からマルチフォーカス画像が形成される。
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、対物レンズと、対象物を収容(支持)するための対象物台とを有する、対象物の光学的検査(探査)をするための装置、並びに対象物の光学的検査をするための方法に関する。
【背景技術】
【0002】
試料を顕微鏡により検査する際には、対象物の表面の3次元形態を復元する必要性がしばしば生じる。そのために例えば共焦点走査顕微鏡を使用することができる。ここで試料が(1つの)光ビームの焦点により1つの面で点ごとに走査され、これによりこの面の画像が得られるが、この画像はとりわけ被写界深度が浅い。種々異なる面を複数撮像(記録)し、相応に画像処理することにより、対象物を3次元で表示することができる。この種の共焦点走査顕微鏡は例えばUS6128077から公知である。共焦点走査顕微鏡に使用される光学的コンポーネントはとりわけ非常に高価であり、良好な技術的理解の他に非常に多くの調整作業を必要とする。
【0003】
US6055097からさらに蛍光顕微鏡のための方法が公知である。ここでは試料に着色剤が導入され、この着色剤が適切な照明条件の下で蛍光する。従って照射により試料中の着色剤の局在位置を特定することができる。空間的画像を形成するために、複数の画像が種々異なる焦点面で記録される。この各画像は、焦点面から直接発生した画像情報と、焦点面の外にある対象物の空間部分から発生する画像情報とを含む。鮮鋭な画像を検出するためには、焦点面以外から発する画像成分を除去しなければならない。このために顕微鏡に光学系を設け、この光学系により試料を例えば定在波、または非周期的励起野などの特別の照明野により照明することを可能にすることが提案される。
【0004】
【特許文献1】
US 6128077
【特許文献2】
US 6055097
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
顕微鏡による対象物の3次元復元を改善するために、本出願人により既提出の出願番号10050963.0のドイツ特許出願では改善された方法および改善された装置が提案されている。ここでは画像記録ユニット、例えばCCDカメラによって対象物の画像シーケンスが種々異なるz面で記録される。これにより対象物のz方向での複数の種々の面からなる、対象物の面画像の画像ステープル(積層画像)が存在する。画像ステープルにある各画像は詳細鮮鋭度の高い鮮鋭な画像構造の領域と、記録時に焦点面の外にあったため不鮮鋭で画像中に高い詳細鮮鋭度を備えない領域とを含む。従って画像は、種々異なる詳細鮮鋭度の部分画像領域、とりわけ詳細鮮鋭度の高い部分画像領域と、詳細鮮鋭度の低い部分画像領域との集合であると理解することができる。画像分析方法を用いて、画像ステープルの各画像から高い詳細鮮鋭度で存在する部分画像領域が抽出される。これにより画像ステープルの各画像に対して、それぞれ鮮鋭度の高い画像領域だけを有する結果(ないし生成)画像(Ergebnisbild)が検出される。この結果画像は続いて、詳細が鮮鋭な新しい3次元全体画像に統合される。これにより詳細までが完全に鮮鋭な対象物の新しい3次元顕微鏡画像が発生する。
【0006】
画像ステープルの画像(複数)が記録されたz面(複数)の間隔(複数)と絶対値(複数)は既知であるから、このようにして形成された対象物の3次元顕微鏡画像を量的に評価することもできる。種々異なるz面で画像ステープルの個々の画像を記録するために、対物レンズと対象物との間の間隔が次のようにして変化された。すなわち顕微鏡台の高さ、すなわち対象物の載置台が機械的に調整されることにより変化された。しかし台の質量およびこれと結び付いたシステム全体の慣性が、個々の画像ステープルを記録する速度に対する限界を形成する。なぜならシステムの慣性によって、対象物を種々異なるz面で対物レンズの焦点に移動するのに比較的長い時間が必要になるからである。
【0007】
従って本発明の課題は、対象物を従来の光学顕微鏡を使用して高速かつ深い被写界深度で復元することのできる、対象物の検査装置および対象物の検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この課題は、請求項1の構成(第1の構成)を有する装置、並びに請求項10の構成(第10の構成)を有する方法により解決される。即ち、第1の構成によれば、対物レンズと、対象物を支持するための対象物台と、対象物の一連の個別画像を種々異なる面で記録するための画像記録装置と、を有する対象物を光学的検査するための装置において、対物レンズの対象物からの間隔を調整するための圧電制御される装置が設けられており、さらに一連の個別画像からマルチフォーカス画像を生成するための装置が設けられている、ことを特徴とする。
第10の構成によれば、対物レンズおよび画像記録装置を使用して対象物を検査する方法であって、対象物から一連の個別画像を画像記録装置により記録する形式の方法において、対象物中の対物レンズの焦点面の位置を、個別画像の撮像前に圧電制御される装置により調整する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
圧電制御される装置を、対物レンズと対象物との間の間隔調整に使用することによって、対象物の種々異なるz面を対物レンズの焦点領域に非常に正確かつ高速にシフトすることができる。これにより、一連の個別画像を対象物の種々異なるz面で記録することが格段に加速される。そしてこれにより対象物を光学顕微鏡的に検査する際に、顕微鏡的表面を高速に3D復元する手段が得られる。そして種々異なる対象物における高速な過程も3次元で、かつ深い被写界深度で検出することができる。同時に対象物が検査の際に大切に取り扱われることも保証される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
提案された対象物の検査に対しては対物レンズが使用され、対象物は通常は対象物台にあるから、対象物の種々異なるz面を対物レンズの焦点領域にシフトしなければならない。ここで本発明によれば、対象物の所望のz面を対物レンズの焦点領域にシフトするのに基本的に複数の手段がある。圧電制御(piezogesteuert)される対物レンズを使用することができる。この実施形態では対物レンズ自体に圧電アクチュエータが設けられており、この圧電アクチュエータを適切な制御ユニットにより、対物レンズがシフトされ、これにより対物レンズの焦点面がシフトされるように制御することができる。
【0011】
本発明の別の構成では、対物レンズをシフトする代わりに、台上の対象物ないし対象物を備える台を圧電制御されるアクチュエータによってシフトする。ここでは圧電制御されるアクチュエータは対象物台と結合されており、制御装置に接続されている。制御装置は、対象物台の上の対象物がz方向にシフトされ、これにより対象物の新たなz面が対物レンズの焦点領域にシフトされるよう圧電アクチュエータを制御する。
【0012】
本発明の別の構成では、対物レンズにも対象物台にも圧電アクチュエータが設けられており、2つのアクチュエータが制御装置を介して制御される。これにより対物レンズも、対象物台ないし対象物台の上にある対象物もz方向にシフトすることができる。これにより簡単に、対象物をz方向で種々異なる焦点面にシフトすることのできる距離が延長される。本発明の別の構成では、対物レンズにも対象物台にも圧電アクチュエータが設けられており、付加的に対象物台は従来の制御可能な調整ユニット(例えば電気機械的)を有している。ここではすべてのユニット(対物レンズ圧電アクチュエータ、台圧電アクチュエータ、電気機械的調整ユニット)が制御装置を介して制御され、対物レンズも、対象物台ないし対象物台上の対象物もz方向にシフトすることができる。このようにして簡単に、対象物をz方向で種々異なる焦点面にシフトすることのできる距離がさらに延長される。
【0013】
本発明の前記実施形態ではすべて、種々異なるz面で記録される画像ステープルの個別画像が相互に等間隔のz面で記録されると有利である。このことは一方では画像復元を容易にし、他方ではz面間隔が非常に小さければ、対象物をz方向で非常に正確に検出することを可能にする。
【0014】
ここに述べる方法の重要点は、個々の面で鮮鋭な画像領域と不鮮鋭な画像領域とを分離することである。ここでは個々の面画像を個別の機器プロフィール(Apparateprofil)により計算機的に展開すると画像品質の格段の改善が得られることが判明した。機器プロフィールとは、構造全体の結像特性を意味し、数学的には機器全体の光学系の点拡散関数(point spread function:PSF)ないし光伝達関数(optical transfer function:OTF)により表わされる。点拡散関数の詳細については、刊行物:Joseph W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics", Mc Graw Hill, New York, 1968から当業者には周知である。
【0015】
展開により、使用される結像システムに起因する結像エラーが各面画像から除去される。すなわち計算的に取り除かれる。数学的展開(Entfaltung)についての詳細は当業者であれば専門書から周知である。有利には各面画像の展開は、鮮鋭な画像領域を検出および分離するための計算プロセスを開始する前に実行される。これにより各面が格段に鮮鋭となり、各面の鮮鋭な画像領域が容易に検出される。計算速度を高めるために、展開を先ずモザイク画像において実行することもできる。しかし展開の結果は、すべての個別画像を展開し、引き続きマルチフォーカス画像計算を行う場合よりも悪くなることがありうる。
【0016】
本発明により提案された装置と方法によって、画像の被写界深度が比較的浅いという光学顕微鏡的制限を克服し、同時に対象物の3次元表面復元を、圧電制御されるアクチュエータを使用して対象物を焦点面に位置決めすることによって高速に実行することができる。これにより顕微鏡画像品質が改善され、さらに顕微鏡的表面トポロジーの急速な変化を画像分析的に検出し、使用することができる。これにより表面構造のリアルタイム測定が可能となり、同時に被写界深度が浅いことによる画像品質の制限が除去される。
【0017】
本発明のさらなる利点および有利な実施形態は以下の図面並びに図面の説明の対象である。図面は分かり易くするため縮尺通りには図示されていない。
【実施例】
【0018】
図1は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査(探査)するための装置の一部を概略的に示す。対物レンズ10は、対象物台14の上に取り付けられた対象物12を検査するために用いられる。この対象物の被写界深度の深い画像と、3次元表面プロフィール(輪郭像)を形成するために、本発明では一連の個別画像が撮像(記録)される。ここでこの個別画像の各々は試料の異なるz面にある。このために対物レンズ10の焦点を試料内にそれぞれ位置決めし、各焦点が所望の面に来るようにしなければならない。このことは、対物レンズの対象物からの間隔を調整することにより達成される。このために対物レンズには圧電アクチュエータ(Piezoaktor)16が設けられており、この圧電アクチュエータは制御装置18と接続されている。制御装置18を介して圧電アクチュエータ16を制御することができ、これにより対物レンズ10のシフト(移動)が達成される。このシフトは二重矢印により示されている。従って圧電制御される対物レンズ10により対象物12内で焦点を調整することができる。圧電アクチュエータにより対物レンズのシフトを非常に正確に、かつ非常に小さなシフト運動Δzにより実行することができる。このシフト運動Δzは、好ましくは、使用される観察光の分解能の領域にある。
【0019】
それぞれ所望のz面で個別画像を記録した後、一連の個別画像(複数)がさらなる画像処理のために存在する。好ましくはz面は相互に等間隔である。
【0020】
図2には、圧電制御される対物レンズにより対象物を探査するための基本的方法フローが示されている。ここでこの方法は有利にはソフトウエア制御を介して実現される。対象物12からの対物レンズ間隔を粗く予備調整した後、装置のさらなる動作フローを自動的に実行することができる。このためにプログラムのスタート30の後、ステップ32で対物レンズ10が圧電アクチュエータ16によってスタート位置に走行される。引き続きステップ34で、ユーザにより入力された、または自動的に求められた終位置にすでに達したか否かが検査される。達していなければ、ステップ36でアナログまたはデジタルカメラ、有利にはCCDカメラによりこの焦点面の画像が撮像され、記憶される。その後、ステップ38で制御装置18を介して圧電アクチュエータ16が制御され、これにより対物レンズ10が走行され、対象物12中の画像が記録されるべき次のz面が対物レンズ10の焦点に来るようにする。このループは、ステップ34で終位置に達したことが検出されるまで繰り返される。次にステップ40で、一連の個別画像からマルチフォーカス画像が形成され、続いて3次元表面プロフィールが形成される。ステップ42でこの画像が記憶され、この方法はステップ44で終了する。
【0021】
図3には、達成される画像品質が改善される、対象物の検査方法のための方法フローが示されている。図2の方法と比較して、ステップ40と42の間に付加的ステップ41が挿入されている。このステップ41では、得られたマルチフォーカス画像が顕微鏡の機器プロフィールにより展開される。なぜなら、得られたマルチフォーカス画像を個別の機器プロフィールにより、機器固有の光伝達関数(OTF)または機器固有の点拡散関数(PSF)を考慮して展開すれば、画像品質の格段の改善が達成されることが判明しているからである。この展開により、使用される結像システムから生じる不鮮鋭な画素が各面画像から除去される。すなわち計算的に取り除かれる。
【0022】
図4には、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための方法の方法フローが、さらに画像品質を改善するための付加的ステップと共に図示されている。ステップ34で終位置に達したことが検出されると直ちに、付加的ステップ39で記憶された個別画像がそれぞれの機器関数により展開される。各個々の画像を引き続くマルチフォーカス画像形成により展開することにより、正確なマルチフォーカス画像が得られる。なぜなら展開により、光学系に起因する不鮮鋭さがすでに各個別画像で除去され、個別画像の重なり合いを表わす全体画像がこの種の不鮮鋭さをもはや有していないからである。
【0023】
従って図2から図4に示された方法は、検出されたマルチフォーカス画像の鮮鋭度および精度の点で異なる。ここでは精度の向上はそれぞれ比較的に大きな計算コストを必要とすることに注意すべきである。従ってマルチフォーカス画像の作成は比較的長い時間を必要とする。従ってユーザには自分で自由に選択することのできる種々の可能性が与えられている。ユーザにとって鮮鋭度の少ない画像で十分であれば、ユーザは図2に示した方法を実施し、検査すべき対象物の画像を非常に高速に得ることができる。比較的高い精度に対しては図3による方法フローが提供される。ここでは多くの計算コストと長い時間がマルチフォーカス画像の作成のために費やされる。非常に正確で鮮鋭な画像が図3に示した方法によって達成される。ここでは記録された個別画像をそれぞれ展開するので計算コストおよび時間も最大である。
【0024】
或いは、図4に示された方法では、記録された画像を記憶の直前で、すなわちステップ36の一部として展開し、展開後に記憶する。
【0025】
図5は本発明の別の構成を示す。ここには圧電制御される対象物台14により対象物12を検査するための装置の一部が概略的に示されている。
【0026】
対物レンズ10は、対象物台14に取り付けられた対象物12を検査するために用いられる。対物レンズ10の焦点を試料12に位置決めするために、対物レンズの対象物からの間隔が次のようにして調整される。すなわち対象物台には圧電アクチュエータ22が設けられており、この圧電アクチュエータが制御装置20と接続されていることによって調整される。この対象物台圧電アクチュエータ22は、対象物に向いた側の台14の表面15に取り付けるか、または対象物とは反対側の台14の表面17に取り付けることができる(図示せず)。対象物12に向いた側の台14の表面15に取り付けるのが特に有利であるが、ここではz運動を形成するのに比較的僅かな質量が運動されるからである。制御装置20を介して対象物台圧電アクチュエータ22は制御され、これにより対象物台14上で圧電アクチュエータ22に取り付けられた対象物12はz方向にΔzだけシフトされる。この運動は二重矢印により示されている。従って圧電制御される対象物台14により対象物12内で焦点の調整が行われる。
【0027】
各所望のz面で個別画像が記録された後、再び一連の個別画像がさらなる処理のために存在する。
【0028】
図6には、圧電制御される対象物台による対象物の検査のための原理的方法フローが示されている。ここでこの方法は有利にはソフトウエア制御を介して実現される。この方法は実質的にすでに図2で説明した方法に相応する。しかし対物レンズの焦点面の調整がこの方法では方法ステップ37で実行され、圧電制御部19は圧電アクチュエータ22のz方向に絶対値Δzだけの厚さ変化が生じるように制御される。対象物12は圧電アクチュエータ22に取り付けられているから、これにより焦点面を対象物中でシフトすることができる。
【0029】
対物レンズの試料からの間隔を調整するための対象物台圧電アクチュエータ22を使用することによっても、画像品質の改善が達成される。このために図3で説明した方法に相応して、ステップ42の付加的な挿入を介してマルチフォーカス画像が機器プロフィールにより展開される。この方法は図7に示されている。
【0030】
図8には、ステップ39での個別画像の展開によるさらなる改善が示されている。この展開は、図4の方法に相応して対象物台圧電アクチュエータを使用した際にすでに説明した利点と共に使用することができる。
【0031】
図9は、本発明の別の構成を示している。ここでは、圧電制御される対象物台14と圧電制御される対物レンズ10により対象物12を検査するための装置の一部が概略的に示されている。本発明のこの実施形態では、対物レンズ10に対物レンズ圧電アクチュエータ16が設けられており、この圧電アクチュエータ16は制御部18と接続されている。さらに対象物台14には対象物台圧電アクチュエータ22が設けられており、この圧電アクチュエータは制御装置20を介して制御することができる。図5と関連して説明したように対象物台圧電アクチュエータは、台14の表面15の対物レンズに向いた側にも、台14の対物レンズとは反対側の表面17にも(図示せず)取り付けることができる。通常は圧電アクチュエータにより達成できる最大調整距離が小さいので、この実施形態は対象物12を格段に大きなzの範囲を高分解能で走査できる手段を提供する。なぜなら対物レンズ圧電アクチュエータ16はΔz1だけ、また対象物台圧電アクチュエータ22もΔz2だけシフトできるからである。
【0032】
この2つの圧電アクチュエータによって、一連の方法ステップが実現される。そのうちの一部が例として図10に示されている。対象物からの対物レンズ間隔を粗く予調整した後、装置のさらなる動作フローを自動的に実行することができる。このために方法のスタート30後に、ステップ32で対物レンズ10(対物レンズ圧電アクチュエータによって)並びに対物レンズ圧電アクチュエータがスタート位置に走行される。続いてステップ34で、ユーザにより入力された、または自動的に検出された対象物台圧電アクチュエータの終位置にすでに達しているか否かが検査される。達していなければ、ステップ46でユーザにより入力された、または計算された対物レンズ圧電アクチュエータの終位置に達しているか否かが検査される。ステップ46で、対物レンズ圧電アクチュエータがまだ終位置に達していないことが検出されると、ステップ36でアナログまたはデジタルカメラ、有利にはCCDカメラによってこの焦点面の画像が記録される。その後、ステップ38で制御装置18を介して対物レンズ圧電アクチュエータ16が制御され、対物レンズ10は対象物12中で画像を記録すべき次のz面が対物レンズ10の焦点に来るように走行される。このループは、ステップ34で対象物台が終位置に達したことが検出されるまで繰り返される。従ってこの制御ループでは、対物レンズが対物レンズ圧電アクチュエータにより、それぞれΔz1のステップ幅を有するn個のステップで対象物から異なる間隔に制御される。対物レンズがその終位置に達すると、n*Δz1=Nの全体距離を走行したことになる。
【0033】
ステップ46で対物レンズが終位置に達したことが検出されると、ステップ48で対物レンズは対物レンズ圧電アクチュエータによってそのスタート位置に走行され、対象物台圧電アクチュエータが制御ユニット20により制御され、対象物台圧電アクチュエータは先行の対物レンズ全体移動の値、すなわちΔz2=N+Δz1だけシフトされる。次に対物レンズの制御ループが繰り返され、新たにn*Δz1=Nの全体距離にわたりステップごとにシフトされる。対物レンズの最大移動位置に達すると、対物レンズは再びそのスタート位置にリターンし、対象物台は対象物台圧電アクチュエータを介して新たな対物レンズ全体移動の値だけ、すなわちΔz2=N+Δz1だけ(瞬時の台位置に対して相対的に)シフトされる。
【0034】
この対物レンズ運動−対象物台運動の制御ループを繰り返すことによって、圧電アクチュエータの最大調整距離が小さくても、試料の大きな領域を検査することができる。
【0035】
対象物台もその終位置に達したことが識別されると直ちに、ステップ40でこのようにして得られた一連の個別画像からマルチフォーカス画像が形成され、引き続き3次元表面プロフィールが形成される。ステップ42でこの画像は記憶され、この方法はステップ44で終了する。
【0036】
前記の方法は、例として以下の表にあげられたn(対物レンズ)=3、およびm(対象物台)=3についての対物レンズおよび対象物台制御シーケンスに対するデータに基づいて実現される。
【0037】
【表1】
【0038】
表から分るように、対物レンズ10と対象物台14を、対物レンズと対象物台にある圧電制御される調整装置により所期のように交互に運動させるシーケンスによって、格段に大きな走査領域を高い分解能でカバーすることができる。
【0039】
(対物レンズと対象物(台)にある)2つの圧電アクチュエータにより全体で次の領域が掃引される。
【0040】
Δz(全体)=Δz1−(m+1)*(n+1)*Δz1[μm]
ここで
m=台/対象物圧電アクチュエータ制御システムのステップ数
n=対物レンズ圧電アクチュエータシステムのステップ数
Δz1=対物レンズ圧電アクチュエータのステップ間隔(例えば0.5μm)
である。
【0041】
対象物台圧電アクチュエータと対物レンズ圧電アクチュエータを、試料からの対物レンズの間隔調整のために使用することによっても、画像品質の改善が達成される。このために図3に説明した方法に相応してステップ41の付加的挿入を介して、マルチフォーカス画像が機器関数により展開される。この方法は図11に示されている。
【0042】
図12には再度、ステップ39での個別画像の展開によるさらなる改善が示されている。この展開も、図4の方法に相応して対象物台圧電アクチュエータの使用の際にすでに説明した利点と共に使用することができる。
【0043】
本発明のさらなる構成では図13に示すように、圧電制御される対物レンズによる対象物の探査装置が電子機械的に制御される対象物台と組み合わされる。対物レンズ10は、対象物台14に取り付けられた対象物12の検査に用いられる。一連の個別画像を記録するために、対物レンズ10には対物レンズ圧電アクチュエータ16が設けられており、この圧電アクチュエータは制御ユニット18により制御される。対象物台14は3つすべての空間方向でそれぞれΔx、Δy、およびΔz2のステップでシフトすることができる。ここでこのシフトは制御モジュール21により制御される。制御モジュールは有利にはコンピュータと接続されている。シフト可能なエレメントをこのように組み合わせることによって、やはり比較的大きな対象物を探査することができる。なぜなら対象物台をx、y面でシフトする手段によって、ただ1つのz面にある部分画像を種々異なるx、y位置でカメラにより記録することができるからである。この部分画像は次に画像処理ソフトウエアにより再びただ1つの面画像、いわゆるモザイク画像に統合される。このモザイク画像はその大きさの点で、通常可能な画像記録領域を数倍も上回ることができる。さらに電子機械的にz方向にもシフト可能な対象物台14により可能な走査領域が格段に拡張される。なぜなら対象物台のz方向でのシフトΔz2と、圧電制御される対物レンズのシフトΔz1により焦点面を調整できるからである。
【0044】
図14には、電子機械的に制御される対象物台14と圧電制御される対物レンズ12により対象物10を探査するための基本的方法フローのフローチャートが示されている。プログラムスタート30の後、対象物からの対物レンズ間隔が粗く予調整されると、方法ステップのさらなる経過は装置において有利には完全自動的に実行される。このためにまず対象物台14と対物レンズがスタート位置に走行される。これは有利には圧電アクチュエータおよび対象物台制御システム18,21によってコンピュータを介して実行される。
【0045】
次に3つの制御ループで対象物台14はステップごとに所定のx、y、z領域を介して移動される。この第1の制御ループは問い合わせ50を介して定義される。ここでは対象物台14がy方向で終位置に達したか否かが検査される。第2の制御ループは問い合わせ54を介して定義される。ここでは対象物台14がx方向で終位置に達したか否かが検査される。第3の制御ループは問い合わせ56を介して定義される。ここでは対物レンズがその終位置に達したか否かが検査される。対象物台14が手動で、または自動的に学習したx、y限界内にあれば、対象物台はプログラムループによってそれぞれ1つの画像野だけステップごとにさらに移動される。チェス盤パターンのように所定の走査領域がフィールドごとに走行される。
【0046】
新たに走行された対象物台の各x-y位置で、画像ステープルがz方向に記録される。
【0047】
このことは3つの制御ループで達成される。ステップ36で画像が記録され、引き続き新たな焦点面が対物レンズのシフトを介して調整される。対物レンズ10はステップ38で値Δz1だけ変化される。画像はステップ36でアナログまたはデジタルカメラにより記録され、中間記憶される。n個のステップで焦点面は対象物12を通して案内され、所望の画像ステープル(積層画像)が記録される。
【0048】
焦点画像ステープルが記録された後、対物レンズはステップ48でそのzスタート位置にリターンされる。ステップ58で対象物台14は画像野を中心にx、y面でさらに制御され、さらなる焦点画像ステープルが上記の方法に従い圧電対物レンズにより記録される。
【0049】
すべての画像が記録され、記憶された後、ステップ52で焦点面の各々に対し、有利には自動的にモザイク画像が作成される。このモザイク画像は、各焦点面で記録された画像、すなわち予め定義されたx、y領域内の各焦点面で記録された画像を順次繋ぎ合わせることにより発生する。モザイク画像は、画像重ね合わせ合成方法のような公知の方法(自動補正)によって、またはレタッチ合成方法によって作成される。モザイク画像はすべての焦点面に対して形成されるから、焦点面(複数)のすべての画像を代表するモザイク画像ステープルが発生する。
【0050】
対物レンズ圧電アクチュエータの可能な移動が小さいことにより、個々の焦点面間で非常に小さな間隔が達成される。この特性により高分解能の対物レンズによっても、すなわち被写界深度の浅い対物レンズによっても動作することができ、顕微鏡対象物の非常に微細なトポロジー的(立体的)詳細を可視とすることができる。
【0051】
次にステップ40ですべての画像モザイク、すなわちx、y方向での多数の個別画像を合成することによって、z方向でもx、y方向でも完全に鮮鋭な高解像度画像が得られる。
【0052】
3次元空間では解像度をいわゆるボクセル解像度として定義することができる。ここでボクセル(Voxel)はピクセルが3つの空間方向で有するボリュームエレメント(ユニット)である。例えば1μmの画素エッジ長のボクセル解像度の場合、x、yで25400dpiの解像度が発生する。これは表示の枠内で「最高解像度」と見なすべきである。
【0053】
図15に示すようにマルチフォーカス画像の形成後にこの方法でも、マルチフォーカス画像を記録システムの機器プロフィールによりステップ41で展開することができ、これによりz方向の画像鮮鋭度をさらに改善することができる。
【0054】
同様に図16に示すように、ステップ40でのマルチフォーカス画像の形成前にすべてのx、yモザイク画像を記録システムの機器プロフィールによりステップ39で展開することもできる。この方法はすでに述べたように時間がかかるが、画像鮮鋭度の点でさらに改善されたマルチフォーカス画像が得られる。
【0055】
モザイク個別画像を図16に示した方法に相応して引き続くマルチフォーカス画像形成により展開することによって、さらに正確なマルチフォーカスモザイク画像が得られる。しかし計算コストはかなりのものとなる。なぜならステープルの各モザイク画像を展開しなければならないからである。
【0056】
これに対して、オリジナルモザイク画像データ(展開されていないモザイク画像)からすでに作成したマルチフォーカス画像を図15に示した方法に相応して展開することは格段に高速に計算できる。最高速の計算は、図14の方法で説明したようにオリジナルモザイク画像の展開を省略すると得られる。前もって作成したモザイク画像からマルチフォーカス画像を直接計算することによって、ここに紹介した実施形態のうちの最高速度が達成される。どの実施形態を選択するかは、ユーザの所望の結果に基づいて任意に選択することができる。
【0057】
図13に説明した電子機械的に調整可能な台14を備える装置を使用する場合、z方向の解像度をさらに高めることができる。このために対物レンズ10の対象物12からの間隔の調整が、対物レンズ10のΔz1と台14のΔz2との適切な組合せで行われる。図17から19には、この方法フローがそれぞれ展開なしの方法(図17)、マルチフォーカス画像の展開による方法(図18)、および個別画像の展開による方法(図19)に対して示されている。
【0058】
すべての方法はステップ66で付加的に、台14の走査領域Δz2の終位置に達したか否かを検査することを特徴とする。相応して付加的ループ69が必要である。このループでは対象物台14が新たな位置に走行される。さらに残りのループで台をスタート位置にリターンすることが必要である。このことはステップ70と72で実行される。従ってこの方法では、被写界深度の深い画像とこの画像の3次元表面プロフィールとを、通常のx、y方向での対象物台とz方向に圧電制御される対物レンズとを同時に使用することによって形成できる。これによりz方向での分解能が高くても格段に大きなz領域を検出することができる。
【0059】
図17では基本的方法フローがフローチャートに示されている。対物レンズ10の対象物12からの間隔を粗く予調整した後、さらなる方法ステップを自動的に実行することができる。対象物12および電子機械的に制御される対象物支持台14は、圧電制御装置18と台制御システム21によって有利にはコンピュータを介してスタート位置に走行される。問い合わせ50,54,66により定義される3つの制御ループでは、台14がステップごとに所定のx、y、z領域にわたって移動される。第1の制御ループは問い合わせ50によりトリガされ、x、y方向でのそれぞれの台位置を検査する。
【0060】
台が手動または自動的に学習されたx、y限界内にあれば、台14はプログラムループによってそれぞれ1つの画像野だけステップごとにさらに移動される。チェス盤パターンの場合のように、所定の走査領域がフィールドごとに走行される。次に各新たに走行された台のx、y位置で、画像ステープルがz方向に記録される。このことは制御ループによって実行される。この制御ループはステップ56で、対物レンズ圧電アクチュエータの調整距離の終位置に達したか否かを検査する。これに達していなければステップ36で画像が記録され、記憶され、ステップ38で対物レンズの位置が対物レンズ圧電アクチュエータを介してΔz1だけ変化される。この方法は次の例に基づいて明瞭となる。
【0061】
プログラムのスタート後、ステップ56により定義される制御ループで対物レンズが対物レンズ圧電アクチュエータによりΔz1のステップで対象物から種々異なる間隔で制御される。対物レンズがその終位置に達すると、n*Δz1=Nの全体経路を走行したことになる。次に対物レンズはステップ68で対物レンズ圧電アクチュエータを介してそのスタート位置に戻るよう制御される。さらに台14は先行の対物レンズ全体移動の値-Δz2=N+Δz1だけシフトされる。
【0062】
次に制御ループは繰り返され、新たにn*Δz1=Nの全体経路にわたってステップごとにシフトされる。対物レンズがその最大移動位置に達すると、対物レンズ10は再びそのスタート位置にリターンされ、台14は新たな対物レンズ全体移動の値-Δz2=N+Δz1だけ瞬時の台位置に対して相対的にシフトされる。
【0063】
このように対物レンズ運動と台運動を繰り返すことによって、対象物の格段に大きな領域を高分解能で走査することができる。なぜなら圧電アクチュエータは非常に小さなシフトを実現できるからである。対物レンズシフトΔz1により達成される各焦点面で、画像がアナログまたはデジタルカメラにより記録され、まず記憶される(RAMまたはハードディスク等に)。
【0064】
具体的にはn(対物レンズ)=3とm(対象物台)=3についての対物レンズおよび対象物台の制御シーケンスに対して以下の表に示す方法フローが得られる。
【0065】
【表2】
【0066】
表から分るように、対物レンズ10と台14の運動シーケンスを、対物レンズにある圧電制御される調整装置16,18と台14にある位置制御部21によって所期のように交互に移動させることによって、格段に大きな走査領域を高分解能でカバーすることができる。そこからこの方法により掃引することのできる全体間隔が得られる:
Δz(全体)=Δz1−(m+1)*(n+1)*Δz1[μm]
ここで
m=台/対象物制御システム(電子機械的)のステップ数
n=対物レンズ圧電アクチュエータシステムのステップ数
Δz1=対物レンズ圧電アクチュエータのステップ間隔(例えば1μm)
焦点画像ステープルが前記の台運動と対物レンズ運動との共働の後に記録されると、圧電対物レンズ10はステップでそのzスタート位置にリターンする。台14は1つの画像野だけx、y面でさらに制御され、さらなる焦点画像ステープルが上記の方法に従い圧電対物レンズにより記録される。
【0067】
すべての画像が走査されると直ちに、各走査されたz面に対してステップ52でモザイク画像が形成される。ここでこのステップは有利には特別のプログラムによりまず自動的に実行される。このようにして各焦点面に対してモザイク画像が発生する。ステップ40で次に再びマルチフォーカス画像が形成される。
【0068】
画像品質を改善するために再び図18に示すように、マルチフォーカス画像の形成後にこの方法でもマルチフォーカス画像を記録システムの機器プロフィールによりステップ41で展開し、z方向の画像鮮鋭度をさらに改善することができる。
【0069】
同様に図19に示すようにマルチフォーカス画像をステップ40で形成する前に、すべてのx、yモザイク画像を記録システムの機器プロフィールによりステップ39で展開することができる。この方法はすでに述べたように時間はかかるが、画像鮮鋭度の点でさらに改善されたマルチフォーカス画像を提供する。
【0070】
本発明の別の構成では、圧電アクチュエータ16が所属の制御部18と共に対物レンズ10に、圧電アクチュエータ22が所属の制御部20と共に台14に配置されている。台14はさらに電子機械的制御部と結合されており、対象物台をx、y方向およびz方向に運動させることができる。この構成は図20に概略的に示されている。
【0071】
これにより対物レンズ10の対象物12からの間隔を調整するために、すなわち全体で可能なzシフトに対して次の3つの調整素子が存在する:
1.電子機械的台 Δz2
2.台−圧電アクチュエータ Δz3
3.対物レンズ−圧電アクチュエータ Δz1
対象物台をx方向およびy方向に調整するためには(それぞれ)2つの調整素子が存在する:
1.電子機械的台 Δx2;Δy2
2.台−圧電アクチュエータ Δx3;Δy3
圧電アクチュエータを組み合わせることにより、微細な走査領域が達成される。この走査領域は2つの圧電アクチュエータによりカバーされる調整(走行)領域によって定義される。
【0072】
対物レンズ10の対象物12からの間隔を調整するための付加的な調整経路Δz3に相応して、これまで説明した方法がさらなる制御ループだけ拡張される。この方法は図21にフローチャートで示されている。このためにステップ76で、対象物台圧電アクチュエータの終位置にすでに達しているか否かが検査される。この結果に依存して、ステップ36で瞬時の画像が記録され、記憶されるか、または対物レンズ10および台圧電アクチュエータ22がステップ78と80だけその新たな位置に走行される。付加的にフロー全体にステップ82,84,86を含めることができる。これらのステップではそれぞれ台圧電アクチュエータ22がそのスタート位置にリターン走行される。
【0073】
基本的に走査原理は、すでに図11と関連して説明した、同様に対物レンズ圧電アクチュエータ16と対象物台圧電アクチュエータ22が使用される方法に相当する。ここでは個々の画像面が非常に正確に、高い解像度で、高速に検出され、これにより3次元表面結像と高解像度の画像が復元される。電子機械的に3つの空間方向x、y、zで調整可能な台14を付加的に使用することにより、図11の方法が有利には図17の方法と組み合わされる。粗領域も微領域も、電磁的台のz方向での適切な運動によって微走査領域が継目なしで順次繋がるように整合される。このように2つの実施例を結合することにより、z方向で使用可能な微走査領域が格段に上昇する。
【0074】
図21に概略的に示すように電子機械的顕微鏡台14を各x、y方向にシフトした後、正確な所望位置を台圧電アクチュエータ22によって微細に調整することができる。このことは、x方向およびy方向で適切に作用する、台圧電アクチュエータ22による対象物12の位置のオフセットによって達成される。これは対象物の新たなx、y位置が電子機械的台14によって予調整された後に行う。
【0075】
これにより画像モザイク作成の際に隣接する画像の重なり領域の計算が省略できる。なぜならモザイクに寄与する個々の個別画像が正確に走行され、隣接する画像がピクセルどおりに正確に接触するからである。このようにしてモザイク個別画像が接触方法、いわゆるレタッチ方法で互いにつなぎ合わされる。モザイク作成のための方法は現在、最も高速で頑強な方法である。なぜなら、画像モザイクを定める品質要因がもっぱら対象物12の正確な位置決めに依存するからである。このことは、台14を正確に電子機械的に位置決めすることと、台14をx、y、およびz方向に正確に制御することにより達成される。従って隣接する画像の重なり領域を計算するための画像分析は不要である。この時間のかかる自己相関方法の必要性がなくなることにより、頑強性と画像内容の非依存性の他に高い速度が達成され、顕微鏡的表面での高速に変化するプロセスを高解像度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0076】
【図1】図1は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査(探査)するための装置の一部概略図である。
【図2】図2は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための基本的方法フローを示す図である。
【図3】図3は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための改善された方法の方法フローを示す。
【図4】図4は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図5】図5は、圧電制御される対象物台により対象物を検査するための装置の一部概略図である。
【図6】図6は、圧電制御される対象物台により対象物を検査するための基本的方法フローを示す。
【図7】図7は、圧電制御される対象物台により対象物を検査するための改善された方法の方法フローを示す。
【図8】図8は、圧電制御される対象物台により対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図9】図9は、圧電制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための装置の一部概略図である。
【図10】図10は、圧電制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための基本的方法フローを示す。
【図11】図11は、圧電制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための改善された方法の方法フローを示す。
【図12】図12は、圧電制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図13】図13は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための装置の一部概略図である。
【図14】図14は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための基本的方法フローを示す。
【図15】図15は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための改善された方法の方法フローを示す。
【図16】図16は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図17】図17は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図18】図18は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図19】図19は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図20】図20は、圧電的および電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための装置の一部概略図である。
【図21】図21は、圧電的および電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための基本的方法フローを示す。
【図22】図22は、圧電的および電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図23】図23は、圧電的および電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【符号の説明】
【0077】
10 対物レンズ
12 対象物
14 対象物台
15 対象物に向いた側の対象物台の表面
16 対物レンズ圧電アクチュエータ
17 対象物とは反対側の対象物台の表面
18 圧電制御装置
20 圧電制御装置
21 電子機械的シフト制御部
22 対象物台圧電アクチュエータ
30 方法(プログラム)のスタート
32 スタート位置への走行
34 “終位置に達したか?”の決定
36 画像取り込みおよび記憶
37 対象物台圧電アクチュエータのシフトΔz
38 対物レンズのシフト
39 個別画像の展開
40 マルチフォーカス画像の形成
41 マルチフォーカス画像の展開
42 結果を記憶
44 方法(プログラム)の終了
46 “対物レンズ圧電アクチュエータが終位置に達したか?”の決定
48 対物レンズをスタート位置に走行
50 “台がy方向で終位置に達したか?”の決定
52 画像モザイクの形成
54 “台がx方向で終位置に達したか?”の決定
56 “対物レンズ圧電アクチュエータが終位置に達したか?”の決定
58 台を次のx位置に走行
60 対物レンズをスタート位置にリターン
62 台をxスタート位置にリターン
64 台を次のy位置に走行
66 “台がz方向で終位置に達したか?”の決定
68 対物レンズをスタート位置にリターン
69 台を次のz位置に走行
70 台をzスタート位置にリターン
72 台をzスタート位置にリターン
74 x、y方向での微調整
76 “台がz方向で終位置に達したか?”の決定
78 対物レンズをスタート位置にリターン
80 台圧電アクチュエータを次のz位置に走行させる
82 台圧電アクチュエータをスタート位置にリターン
84 台圧電アクチュエータをスタート位置にリターン
86 台圧電アクチュエータをスタート位置にリターン
d 対物レンズ/対象物の間隔
Δx x方向のシフト
Δy y方向のシフト
Δz z方向のシフト
【0001】
本発明は、対物レンズと、対象物を収容(支持)するための対象物台とを有する、対象物の光学的検査(探査)をするための装置、並びに対象物の光学的検査をするための方法に関する。
【背景技術】
【0002】
試料を顕微鏡により検査する際には、対象物の表面の3次元形態を復元する必要性がしばしば生じる。そのために例えば共焦点走査顕微鏡を使用することができる。ここで試料が(1つの)光ビームの焦点により1つの面で点ごとに走査され、これによりこの面の画像が得られるが、この画像はとりわけ被写界深度が浅い。種々異なる面を複数撮像(記録)し、相応に画像処理することにより、対象物を3次元で表示することができる。この種の共焦点走査顕微鏡は例えばUS6128077から公知である。共焦点走査顕微鏡に使用される光学的コンポーネントはとりわけ非常に高価であり、良好な技術的理解の他に非常に多くの調整作業を必要とする。
【0003】
US6055097からさらに蛍光顕微鏡のための方法が公知である。ここでは試料に着色剤が導入され、この着色剤が適切な照明条件の下で蛍光する。従って照射により試料中の着色剤の局在位置を特定することができる。空間的画像を形成するために、複数の画像が種々異なる焦点面で記録される。この各画像は、焦点面から直接発生した画像情報と、焦点面の外にある対象物の空間部分から発生する画像情報とを含む。鮮鋭な画像を検出するためには、焦点面以外から発する画像成分を除去しなければならない。このために顕微鏡に光学系を設け、この光学系により試料を例えば定在波、または非周期的励起野などの特別の照明野により照明することを可能にすることが提案される。
【0004】
【特許文献1】
US 6128077
【特許文献2】
US 6055097
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
顕微鏡による対象物の3次元復元を改善するために、本出願人により既提出の出願番号10050963.0のドイツ特許出願では改善された方法および改善された装置が提案されている。ここでは画像記録ユニット、例えばCCDカメラによって対象物の画像シーケンスが種々異なるz面で記録される。これにより対象物のz方向での複数の種々の面からなる、対象物の面画像の画像ステープル(積層画像)が存在する。画像ステープルにある各画像は詳細鮮鋭度の高い鮮鋭な画像構造の領域と、記録時に焦点面の外にあったため不鮮鋭で画像中に高い詳細鮮鋭度を備えない領域とを含む。従って画像は、種々異なる詳細鮮鋭度の部分画像領域、とりわけ詳細鮮鋭度の高い部分画像領域と、詳細鮮鋭度の低い部分画像領域との集合であると理解することができる。画像分析方法を用いて、画像ステープルの各画像から高い詳細鮮鋭度で存在する部分画像領域が抽出される。これにより画像ステープルの各画像に対して、それぞれ鮮鋭度の高い画像領域だけを有する結果(ないし生成)画像(Ergebnisbild)が検出される。この結果画像は続いて、詳細が鮮鋭な新しい3次元全体画像に統合される。これにより詳細までが完全に鮮鋭な対象物の新しい3次元顕微鏡画像が発生する。
【0006】
画像ステープルの画像(複数)が記録されたz面(複数)の間隔(複数)と絶対値(複数)は既知であるから、このようにして形成された対象物の3次元顕微鏡画像を量的に評価することもできる。種々異なるz面で画像ステープルの個々の画像を記録するために、対物レンズと対象物との間の間隔が次のようにして変化された。すなわち顕微鏡台の高さ、すなわち対象物の載置台が機械的に調整されることにより変化された。しかし台の質量およびこれと結び付いたシステム全体の慣性が、個々の画像ステープルを記録する速度に対する限界を形成する。なぜならシステムの慣性によって、対象物を種々異なるz面で対物レンズの焦点に移動するのに比較的長い時間が必要になるからである。
【0007】
従って本発明の課題は、対象物を従来の光学顕微鏡を使用して高速かつ深い被写界深度で復元することのできる、対象物の検査装置および対象物の検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この課題は、請求項1の構成(第1の構成)を有する装置、並びに請求項10の構成(第10の構成)を有する方法により解決される。即ち、第1の構成によれば、対物レンズと、対象物を支持するための対象物台と、対象物の一連の個別画像を種々異なる面で記録するための画像記録装置と、を有する対象物を光学的検査するための装置において、対物レンズの対象物からの間隔を調整するための圧電制御される装置が設けられており、さらに一連の個別画像からマルチフォーカス画像を生成するための装置が設けられている、ことを特徴とする。
第10の構成によれば、対物レンズおよび画像記録装置を使用して対象物を検査する方法であって、対象物から一連の個別画像を画像記録装置により記録する形式の方法において、対象物中の対物レンズの焦点面の位置を、個別画像の撮像前に圧電制御される装置により調整する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
圧電制御される装置を、対物レンズと対象物との間の間隔調整に使用することによって、対象物の種々異なるz面を対物レンズの焦点領域に非常に正確かつ高速にシフトすることができる。これにより、一連の個別画像を対象物の種々異なるz面で記録することが格段に加速される。そしてこれにより対象物を光学顕微鏡的に検査する際に、顕微鏡的表面を高速に3D復元する手段が得られる。そして種々異なる対象物における高速な過程も3次元で、かつ深い被写界深度で検出することができる。同時に対象物が検査の際に大切に取り扱われることも保証される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
提案された対象物の検査に対しては対物レンズが使用され、対象物は通常は対象物台にあるから、対象物の種々異なるz面を対物レンズの焦点領域にシフトしなければならない。ここで本発明によれば、対象物の所望のz面を対物レンズの焦点領域にシフトするのに基本的に複数の手段がある。圧電制御(piezogesteuert)される対物レンズを使用することができる。この実施形態では対物レンズ自体に圧電アクチュエータが設けられており、この圧電アクチュエータを適切な制御ユニットにより、対物レンズがシフトされ、これにより対物レンズの焦点面がシフトされるように制御することができる。
【0011】
本発明の別の構成では、対物レンズをシフトする代わりに、台上の対象物ないし対象物を備える台を圧電制御されるアクチュエータによってシフトする。ここでは圧電制御されるアクチュエータは対象物台と結合されており、制御装置に接続されている。制御装置は、対象物台の上の対象物がz方向にシフトされ、これにより対象物の新たなz面が対物レンズの焦点領域にシフトされるよう圧電アクチュエータを制御する。
【0012】
本発明の別の構成では、対物レンズにも対象物台にも圧電アクチュエータが設けられており、2つのアクチュエータが制御装置を介して制御される。これにより対物レンズも、対象物台ないし対象物台の上にある対象物もz方向にシフトすることができる。これにより簡単に、対象物をz方向で種々異なる焦点面にシフトすることのできる距離が延長される。本発明の別の構成では、対物レンズにも対象物台にも圧電アクチュエータが設けられており、付加的に対象物台は従来の制御可能な調整ユニット(例えば電気機械的)を有している。ここではすべてのユニット(対物レンズ圧電アクチュエータ、台圧電アクチュエータ、電気機械的調整ユニット)が制御装置を介して制御され、対物レンズも、対象物台ないし対象物台上の対象物もz方向にシフトすることができる。このようにして簡単に、対象物をz方向で種々異なる焦点面にシフトすることのできる距離がさらに延長される。
【0013】
本発明の前記実施形態ではすべて、種々異なるz面で記録される画像ステープルの個別画像が相互に等間隔のz面で記録されると有利である。このことは一方では画像復元を容易にし、他方ではz面間隔が非常に小さければ、対象物をz方向で非常に正確に検出することを可能にする。
【0014】
ここに述べる方法の重要点は、個々の面で鮮鋭な画像領域と不鮮鋭な画像領域とを分離することである。ここでは個々の面画像を個別の機器プロフィール(Apparateprofil)により計算機的に展開すると画像品質の格段の改善が得られることが判明した。機器プロフィールとは、構造全体の結像特性を意味し、数学的には機器全体の光学系の点拡散関数(point spread function:PSF)ないし光伝達関数(optical transfer function:OTF)により表わされる。点拡散関数の詳細については、刊行物:Joseph W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics", Mc Graw Hill, New York, 1968から当業者には周知である。
【0015】
展開により、使用される結像システムに起因する結像エラーが各面画像から除去される。すなわち計算的に取り除かれる。数学的展開(Entfaltung)についての詳細は当業者であれば専門書から周知である。有利には各面画像の展開は、鮮鋭な画像領域を検出および分離するための計算プロセスを開始する前に実行される。これにより各面が格段に鮮鋭となり、各面の鮮鋭な画像領域が容易に検出される。計算速度を高めるために、展開を先ずモザイク画像において実行することもできる。しかし展開の結果は、すべての個別画像を展開し、引き続きマルチフォーカス画像計算を行う場合よりも悪くなることがありうる。
【0016】
本発明により提案された装置と方法によって、画像の被写界深度が比較的浅いという光学顕微鏡的制限を克服し、同時に対象物の3次元表面復元を、圧電制御されるアクチュエータを使用して対象物を焦点面に位置決めすることによって高速に実行することができる。これにより顕微鏡画像品質が改善され、さらに顕微鏡的表面トポロジーの急速な変化を画像分析的に検出し、使用することができる。これにより表面構造のリアルタイム測定が可能となり、同時に被写界深度が浅いことによる画像品質の制限が除去される。
【0017】
本発明のさらなる利点および有利な実施形態は以下の図面並びに図面の説明の対象である。図面は分かり易くするため縮尺通りには図示されていない。
【実施例】
【0018】
図1は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査(探査)するための装置の一部を概略的に示す。対物レンズ10は、対象物台14の上に取り付けられた対象物12を検査するために用いられる。この対象物の被写界深度の深い画像と、3次元表面プロフィール(輪郭像)を形成するために、本発明では一連の個別画像が撮像(記録)される。ここでこの個別画像の各々は試料の異なるz面にある。このために対物レンズ10の焦点を試料内にそれぞれ位置決めし、各焦点が所望の面に来るようにしなければならない。このことは、対物レンズの対象物からの間隔を調整することにより達成される。このために対物レンズには圧電アクチュエータ(Piezoaktor)16が設けられており、この圧電アクチュエータは制御装置18と接続されている。制御装置18を介して圧電アクチュエータ16を制御することができ、これにより対物レンズ10のシフト(移動)が達成される。このシフトは二重矢印により示されている。従って圧電制御される対物レンズ10により対象物12内で焦点を調整することができる。圧電アクチュエータにより対物レンズのシフトを非常に正確に、かつ非常に小さなシフト運動Δzにより実行することができる。このシフト運動Δzは、好ましくは、使用される観察光の分解能の領域にある。
【0019】
それぞれ所望のz面で個別画像を記録した後、一連の個別画像(複数)がさらなる画像処理のために存在する。好ましくはz面は相互に等間隔である。
【0020】
図2には、圧電制御される対物レンズにより対象物を探査するための基本的方法フローが示されている。ここでこの方法は有利にはソフトウエア制御を介して実現される。対象物12からの対物レンズ間隔を粗く予備調整した後、装置のさらなる動作フローを自動的に実行することができる。このためにプログラムのスタート30の後、ステップ32で対物レンズ10が圧電アクチュエータ16によってスタート位置に走行される。引き続きステップ34で、ユーザにより入力された、または自動的に求められた終位置にすでに達したか否かが検査される。達していなければ、ステップ36でアナログまたはデジタルカメラ、有利にはCCDカメラによりこの焦点面の画像が撮像され、記憶される。その後、ステップ38で制御装置18を介して圧電アクチュエータ16が制御され、これにより対物レンズ10が走行され、対象物12中の画像が記録されるべき次のz面が対物レンズ10の焦点に来るようにする。このループは、ステップ34で終位置に達したことが検出されるまで繰り返される。次にステップ40で、一連の個別画像からマルチフォーカス画像が形成され、続いて3次元表面プロフィールが形成される。ステップ42でこの画像が記憶され、この方法はステップ44で終了する。
【0021】
図3には、達成される画像品質が改善される、対象物の検査方法のための方法フローが示されている。図2の方法と比較して、ステップ40と42の間に付加的ステップ41が挿入されている。このステップ41では、得られたマルチフォーカス画像が顕微鏡の機器プロフィールにより展開される。なぜなら、得られたマルチフォーカス画像を個別の機器プロフィールにより、機器固有の光伝達関数(OTF)または機器固有の点拡散関数(PSF)を考慮して展開すれば、画像品質の格段の改善が達成されることが判明しているからである。この展開により、使用される結像システムから生じる不鮮鋭な画素が各面画像から除去される。すなわち計算的に取り除かれる。
【0022】
図4には、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための方法の方法フローが、さらに画像品質を改善するための付加的ステップと共に図示されている。ステップ34で終位置に達したことが検出されると直ちに、付加的ステップ39で記憶された個別画像がそれぞれの機器関数により展開される。各個々の画像を引き続くマルチフォーカス画像形成により展開することにより、正確なマルチフォーカス画像が得られる。なぜなら展開により、光学系に起因する不鮮鋭さがすでに各個別画像で除去され、個別画像の重なり合いを表わす全体画像がこの種の不鮮鋭さをもはや有していないからである。
【0023】
従って図2から図4に示された方法は、検出されたマルチフォーカス画像の鮮鋭度および精度の点で異なる。ここでは精度の向上はそれぞれ比較的に大きな計算コストを必要とすることに注意すべきである。従ってマルチフォーカス画像の作成は比較的長い時間を必要とする。従ってユーザには自分で自由に選択することのできる種々の可能性が与えられている。ユーザにとって鮮鋭度の少ない画像で十分であれば、ユーザは図2に示した方法を実施し、検査すべき対象物の画像を非常に高速に得ることができる。比較的高い精度に対しては図3による方法フローが提供される。ここでは多くの計算コストと長い時間がマルチフォーカス画像の作成のために費やされる。非常に正確で鮮鋭な画像が図3に示した方法によって達成される。ここでは記録された個別画像をそれぞれ展開するので計算コストおよび時間も最大である。
【0024】
或いは、図4に示された方法では、記録された画像を記憶の直前で、すなわちステップ36の一部として展開し、展開後に記憶する。
【0025】
図5は本発明の別の構成を示す。ここには圧電制御される対象物台14により対象物12を検査するための装置の一部が概略的に示されている。
【0026】
対物レンズ10は、対象物台14に取り付けられた対象物12を検査するために用いられる。対物レンズ10の焦点を試料12に位置決めするために、対物レンズの対象物からの間隔が次のようにして調整される。すなわち対象物台には圧電アクチュエータ22が設けられており、この圧電アクチュエータが制御装置20と接続されていることによって調整される。この対象物台圧電アクチュエータ22は、対象物に向いた側の台14の表面15に取り付けるか、または対象物とは反対側の台14の表面17に取り付けることができる(図示せず)。対象物12に向いた側の台14の表面15に取り付けるのが特に有利であるが、ここではz運動を形成するのに比較的僅かな質量が運動されるからである。制御装置20を介して対象物台圧電アクチュエータ22は制御され、これにより対象物台14上で圧電アクチュエータ22に取り付けられた対象物12はz方向にΔzだけシフトされる。この運動は二重矢印により示されている。従って圧電制御される対象物台14により対象物12内で焦点の調整が行われる。
【0027】
各所望のz面で個別画像が記録された後、再び一連の個別画像がさらなる処理のために存在する。
【0028】
図6には、圧電制御される対象物台による対象物の検査のための原理的方法フローが示されている。ここでこの方法は有利にはソフトウエア制御を介して実現される。この方法は実質的にすでに図2で説明した方法に相応する。しかし対物レンズの焦点面の調整がこの方法では方法ステップ37で実行され、圧電制御部19は圧電アクチュエータ22のz方向に絶対値Δzだけの厚さ変化が生じるように制御される。対象物12は圧電アクチュエータ22に取り付けられているから、これにより焦点面を対象物中でシフトすることができる。
【0029】
対物レンズの試料からの間隔を調整するための対象物台圧電アクチュエータ22を使用することによっても、画像品質の改善が達成される。このために図3で説明した方法に相応して、ステップ42の付加的な挿入を介してマルチフォーカス画像が機器プロフィールにより展開される。この方法は図7に示されている。
【0030】
図8には、ステップ39での個別画像の展開によるさらなる改善が示されている。この展開は、図4の方法に相応して対象物台圧電アクチュエータを使用した際にすでに説明した利点と共に使用することができる。
【0031】
図9は、本発明の別の構成を示している。ここでは、圧電制御される対象物台14と圧電制御される対物レンズ10により対象物12を検査するための装置の一部が概略的に示されている。本発明のこの実施形態では、対物レンズ10に対物レンズ圧電アクチュエータ16が設けられており、この圧電アクチュエータ16は制御部18と接続されている。さらに対象物台14には対象物台圧電アクチュエータ22が設けられており、この圧電アクチュエータは制御装置20を介して制御することができる。図5と関連して説明したように対象物台圧電アクチュエータは、台14の表面15の対物レンズに向いた側にも、台14の対物レンズとは反対側の表面17にも(図示せず)取り付けることができる。通常は圧電アクチュエータにより達成できる最大調整距離が小さいので、この実施形態は対象物12を格段に大きなzの範囲を高分解能で走査できる手段を提供する。なぜなら対物レンズ圧電アクチュエータ16はΔz1だけ、また対象物台圧電アクチュエータ22もΔz2だけシフトできるからである。
【0032】
この2つの圧電アクチュエータによって、一連の方法ステップが実現される。そのうちの一部が例として図10に示されている。対象物からの対物レンズ間隔を粗く予調整した後、装置のさらなる動作フローを自動的に実行することができる。このために方法のスタート30後に、ステップ32で対物レンズ10(対物レンズ圧電アクチュエータによって)並びに対物レンズ圧電アクチュエータがスタート位置に走行される。続いてステップ34で、ユーザにより入力された、または自動的に検出された対象物台圧電アクチュエータの終位置にすでに達しているか否かが検査される。達していなければ、ステップ46でユーザにより入力された、または計算された対物レンズ圧電アクチュエータの終位置に達しているか否かが検査される。ステップ46で、対物レンズ圧電アクチュエータがまだ終位置に達していないことが検出されると、ステップ36でアナログまたはデジタルカメラ、有利にはCCDカメラによってこの焦点面の画像が記録される。その後、ステップ38で制御装置18を介して対物レンズ圧電アクチュエータ16が制御され、対物レンズ10は対象物12中で画像を記録すべき次のz面が対物レンズ10の焦点に来るように走行される。このループは、ステップ34で対象物台が終位置に達したことが検出されるまで繰り返される。従ってこの制御ループでは、対物レンズが対物レンズ圧電アクチュエータにより、それぞれΔz1のステップ幅を有するn個のステップで対象物から異なる間隔に制御される。対物レンズがその終位置に達すると、n*Δz1=Nの全体距離を走行したことになる。
【0033】
ステップ46で対物レンズが終位置に達したことが検出されると、ステップ48で対物レンズは対物レンズ圧電アクチュエータによってそのスタート位置に走行され、対象物台圧電アクチュエータが制御ユニット20により制御され、対象物台圧電アクチュエータは先行の対物レンズ全体移動の値、すなわちΔz2=N+Δz1だけシフトされる。次に対物レンズの制御ループが繰り返され、新たにn*Δz1=Nの全体距離にわたりステップごとにシフトされる。対物レンズの最大移動位置に達すると、対物レンズは再びそのスタート位置にリターンし、対象物台は対象物台圧電アクチュエータを介して新たな対物レンズ全体移動の値だけ、すなわちΔz2=N+Δz1だけ(瞬時の台位置に対して相対的に)シフトされる。
【0034】
この対物レンズ運動−対象物台運動の制御ループを繰り返すことによって、圧電アクチュエータの最大調整距離が小さくても、試料の大きな領域を検査することができる。
【0035】
対象物台もその終位置に達したことが識別されると直ちに、ステップ40でこのようにして得られた一連の個別画像からマルチフォーカス画像が形成され、引き続き3次元表面プロフィールが形成される。ステップ42でこの画像は記憶され、この方法はステップ44で終了する。
【0036】
前記の方法は、例として以下の表にあげられたn(対物レンズ)=3、およびm(対象物台)=3についての対物レンズおよび対象物台制御シーケンスに対するデータに基づいて実現される。
【0037】
【表1】
【0038】
表から分るように、対物レンズ10と対象物台14を、対物レンズと対象物台にある圧電制御される調整装置により所期のように交互に運動させるシーケンスによって、格段に大きな走査領域を高い分解能でカバーすることができる。
【0039】
(対物レンズと対象物(台)にある)2つの圧電アクチュエータにより全体で次の領域が掃引される。
【0040】
Δz(全体)=Δz1−(m+1)*(n+1)*Δz1[μm]
ここで
m=台/対象物圧電アクチュエータ制御システムのステップ数
n=対物レンズ圧電アクチュエータシステムのステップ数
Δz1=対物レンズ圧電アクチュエータのステップ間隔(例えば0.5μm)
である。
【0041】
対象物台圧電アクチュエータと対物レンズ圧電アクチュエータを、試料からの対物レンズの間隔調整のために使用することによっても、画像品質の改善が達成される。このために図3に説明した方法に相応してステップ41の付加的挿入を介して、マルチフォーカス画像が機器関数により展開される。この方法は図11に示されている。
【0042】
図12には再度、ステップ39での個別画像の展開によるさらなる改善が示されている。この展開も、図4の方法に相応して対象物台圧電アクチュエータの使用の際にすでに説明した利点と共に使用することができる。
【0043】
本発明のさらなる構成では図13に示すように、圧電制御される対物レンズによる対象物の探査装置が電子機械的に制御される対象物台と組み合わされる。対物レンズ10は、対象物台14に取り付けられた対象物12の検査に用いられる。一連の個別画像を記録するために、対物レンズ10には対物レンズ圧電アクチュエータ16が設けられており、この圧電アクチュエータは制御ユニット18により制御される。対象物台14は3つすべての空間方向でそれぞれΔx、Δy、およびΔz2のステップでシフトすることができる。ここでこのシフトは制御モジュール21により制御される。制御モジュールは有利にはコンピュータと接続されている。シフト可能なエレメントをこのように組み合わせることによって、やはり比較的大きな対象物を探査することができる。なぜなら対象物台をx、y面でシフトする手段によって、ただ1つのz面にある部分画像を種々異なるx、y位置でカメラにより記録することができるからである。この部分画像は次に画像処理ソフトウエアにより再びただ1つの面画像、いわゆるモザイク画像に統合される。このモザイク画像はその大きさの点で、通常可能な画像記録領域を数倍も上回ることができる。さらに電子機械的にz方向にもシフト可能な対象物台14により可能な走査領域が格段に拡張される。なぜなら対象物台のz方向でのシフトΔz2と、圧電制御される対物レンズのシフトΔz1により焦点面を調整できるからである。
【0044】
図14には、電子機械的に制御される対象物台14と圧電制御される対物レンズ12により対象物10を探査するための基本的方法フローのフローチャートが示されている。プログラムスタート30の後、対象物からの対物レンズ間隔が粗く予調整されると、方法ステップのさらなる経過は装置において有利には完全自動的に実行される。このためにまず対象物台14と対物レンズがスタート位置に走行される。これは有利には圧電アクチュエータおよび対象物台制御システム18,21によってコンピュータを介して実行される。
【0045】
次に3つの制御ループで対象物台14はステップごとに所定のx、y、z領域を介して移動される。この第1の制御ループは問い合わせ50を介して定義される。ここでは対象物台14がy方向で終位置に達したか否かが検査される。第2の制御ループは問い合わせ54を介して定義される。ここでは対象物台14がx方向で終位置に達したか否かが検査される。第3の制御ループは問い合わせ56を介して定義される。ここでは対物レンズがその終位置に達したか否かが検査される。対象物台14が手動で、または自動的に学習したx、y限界内にあれば、対象物台はプログラムループによってそれぞれ1つの画像野だけステップごとにさらに移動される。チェス盤パターンのように所定の走査領域がフィールドごとに走行される。
【0046】
新たに走行された対象物台の各x-y位置で、画像ステープルがz方向に記録される。
【0047】
このことは3つの制御ループで達成される。ステップ36で画像が記録され、引き続き新たな焦点面が対物レンズのシフトを介して調整される。対物レンズ10はステップ38で値Δz1だけ変化される。画像はステップ36でアナログまたはデジタルカメラにより記録され、中間記憶される。n個のステップで焦点面は対象物12を通して案内され、所望の画像ステープル(積層画像)が記録される。
【0048】
焦点画像ステープルが記録された後、対物レンズはステップ48でそのzスタート位置にリターンされる。ステップ58で対象物台14は画像野を中心にx、y面でさらに制御され、さらなる焦点画像ステープルが上記の方法に従い圧電対物レンズにより記録される。
【0049】
すべての画像が記録され、記憶された後、ステップ52で焦点面の各々に対し、有利には自動的にモザイク画像が作成される。このモザイク画像は、各焦点面で記録された画像、すなわち予め定義されたx、y領域内の各焦点面で記録された画像を順次繋ぎ合わせることにより発生する。モザイク画像は、画像重ね合わせ合成方法のような公知の方法(自動補正)によって、またはレタッチ合成方法によって作成される。モザイク画像はすべての焦点面に対して形成されるから、焦点面(複数)のすべての画像を代表するモザイク画像ステープルが発生する。
【0050】
対物レンズ圧電アクチュエータの可能な移動が小さいことにより、個々の焦点面間で非常に小さな間隔が達成される。この特性により高分解能の対物レンズによっても、すなわち被写界深度の浅い対物レンズによっても動作することができ、顕微鏡対象物の非常に微細なトポロジー的(立体的)詳細を可視とすることができる。
【0051】
次にステップ40ですべての画像モザイク、すなわちx、y方向での多数の個別画像を合成することによって、z方向でもx、y方向でも完全に鮮鋭な高解像度画像が得られる。
【0052】
3次元空間では解像度をいわゆるボクセル解像度として定義することができる。ここでボクセル(Voxel)はピクセルが3つの空間方向で有するボリュームエレメント(ユニット)である。例えば1μmの画素エッジ長のボクセル解像度の場合、x、yで25400dpiの解像度が発生する。これは表示の枠内で「最高解像度」と見なすべきである。
【0053】
図15に示すようにマルチフォーカス画像の形成後にこの方法でも、マルチフォーカス画像を記録システムの機器プロフィールによりステップ41で展開することができ、これによりz方向の画像鮮鋭度をさらに改善することができる。
【0054】
同様に図16に示すように、ステップ40でのマルチフォーカス画像の形成前にすべてのx、yモザイク画像を記録システムの機器プロフィールによりステップ39で展開することもできる。この方法はすでに述べたように時間がかかるが、画像鮮鋭度の点でさらに改善されたマルチフォーカス画像が得られる。
【0055】
モザイク個別画像を図16に示した方法に相応して引き続くマルチフォーカス画像形成により展開することによって、さらに正確なマルチフォーカスモザイク画像が得られる。しかし計算コストはかなりのものとなる。なぜならステープルの各モザイク画像を展開しなければならないからである。
【0056】
これに対して、オリジナルモザイク画像データ(展開されていないモザイク画像)からすでに作成したマルチフォーカス画像を図15に示した方法に相応して展開することは格段に高速に計算できる。最高速の計算は、図14の方法で説明したようにオリジナルモザイク画像の展開を省略すると得られる。前もって作成したモザイク画像からマルチフォーカス画像を直接計算することによって、ここに紹介した実施形態のうちの最高速度が達成される。どの実施形態を選択するかは、ユーザの所望の結果に基づいて任意に選択することができる。
【0057】
図13に説明した電子機械的に調整可能な台14を備える装置を使用する場合、z方向の解像度をさらに高めることができる。このために対物レンズ10の対象物12からの間隔の調整が、対物レンズ10のΔz1と台14のΔz2との適切な組合せで行われる。図17から19には、この方法フローがそれぞれ展開なしの方法(図17)、マルチフォーカス画像の展開による方法(図18)、および個別画像の展開による方法(図19)に対して示されている。
【0058】
すべての方法はステップ66で付加的に、台14の走査領域Δz2の終位置に達したか否かを検査することを特徴とする。相応して付加的ループ69が必要である。このループでは対象物台14が新たな位置に走行される。さらに残りのループで台をスタート位置にリターンすることが必要である。このことはステップ70と72で実行される。従ってこの方法では、被写界深度の深い画像とこの画像の3次元表面プロフィールとを、通常のx、y方向での対象物台とz方向に圧電制御される対物レンズとを同時に使用することによって形成できる。これによりz方向での分解能が高くても格段に大きなz領域を検出することができる。
【0059】
図17では基本的方法フローがフローチャートに示されている。対物レンズ10の対象物12からの間隔を粗く予調整した後、さらなる方法ステップを自動的に実行することができる。対象物12および電子機械的に制御される対象物支持台14は、圧電制御装置18と台制御システム21によって有利にはコンピュータを介してスタート位置に走行される。問い合わせ50,54,66により定義される3つの制御ループでは、台14がステップごとに所定のx、y、z領域にわたって移動される。第1の制御ループは問い合わせ50によりトリガされ、x、y方向でのそれぞれの台位置を検査する。
【0060】
台が手動または自動的に学習されたx、y限界内にあれば、台14はプログラムループによってそれぞれ1つの画像野だけステップごとにさらに移動される。チェス盤パターンの場合のように、所定の走査領域がフィールドごとに走行される。次に各新たに走行された台のx、y位置で、画像ステープルがz方向に記録される。このことは制御ループによって実行される。この制御ループはステップ56で、対物レンズ圧電アクチュエータの調整距離の終位置に達したか否かを検査する。これに達していなければステップ36で画像が記録され、記憶され、ステップ38で対物レンズの位置が対物レンズ圧電アクチュエータを介してΔz1だけ変化される。この方法は次の例に基づいて明瞭となる。
【0061】
プログラムのスタート後、ステップ56により定義される制御ループで対物レンズが対物レンズ圧電アクチュエータによりΔz1のステップで対象物から種々異なる間隔で制御される。対物レンズがその終位置に達すると、n*Δz1=Nの全体経路を走行したことになる。次に対物レンズはステップ68で対物レンズ圧電アクチュエータを介してそのスタート位置に戻るよう制御される。さらに台14は先行の対物レンズ全体移動の値-Δz2=N+Δz1だけシフトされる。
【0062】
次に制御ループは繰り返され、新たにn*Δz1=Nの全体経路にわたってステップごとにシフトされる。対物レンズがその最大移動位置に達すると、対物レンズ10は再びそのスタート位置にリターンされ、台14は新たな対物レンズ全体移動の値-Δz2=N+Δz1だけ瞬時の台位置に対して相対的にシフトされる。
【0063】
このように対物レンズ運動と台運動を繰り返すことによって、対象物の格段に大きな領域を高分解能で走査することができる。なぜなら圧電アクチュエータは非常に小さなシフトを実現できるからである。対物レンズシフトΔz1により達成される各焦点面で、画像がアナログまたはデジタルカメラにより記録され、まず記憶される(RAMまたはハードディスク等に)。
【0064】
具体的にはn(対物レンズ)=3とm(対象物台)=3についての対物レンズおよび対象物台の制御シーケンスに対して以下の表に示す方法フローが得られる。
【0065】
【表2】
【0066】
表から分るように、対物レンズ10と台14の運動シーケンスを、対物レンズにある圧電制御される調整装置16,18と台14にある位置制御部21によって所期のように交互に移動させることによって、格段に大きな走査領域を高分解能でカバーすることができる。そこからこの方法により掃引することのできる全体間隔が得られる:
Δz(全体)=Δz1−(m+1)*(n+1)*Δz1[μm]
ここで
m=台/対象物制御システム(電子機械的)のステップ数
n=対物レンズ圧電アクチュエータシステムのステップ数
Δz1=対物レンズ圧電アクチュエータのステップ間隔(例えば1μm)
焦点画像ステープルが前記の台運動と対物レンズ運動との共働の後に記録されると、圧電対物レンズ10はステップでそのzスタート位置にリターンする。台14は1つの画像野だけx、y面でさらに制御され、さらなる焦点画像ステープルが上記の方法に従い圧電対物レンズにより記録される。
【0067】
すべての画像が走査されると直ちに、各走査されたz面に対してステップ52でモザイク画像が形成される。ここでこのステップは有利には特別のプログラムによりまず自動的に実行される。このようにして各焦点面に対してモザイク画像が発生する。ステップ40で次に再びマルチフォーカス画像が形成される。
【0068】
画像品質を改善するために再び図18に示すように、マルチフォーカス画像の形成後にこの方法でもマルチフォーカス画像を記録システムの機器プロフィールによりステップ41で展開し、z方向の画像鮮鋭度をさらに改善することができる。
【0069】
同様に図19に示すようにマルチフォーカス画像をステップ40で形成する前に、すべてのx、yモザイク画像を記録システムの機器プロフィールによりステップ39で展開することができる。この方法はすでに述べたように時間はかかるが、画像鮮鋭度の点でさらに改善されたマルチフォーカス画像を提供する。
【0070】
本発明の別の構成では、圧電アクチュエータ16が所属の制御部18と共に対物レンズ10に、圧電アクチュエータ22が所属の制御部20と共に台14に配置されている。台14はさらに電子機械的制御部と結合されており、対象物台をx、y方向およびz方向に運動させることができる。この構成は図20に概略的に示されている。
【0071】
これにより対物レンズ10の対象物12からの間隔を調整するために、すなわち全体で可能なzシフトに対して次の3つの調整素子が存在する:
1.電子機械的台 Δz2
2.台−圧電アクチュエータ Δz3
3.対物レンズ−圧電アクチュエータ Δz1
対象物台をx方向およびy方向に調整するためには(それぞれ)2つの調整素子が存在する:
1.電子機械的台 Δx2;Δy2
2.台−圧電アクチュエータ Δx3;Δy3
圧電アクチュエータを組み合わせることにより、微細な走査領域が達成される。この走査領域は2つの圧電アクチュエータによりカバーされる調整(走行)領域によって定義される。
【0072】
対物レンズ10の対象物12からの間隔を調整するための付加的な調整経路Δz3に相応して、これまで説明した方法がさらなる制御ループだけ拡張される。この方法は図21にフローチャートで示されている。このためにステップ76で、対象物台圧電アクチュエータの終位置にすでに達しているか否かが検査される。この結果に依存して、ステップ36で瞬時の画像が記録され、記憶されるか、または対物レンズ10および台圧電アクチュエータ22がステップ78と80だけその新たな位置に走行される。付加的にフロー全体にステップ82,84,86を含めることができる。これらのステップではそれぞれ台圧電アクチュエータ22がそのスタート位置にリターン走行される。
【0073】
基本的に走査原理は、すでに図11と関連して説明した、同様に対物レンズ圧電アクチュエータ16と対象物台圧電アクチュエータ22が使用される方法に相当する。ここでは個々の画像面が非常に正確に、高い解像度で、高速に検出され、これにより3次元表面結像と高解像度の画像が復元される。電子機械的に3つの空間方向x、y、zで調整可能な台14を付加的に使用することにより、図11の方法が有利には図17の方法と組み合わされる。粗領域も微領域も、電磁的台のz方向での適切な運動によって微走査領域が継目なしで順次繋がるように整合される。このように2つの実施例を結合することにより、z方向で使用可能な微走査領域が格段に上昇する。
【0074】
図21に概略的に示すように電子機械的顕微鏡台14を各x、y方向にシフトした後、正確な所望位置を台圧電アクチュエータ22によって微細に調整することができる。このことは、x方向およびy方向で適切に作用する、台圧電アクチュエータ22による対象物12の位置のオフセットによって達成される。これは対象物の新たなx、y位置が電子機械的台14によって予調整された後に行う。
【0075】
これにより画像モザイク作成の際に隣接する画像の重なり領域の計算が省略できる。なぜならモザイクに寄与する個々の個別画像が正確に走行され、隣接する画像がピクセルどおりに正確に接触するからである。このようにしてモザイク個別画像が接触方法、いわゆるレタッチ方法で互いにつなぎ合わされる。モザイク作成のための方法は現在、最も高速で頑強な方法である。なぜなら、画像モザイクを定める品質要因がもっぱら対象物12の正確な位置決めに依存するからである。このことは、台14を正確に電子機械的に位置決めすることと、台14をx、y、およびz方向に正確に制御することにより達成される。従って隣接する画像の重なり領域を計算するための画像分析は不要である。この時間のかかる自己相関方法の必要性がなくなることにより、頑強性と画像内容の非依存性の他に高い速度が達成され、顕微鏡的表面での高速に変化するプロセスを高解像度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0076】
【図1】図1は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査(探査)するための装置の一部概略図である。
【図2】図2は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための基本的方法フローを示す図である。
【図3】図3は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための改善された方法の方法フローを示す。
【図4】図4は、圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図5】図5は、圧電制御される対象物台により対象物を検査するための装置の一部概略図である。
【図6】図6は、圧電制御される対象物台により対象物を検査するための基本的方法フローを示す。
【図7】図7は、圧電制御される対象物台により対象物を検査するための改善された方法の方法フローを示す。
【図8】図8は、圧電制御される対象物台により対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図9】図9は、圧電制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための装置の一部概略図である。
【図10】図10は、圧電制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための基本的方法フローを示す。
【図11】図11は、圧電制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための改善された方法の方法フローを示す。
【図12】図12は、圧電制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図13】図13は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための装置の一部概略図である。
【図14】図14は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための基本的方法フローを示す。
【図15】図15は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための改善された方法の方法フローを示す。
【図16】図16は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図17】図17は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図18】図18は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図19】図19は、電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図20】図20は、圧電的および電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための装置の一部概略図である。
【図21】図21は、圧電的および電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するための基本的方法フローを示す。
【図22】図22は、圧電的および電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【図23】図23は、圧電的および電気機械的に制御される対象物台と圧電制御される対物レンズにより対象物を検査するためのさらに改善された方法の方法フローを示す。
【符号の説明】
【0077】
10 対物レンズ
12 対象物
14 対象物台
15 対象物に向いた側の対象物台の表面
16 対物レンズ圧電アクチュエータ
17 対象物とは反対側の対象物台の表面
18 圧電制御装置
20 圧電制御装置
21 電子機械的シフト制御部
22 対象物台圧電アクチュエータ
30 方法(プログラム)のスタート
32 スタート位置への走行
34 “終位置に達したか?”の決定
36 画像取り込みおよび記憶
37 対象物台圧電アクチュエータのシフトΔz
38 対物レンズのシフト
39 個別画像の展開
40 マルチフォーカス画像の形成
41 マルチフォーカス画像の展開
42 結果を記憶
44 方法(プログラム)の終了
46 “対物レンズ圧電アクチュエータが終位置に達したか?”の決定
48 対物レンズをスタート位置に走行
50 “台がy方向で終位置に達したか?”の決定
52 画像モザイクの形成
54 “台がx方向で終位置に達したか?”の決定
56 “対物レンズ圧電アクチュエータが終位置に達したか?”の決定
58 台を次のx位置に走行
60 対物レンズをスタート位置にリターン
62 台をxスタート位置にリターン
64 台を次のy位置に走行
66 “台がz方向で終位置に達したか?”の決定
68 対物レンズをスタート位置にリターン
69 台を次のz位置に走行
70 台をzスタート位置にリターン
72 台をzスタート位置にリターン
74 x、y方向での微調整
76 “台がz方向で終位置に達したか?”の決定
78 対物レンズをスタート位置にリターン
80 台圧電アクチュエータを次のz位置に走行させる
82 台圧電アクチュエータをスタート位置にリターン
84 台圧電アクチュエータをスタート位置にリターン
86 台圧電アクチュエータをスタート位置にリターン
d 対物レンズ/対象物の間隔
Δx x方向のシフト
Δy y方向のシフト
Δz z方向のシフト
Claims (19)
- 対物レンズ(10)と、対象物(12)を支持するための対象物台(14)と、対象物(12)の一連の個別画像を種々異なる面で記録するための画像記録装置と、を有する対象物(12)の光学的検査をするための装置において、
対物レンズ(10)の対象物(12)からの間隔を調整するための圧電制御される装置(16,22)が設けられており、さらに一連の個別画像からマルチフォーカス画像を生成するための装置が設けられている、ことを特徴とする装置。 - 前記圧電制御される装置(16)は対物レンズ(10)と結合されている、請求項1記載の装置。
- 前記圧電制御される装置(22)は対象物台(14)と結合されている、請求項1記載の装置。
- さらに別の圧電制御される装置(22)が対象物台(14)と結合されている、請求項2記載の装置。
- 前記別の圧電制御される装置たる圧電アクチュエータ(22)が対象物台(14)に、対象物(12)が該圧電アクチュエータ(22)に載置されるよう取り付けられている、請求項3または4記載の装置。
- 対象物台(14)は電子機械的調整装置を介してx、y、z方向に可動である、請求項2から5までのいずれか1項記載の装置。
- マルチフォーカス画像を機器関数により展開するための装置が設けられている、請求項1から6までのいずれか1項記載の装置。
- 一連の個別画像の各々を機器関数により展開するための装置が設けられている、請求項1から6までのいずれか1項記載の装置。
- 画像モザイクを形成するための装置が設けられている、請求項6から8までのいずれか1項記載の装置。
- 対物レンズ(10)および画像記録装置を使用して対象物(12)を検査する方法であって、対象物(12)から一連の個別画像を画像記録装置により記録する(36)形式の方法において、
対象物(12)中の対物レンズ(10)の焦点面の位置を、個別画像の撮像前に圧電制御される装置(16,22)により調整する、ことを特徴とする方法。 - 対象物(12)中の対物レンズ(10)の焦点面の位置を各個別画像ごとに、当該位置が相互に等間隔であるように調整する、請求項10記載の方法。
- 個別画像(36)の撮像後、または一連の個別画像の撮像後、個別画像の各々を光学的結像装置の機器関数により展開する、請求項10または11記載の方法。
- 個別画像の各々から詳細鮮鋭度(Detailschaerfe)の高い画像領域の部分集合(Teilmenge)を抽出することによって、結果画像(Ergibnisbild)を検出し、
さらなるステップ(40)で複数の結果画像を1つのマルチフォーカス画像に組み合わせる、請求項10から12までのいずれか1項記載の方法。 - マルチフォーカス画像を1つのステップ(41)で光学的結像装置の機器関数により展開し、これにより詳細鮮鋭度の高められたマルチフォーカス画像を得る、請求項13記載の方法。
- 対象物(12)の対物レンズ(10)からの間隔を調整するために、対物レンズに取り付けられた圧電アクチュエータ(16)と、対象物台に取り付けられた圧電アクチュエータ(22)とがそれぞれの制御装置(18,20)により制御され、当該圧電アクチュエータのz方向の伸びが変化される、請求項10から14までのいずれか1項記載の方法。
- 対象物(12)を位置決めするために、対象物台(14)は電子機械的スライド装置によりx方向またはy方向、またはz方向にシフトされる、請求項15記載の方法。
- まず第1のステップ(52)において、各焦点面で個別画像から各焦点面に対する画像モザイクを形成し、各画像モザイクを第2のステップ(40)でマルチフォーカス画像の形成のために使用する、請求項16記載の方法。
- 各画像モザイクをマルチフォーカス画像の形成前に、光学的結像装置の機器関数により展開する、請求項17記載の方法。
- 各画像モザイクから発生したマルチフォーカス画像を光学的結像装置の機器プロフィールにより展開し、これにより詳細鮮鋭度の高いマルチフォーカス画像を得る、請求項17記載の方法。
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