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

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

Claims (19)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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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