DD208872A5

DD208872A5 - Abbildungssystem

Info

Publication number: DD208872A5
Application number: DD82245160A
Authority: DD
Inventors: Mario Bertero; Edward R Pike
Original assignee: Secr Defence Brit
Priority date: 1981-11-26
Filing date: 1982-11-23
Publication date: 1984-04-11
Also published as: US4549204A; FR2522910A1; FR2522910B1; GB2113501B; NL8204551A; DE3243890A1; CA1204312A; GB2113501A

Abstract

Ein Abbildungssystem zum Erhalt von Information innerhalb der Beugungsgrenze umfasst eine zur Beleuchtung dienende Strahlungsquelle(1). Ein Linsensystem(8) fokussiert Straglung von einem kleinen Bereich eines Objekts(4)auf eine Detektoranordnung(11) in der Bildebene. Die Detektoren eefassen die Amplitude der empfangenen Strahlung unter Erzeugung einer Informationsmatrix. Diese Matrix wid dann in einem Rechner (12) umgekehrt unter Rekonstruktion der Abbildung, so dass diese auf einer Kathodenstrahlroehre betrachtet werden kann. Das Objekt (4) wird entweder durch Abtasten der Strahlung oder schrittweises Bewegen des Objektes(4) abgetastet.

Description

15 331 57

245 160 5

Abbildungssystem

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung bezieht sich auf durch Beugung bzw. Diffraktion begrenzte Abbildungssysteme.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Abbildungssysteme dienen zur Erzeugung der Abbildung eines Objekts. Z. B. erzeugen Mikroskope eine vergrößerte Abbildung eines kleinen Objekts auf einem beleuchteten Objekt-, träger. Zur Steigerung der Vergrößerung der Abbildung gegenüber dem Objekt muß eine Fokussierung auf kleinere Ausschnitte des Objekts erfolgen. Der Durchmesser der aufgelösten Objektfläche wird schließlich durch Beugung in dem verwendeten Abbildungssystem begrenzt. Die theoretische beugungsbedingte Auflösungsgrenze eines guten optischen Mikroskops ist A /2, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung ist, und wird als Rayleighsches Kriterium bezeichnet. Die gleiche Grenze ergibt sich bei der Infrarotabbildung.

Das Beugungsproblem findet sich auch bei der Radarbeobachttmg von Luftfahrzeugen, z.B. in der Flugsicherung. Die Fähigkeit eines Antennensystems zur Auflösung von nahe beieinander befindlichen Luftfahrzeugen ist durch die Beugung begrenzt.

'Auch bei der akustischen Erfassung z.B. von Objekten auf dem Meeresboden oder beim akustischen Mikroskop ist die Auflösung durch Beugung begrenzt.

Wenn eine Abbildung eines Objekts von einem Linsensystem bzw. einer Optik auf eine Bildebene fokussiert wird, wird nur ein Teil der die Optik durchsetzenden Strahlungsinformation in die geometrische Abbildung fokussiert. In der Bildebene außerhalb der geometrischen Abbildung ist ebenfalls Information über das Objekt vorhanden, wird aber normalerweise nicht genutzt. Bei Objekten, die erheblich oberhalb .der.'Beugungsgrenze liegen, bildet diese Extrainformation einen wesentlichen Teil der die Optik durchsetzenden Gesamtinformation*

Ziel der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung nutzt diese bisher ungenutzte Information zusammen mit der geometrischen Bildinformation zum Erhalt von Information über Objekte, deren Größe im Bereich der Beugungsgrenze liegt.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Das Abbildungssystem, nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Linsensystem zur Fokussierung von kohärenter oder nichtkohärenter Strahlung auf eine Bildebene, durch Detektoren zum Erfassen der Amplitude der Strahlung in der Bildebene unter Erzeugung.einer Informationsmatrix, durch eine Einheit zur umkehrung dieser Matrix unter Erzeugung

ι ς η

eines rekonstruierten Bilds, und durch eine Einheit zur Beobachtung des rekonstruierten Bilds.

Das Abbildungssystem kann mit elektromagnetischer Strahlung, z.B. bei Radar- oder sichtbaren Frequenzen, Blektronenstrahlen oder akustischer Strahlung arbeiten, wobei ge- eignete Linsensysterne vorzusehen sind. Bei sichtbaren Frequenzen erfassen jedoch die Detektoren normalerweise nur die Intensität der Abbildung, und in diesem Pail müssen weitere Mittel zur Bestimmung der Amplituden und Phasen vorgesehen werden.

Die Detektoren für sichtbares Licht können eine Anordnung von Fotodetektoren oder das Target einer Halbleiterfotoschicht-Blektronenröhre wie in Fernsehkameras sein, wobei eine elektronische Abtastung mit einem Hauptreferenzstrahl erfolgt, so daß die erforderliche Phaseninformation erhalten wird, wie etv/a in der Holografie, oder es wird alternativ das exponentielle Filterverfahren nach Walker (vgl. die GB-Patentanmeldung Hr.. 8.1 08244) eingesetzt; wenn das Objekt als reell angenommen werden kann, kann in einfacherer Weise die spezielle Beziehung zwischen Abbildung und Objekt genutzt werden, auch wenn-nur.die Intensität allein bekannt ist.

Die rekonstruierte Abbildung kann auf einer Kathodenstrahlröhre, auf einem fotografischen Film oder grafisch oder numerisch auf Papier sichtbar gemacht und betrachtet werden.

Zum Erhalt einer Gesamtabbildung eines großen Objekts kann das Linsensystem das Objekt abtasten. In diesem Fall ist die rekonstruierte Abbildung die Summe der rekonstruierten abgetasteten Bereiche.

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Bei einem Abbildungssystem mit sichtbarem Licht, d.h. einem Mikroskop, kann das Objekt durch einen Strahl von kohärentem Laserlicht beleuchtet werden. Der Strahl wird so fokussiert, daß er eine Fläche mit einem Durchmesser etwa 1/2 Wellenlänge beleuchtet, oder das Objekt kann kohärent oder nichtkohärent durch eine Blende beleuchtet werden, die. einen Durchmesser oder Quadratform von ca. 1/2 Wellenlänge aufweist.

Im Pail von Radarsystemen werden Luftfahrzeuge mit kohärenter Strahlung bestrahlt. Im Fall von Luftfahrzeugen, die einen größeren Abstand voneinander aufweisen als die Beugungsgrenze der Empfangsantenne, wird keine Verbesserung der Auflösung benötigt, und der Empfänger arbeitet dann im Hormalbetrieb. Im Beugungsgrenzbereich wird jedoch Empfangsinformation von eng beabstandeten Luftfahrzeugen gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet.

Ausführungsbeispiel:

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beisρie1sweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig.' 1: eine schematische Darstellung eines Mikroskops, wobei ein Objekt schrittweise über einen Laserstrahl bewegt wird, so daß ein abgetastetes Objekt erhalten wird; und

Fig. 2: ein Mosaik.rekonstruierter.Abbildungen.

Ein Hochauflösungs-Mikroskop gemäß Fig. 1 umfaßt eine Laserquelle 1 oder eine andere Lichtquelle, deren Austrittsstrahl 2 durch Linsen 3 auf eine zu messende Probe 4 fokussiert wird.·. Die Laserquelle 1 kann ein HeUe-Laser, der bei 633 Bm arbeitet, oder eine geeignete UY-Laserleitung sein.

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Der Lichtstrahl 2 wird auf eine Fläche 5 von weniger als •:1 Wellenlänge, 3.B. ca. 1/2 Wellenlänge im Quadrat, fokussiert; alternativ kann eine Blende mit einer Öffnung von 1/2 Wellenlänge im Quadrat verwendet werden.

Die Probe 4 ist so angeordnet, daß sie mittels Schrittmotoren 6; 7 oder geeigneten Sägezahn- oder Sinuswellen-Abtastvorrichtungen in x- und y-Richtung senkrecht zur Lichtquelle bewegbar ist.

Durch die Probe durchgelassenes Licht wird von einer Mikroskop-Optik 8 gesammelt und auf eine 10 χ 10-Detektoranordnung 11 fokussiert. Jeder Detektor empfängt somit Licht von einem jeweils verschiedenen Teil der beleuchteten Probe, also ein Probenelement 5· '

Der Ausgangswert jedes Detektors in der Detektoranordnung 11; eine Informationsmatrix, wird einem Rechner 12 zugeführt, der diese Matrix verarbeitet und auf einer Sichtanzeigeeinheit 13» z.B. einer Kathodenstrahlröhre, einem fotografischen- Film, od er einem Aufzeichnungspapier, zur,; Anzeige bringt.

In Fig. 2 bezeichnet jedes der 12 größeren Quadrate ein bestrahltes Probenelement 5* Die vollständige gezeigte Abbildung ist das Resultat von vier Schrittpositionen der. Probe 4 in x-Richtung und drei Schrittpositionen in y-Richtung. Ein !Tormalmikroskop kann nicht jedes Detail in jedem Probenelement 5, d.h.- einem λ./2-Quadrat, auflösen. Somit würde jedes Quadrat 14 als mittlerer Bestrahlungsstärkepegel angezeigt werden. Unter Anwendung der Terarbeitungsmethode nach der Erfindung ist es möglich, innerhalb jedes dieser größeren Quadrate 14 z.B. neun ünterelemente 15 zu schaffen, wobei jedes Unterelement 15 einen gleichen Intensitätspegel aufweist. Dadurch ist aus der Geeamtprobe ein wesentlich höheres Saß an Sinzelin-

b —

formation als mit einem konventionellen Mikroskop zu erzielen. Die Information aus jedem Probenelement wird in dem Rechner gespeichert, bis die gesamte Probe verarbeitet ist. Dann kann.die Gesamtprobe betrachtet werden.

Im Betrieb wird eine dünne Scheibe 4 zu untersuchendes 'Probenmaterial auf einen Objektträger gelegt und in einem Probenhalter angeordnet. Dieser Probenhalter wird in Schritten von jeweils a /2 in der erforderlichen.Weise in x- und 7-Richtung bewegt.

Laserlicht 2 wird auf eine λ. /2-Quadratfläche der Probe fokussiert; der beleuchtete Probenteil bildet ein Probenelement 5. :

Das Probenelement 5 wird auf die gesamte Detektoranordnung 11 abgebildet. Der Ausgang jedes Detektorelements wird dem Rechner 12 zugeführt, in dem eine Umkehrung der Hatrixinformation berechnet und der Sichtanzeigeeinheit 13 zugeführt wird. Die Probe 5 wird dann schrittweise um einen X /2-Schritt bewegt und der Torgang wiederholt. Dieses . 3cliritt-/Yerarbeitungs~Yerfahren wird so lange wiederholt, bis die gesamte Probe 4 untersucht ist. Das Resultat ist eine sehr scharf begrenzte Abbildung der Probe.

Das vorstehend angegebene Verfahren ist auch in der Spiegelmikroskopie und in der Durchstrahlungsmikroskopie anwendbar.

Zur besseren Bildbegrenzung im Fall von, Störsignalen kann die Probe um Bruchteile einer Wellenlänge schrittweise bewegt werden, wobei dann die erzeugten Tielfachabbildungen integriert werden.

Ss sei nun der einfachste Fall betrachtet,, in dem das Objekt als reell angenommen wird. In diesem Fall ist die Am-

plitude der Abbildung die Quadratwurzel der Intensität, und die Phase ist entweder O oder'TT". Unter Anwendung der Stetigkeit der Ableitung kann die Phase dadurch bestimmt werden, daß ihr 0 im Zentrum der Abbildung und abwechselnd TT und 0 zugeordnet werden, wonach man während des aufeinanderfolgenden Schneidens von Intensitats--Fu.il-'stellen nach außen fortschreitet. Dies kann erforder- . lichenfalls auch durch das mathematische Verfahren der analytischen Portsetzung erfolgen.

Die theoretische Grundlage für die Matrixtransformationen der abgeleiteten komplexen Amplituden ist dann wie folgt:

Wenn mit χ = }χ.,2_οί ein Punkt im Objekt bezeichnet wird, und wenn die komplexe Amplitude des Objekts f(x) nur über den beleuchteten oder begrenzten Bereich D von JIuIl verschieden ist, ist die Abbildung gegeben durch:

(Kf)Cx) =

s(x -

S(x) =

(2 ir):

Bestrahlung

(2T)'

du

bei nichtkohärenter Bestrahlung

wobei P der beschränkte Bereich im Jourier-Raum entsprechend den durch die Linse durchgelassenen Ortsfrequenzen ist.

1 Q Π Γ"

I ^ U W - 8 -

Eine lineare Methode der kleinsten Quadrate des Objekts relativ zur Abbildung wird durch Computer-Unücehrung der digitalisierten normalen Gleichungen erhalten.

\ ' SSf = / ' S

χ _l ^n₂Hi₁Hi₂ n₁n₂p.₁P₂ P₁P₂ / ,

^Satod - SCfa.t} - {e.ij )

^fab = f({a,bj ) g_ab = g({a,b}

In der Präzis reichen p. und P₂ über eine wesentlich geringere Anzahl Punkte als q.. und q₂·

Der Vektor χ bezeichnet einen Punkt |x.,x₂] in der Ob.jektebene (Ebene der Probe 4), der Vektor y bezeichnet einen Punkt {j-]>Jo\ ⁱⁿ ^^er Bildebene (auf Detektor 11),

p.,P₂ sind Probenwerte von ζ^,χ«. q^ ,q₂ sind Probenwerte von y^ ,y₂·

Bei kohärenter Bestrahlung ist die. Funktion S(x)

S(x) =

^ TX₁ 1Γ

bei einem quadratischen Objekt mit quadratischer Pupille, definiert durch

bei einem kreisrunden Objekt und einer kreisrunden Pupille mit einem l?requenzradius

J₁CSlIx I)

2-r

Bei nichtkohärenter Bestrahlung sind die analogen Ausdrücke für das quadratische Objekt

'-ι

sin'¹ (,5I

und für das kreisrunde Objekt

kL)

2Sl 2SL V 2λ

wobei PT die Fourier-Transformierte bezeichnet und S = 1 auf der Pupille und anderswo Hull ist.

Sin alternativer Algorithmus zur Rekonstruktion des Objekts aus der die Abbildung abtastenden Anordnung von Detektorausgängen verwendet das singuläre System

a r· f\ .-*·

1OU D - ¹⁰ -

der Transformation aus dem kontinuierlichen Objekt f über dessen bekannte Halterung zu der "Yektor-^rTAbbildung g , definiert durch die (IT) komplexen Datenproben an dem endlichen Satz von Detektoren. Die Rekonstruktion wird dann durch folgende Operation durchgeführt:

K . Έ

k=o ^k n=1

wobei (g · 7, ) das skalare Produkt oder die Projektion der Daten auf den singulären Tektor v, ist. Das singuläre System ist eine Funktion der experimentellen Verteilung, kann jedoch in jedem speziellen Fall durch numerische !/"erfahren entsprechend der bekannten Praxis auf dem Gebiet der numerischen Analyse errechnet werden. K ist ein oberer Grenzwert für die Anzahl der wiedergewinnbaren Komponenten, der bestimmt ist durch die Abnahmerate der singulären Werte O-, und den tatsächlich vorhandenen Störpegel, vr-. sind geeignete Gewichtsfaktoren, die eine mögliche ungleichmäßige Detektor-Beabstandung berücksichtigen.

Die Auflösung bei der durch Beugung begrenzten Abbildung ist in OPTICA ACTA 1982, Bd. 29, Hr. 6, 727-746, beschrieben.

Claims

£'rf indungsansprüche:

1. Abbildungssystem, gekennzeichnet dadurch, daß ein Linsensystem (8) zur fokussierung von kohärenter oder nichtkohärenter Strahlung auf eine Bildebene, Detektoren (11) zum Erfassen der Amplitude der Strahlung in der Bildebene unter Erzeugung einer Informationsmatris, eine Einheit (12) zur Umkehrung dieser Matrix unter Erzeugung eines rekonstruierten Bilds, und eine Einheit (13) zur Beobachtung des rekonstruierten Bilds vorgesehen sind.

2. Abbildungssystem nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß es Mittel (1;3) zum Beleuchten eines Objekts (4) enthält, wobei die beleuchtete und auf die Detektoranordnung (11) fokussierte Fläche (5)kleiner als eine Wellenlänge im Quadrat der beleuchtenden Strahlung ist.

3· Abbildungssystem nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß es Mittel zum Abtasten der beleuchtenden Strahlung relativ zum-,Objekt (4) enthält.-

4. Abbildungssystem nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Abtastmittel Motoren (6; 7) zum Bewegen des Objekts (4) in. Einzelschritten aufweisen.

5. Abbildungssystem nach Punkt 3> gekennzeichnet dadurch, daß die Abtastmittel Ablenkorgane zum Ablenken der Strahlung über das Objekt (4) aufweisen.

6. Abbildungssystem nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Laser.quelle (1) zum Beleuchten des Objekts (4) vorgesehen ist.

7. Abbildungssystem nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Linsensystem durch das Objekt gelassene Strah-' lung empfängt.

8. Abbildungssystem nach Punkt 2,.gekennzeichnet dadurch, daß das Linsensystem von·der Objektoberfläche reflektierte Strahlung empfangt.

9. Abbildungssystem nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Detektoren Sinzeldetektoren in Matrixanordnung (11) sind.

10. Abbildungssystem nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Detektoren durch ein. Target in einer HaIbleiterfotoschicht-llektronenröhre gebildet sind.

Hierzu 1 Ssiie Zeichnungen