DE102015210016A1

DE102015210016A1 - Verfahren zum Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe mit einem Weitfeldmikroskop und Weitfeldmikroskop

Info

Publication number: DE102015210016A1
Application number: DE102015210016.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Lippert; Nils Langholz; Ralf Netz; Ralf Wolleschensky
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2016-12-01
Also published as: CN107710046B; JP6595618B2; CN107710046A; WO2016193037A1; JP2018520337A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Weitfeldmikroskop und ein Verfahren zum Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe (14) mit einem Weitfeldmikroskop. Das Weitfeldmikroskop umfasst eine Beleuchtungsquelle (1, 52, 53), die in einem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist; eine erste Detektoreinheit (17, 33) zur Erfassung eines Weitfeldbildes in einem Beobachtungsstrahlengang einer in einer Probenebene (P) beleuchteten Probe (14); einen Modulator zur chromatischen Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges oder des Beobachtungsstrahlenganges in einer Richtung senkrecht zur Probenebene (P); eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer chromatisch konfokalen Höheninformation in jedem Bildpunkt des Weitfeldbildes. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Beleuchten der Probe (14) mit einer breitbandigen Beleuchtungsquelle (1) in einem Beleuchtungsstrahlengang; chromatische Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges oder eines Detektionsstrahlenganges; Erfassen mindestens eines Weitfeldbildes aus von der Probe in dem Detektionsstrahlengang reflektierten oder emittierten Probenlichtes mit chromatisch konfokalen Anteilen; Pixelweises Ermitteln von Höheninformationen der Probe aus dem Weitfeldbild durch Auswerten chromatisch konfokaler Anteile des Detektionsstrahlenganges in Abhängigkeit von der chromatischen Modulation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe mit einem Weitfeldmikroskop und ein Weitfeldmikroskop.
Das Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe wird auch als optischer Schnitt bezeichnet. Solche optischen Schnitte werden insbesondere in der Mikrosopie verwendet, um Topografien einer Probe zu bestimmen oder Oberflächeneigenschaften einer Probe wie z.B. Rauheit zu messen.
Für die Charakterisierung von technischen Oberflächen wird heute als Standardverfahren die konfokale Mikroskopie eingesetzt. Dabei findet meist ein Abtasten der Probe in allen drei Raumrichtungen statt, d.h. es handelt sich um punktscannende Systeme, bei denen ein optischer Strahl in x/y-Richtung über die Probe geführt wird. Zur Ableitung der Höheninformation wird eine Bewegung der Probe relativ zur Detektoreinheit (in z-Richtung) benötigt. Aus dem Intensitätsmaximum in Abhängigkeit von der z-Position kann für jeden x-y-Ort die Höheninformation und damit die Topographie abgeleitet werden.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist unter anderem die lange Zeit, die durch den Rasterscan für eine 3D-Topographie benötigt wird. Weiterhin kann es während des xy-Scans, bei welchem eine fixierte geometrische Anordnung zwischen Probenkörper und optischem Sensor vorliegt, durch äußere Stöße bzw. Schwingungen zu unkontrollierten Bewegungen des Sensorkopfes relativ zum Probenkörper kommen, wodurch das Messergebnis verfälscht werden kann.
Um das z-Rastern zu vermeiden, wird das chromatisch konfokale Prinzip verwendet. Hier wird in der Regel eine polychromatische Lichtquelle eingesetzt, die die interessierende Probe über ein chromatisch wirkendes refraktives und/oder diffraktives Element beleuchtet, wodurch die z-Information spektral kodiert wird. Wird nun hinter einer konfokalen Lochblende in der Detektion das Spektrum vermessen, so kann hieraus die Höheninformation abgeleitet werden. Auch möglich, aber zeitaufwendig ist die Verwendung einer durchstimmbaren Lichtquelle mit sequentieller konfokaler Detektion wodurch ebenfalls ein Spektrum erhalten wird.
Kim et al beschreiben in „Chromatic confocal microscopy with a novel wavelength detection method using transmittance", OPTICS EXPRESS 6286, Vol. 21, No. 5 eine punktscannende chromatisch konfokale Anordnung mit 50/50-Strahlteilung im Detektionsstrahlengang hinter der Pinhole-Detektion. Das Probenlicht wird entsprechend mit zwei Photomultipliertubes (PMT‘s) erfasst, wobei dem einen PMT ein Filter vorgeschaltet ist. Aus dem Intensitätsverhältnis der beiden PMTs wird die Transmission des Filters und damit die detektierte Wellenlänge und daraus schließlich eine Höheninformation ermittelt.
Um den Nachteil des x-y-Rasterscans zu umgehen, existieren schon seit langen konfokale Weitfeldsysteme, bei denen in der Regel Flächenkameras zum Einsatz kommen. Ein Beispiel hierfür ist das Spinning-Disc-Verfahren mit Nipkow-Scheibe. Hier werden mehrere Punkte quasi gleichzeitig nach dem konfokalen Prinzip detektiert. Das Anfahren verschiedener z-Positionen zur Ermittlung eines Schnittbildes ist auch hier erforderlich.
Weiterhin sind konfokale Weitfeldsysteme bekannt, die auf strukturierter Beleuchtung basieren. Hier wird für jeden z-Wert ein konfokales Schnittbild errechnet aus Bildern die mit einer z.B. durch ein Gitter gegebenen strukturierten Beleuchtung aufgenommen wurden. In der Regel kann dabei auch das Weitfeldbild erhalten werden. Unter Ausnutzung der Polarisation oder der Farbeigenschaften des Beleuchtungslichtes werden Höheninformationen aus der Probe gewonnen. In der DE 10 2007 018 048 A1 ist beispielsweise ein solches System beschrieben, bei dem zwei Beleuchtungsmuster auf die Probe projiziert werden.
Ebenfalls verwandt ist das Verfahren der Apertur-Korrelation. Hier wird eine sich kontinuierlich ändernde strukturierte Beleuchtung verwendet und das optische Schnittbild aus zwei parallel oder sequentiell aufgenommenen Bildern errechnet, von denen eines als schlecht konfokales Bild mit außerfokalen Anteilen und eines als reines Weitfeldbild bzw. als Bild mit überwiegend außerfokalen Anteilen angesehen werden kann. Ein Vorteil dieser auf strukturierter Beleuchtung basierenden Verfahren ist, dass parallel zum konfokalen Bild auch ein Weitfeldbild quasi in einem Schuss erhalten werden kann.
Letztlich ist allen auf strukturierter Beleuchtung basierenden Systemen gemein, dass während der Änderung des Phasenmusters und/oder beim Verfahren der Probe bzw. des Sensors in z-Richtung Vibrationen einen störenden Einfluss auf das Messergebnis nehmen können.
Es existieren noch andere Weitfeld-Methoden, mit denen optische Schnitte erzeugt werden können. Hier ist zum Beispiel die Fokus-Variation zu nennen, bei welcher die Bildschärfe in Abhängigkeit von z ausgewertet wird, um hieraus ähnlich dem konfokalen Fall ein Maximum zu errechnen. Es werden dabei auch räumliche Informationen des Systems herangezogen.
Hinsichtlich der Schwingungsanfälligkeit bestehen die gleichen Probleme wie bei den zuvor genannten Verfahren.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Mikroskop und ein Verfahren zur Erzeugung einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe anzugeben, bei welchen störende Bewegungen am Mikroskop vermieden werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Weitfeldmikroskop gemäß Anspruch 7 gelöst.
Erfindungsgemäß wird das chromatisch konfokale Prinzip auf ein optisches Weitfeld-Schnittbildverfahren angewendet und angepasst. Dies wird insbesondere durch eine Kodierung der Wellenlänge im Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlengang erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform werden wellenlängeabhängige Filter im Detektionsstrahlengang verwendet.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Probe mit einer breitbandigen Beleuchtungsquelle in einem Beleuchtungsstrahlengang beleuchtet. Der Beleuchtungsstrahlengang wird nach dem chromatisch konfokalen Prinzip chromatisch moduliert. Weiterhin wird mindestens ein Weitfeldbild erfasst, indem von der Probe in einem Detektionsstrahlengang reflektiertes oder emittiertes Probenlicht erfasst wird.
Das Weitfeldbild kann sowohl rein konfokale Anteile des Probenlichts (z.B. bei der Verwendung einer Nipkow-Scheibe) aufweisen, aber auch aus konfokalen und außerfokalen Anteilen des Probenlichtes zusammengesetzt sein.
Im Beobachtungsstrahlengang und/oder im Beleuchtungs- oder Anregungsstrahlengang kommt mindestens eine wellenlängeabhängige Filterfunktion bzw. Spektralverteilung zum Einsatz und für jeden Bildpunkt in x-y-Richtung werden mindestens zwei Messvorgänge mit den unterschiedlichen Filtern bzw. Spektralverteilungen durchgeführt. Diese Messvorgänge können parallel (bei der Verwendung mehrerer Bildsensoren) oder sequentiell stattfinden.
Wird beispielsweise das Verhältnis aus den Intensitäten der mindesten zwei Messvorgänge in jedem Bildpunkt des Weitfeldbildes gebildet, so ist hieraus die Wellenlänge mit maximaler Intensität des Probenlichtes und damit der Höhenwert der Probe am jeweiligen Bildpunkt bestimmbar.
Insbesondere gelingt dies prinzipiell unabhängig von der spektralen Reflektivität der Probe sowie unabhängig von den spektralen Eigenschaften der Lichtquelle und oder des Gerätes.
Allgemein ist das Intensitätssignal im erfindungsgemäßen Verfahren und Mikroskop im i-ten Messvorgang gegeben durch: I_i(x, y, z) = ∫dλ'P(x, y, λ')R(x, y, λ')T_i(x, y, λ')g_λ[z(x,y)](λ[z(x, y)] – λ'),
Mit:

P(x, y, λ'):: spektrale Charakteristik der Lichtquelle und des Geräts eventuell auch abhängig von x, y
R(x, y, λ'):: spektrale Reflektivität der Probe
T_i(x, y, λ'):: Filterfunktion oder Spektralverteilung im i-ten Messvorgang bzw. chromatische Modulation (beinhaltet auch Strahlteiler etc.)
g_λmax(λ_max – λ):: spektrale Geräte-Response-Funktion mit λ_max als Parameter
λ_max = λ[z(x, y)]:: maximal reflektierte Wellenlänge an der Stelle x, y entsprechend der Höhenfunktion
z(x, y):: Höhenfunktion der Probe

Gesucht ist nun die Höhenfunktion z(x, y) für die zu untersuchende Probe. Die konfokale oder quasi konfokale Detektion äußert sich insbesondere in der Funktion g_λmax(λ_max – λ). Die Parametrisierung hinsichtlich der Wellenlänge deutet an, dass diese Funktion je nach Beschaffenheit der chromatischen Ablage spektral variiert. Für die weitere Betrachtung wird vereinfachend angenommen, dass die Parametrisierung vernachlässigbar ist und die Funktion g eine bei 0 lokalisierte Deltafunktion darstellt. Die obige Formel vereinfacht sich dann zu: I_i(x, y, z) = P(x, y, λ)[z(x, y)])R(x, y, λ[z(x, y)])T_i(x, y, λ[z(x, y)])
Sind P, R und T hinreichend bekannt, so kann hieraus prinzipiell bereits z(x, y) abgeleitet werden, was allerdings einen enormen Kalibrieraufwand mit sich bringt, auch da es sich um eine Absolutmessung handelt.
Werden jedoch mindestens zwei Detektionsvorgänge i = 1,2 herangezogen, so kann das Verhältnis gebildet werden zu:
P und R spielen keine Rolle mehr. In Näherung gilt dies auch dann, wenn P und R über den durch die Form von g vorgegebenen Integrationsbereich konstant sind. Aus der rechten Seite lässt sich anhand der bekannten Filterfunktionen bzw. Spektralverteilungen relativ einfach der zu einem gegebenen Intensitätsverhältnis zugehörige Wert und damit auch der Wert z(x, y) bestimmen.
In einem Spezialfall weist T₂ keine Wellenlängenabhängigkeit auf (T_s(λ) = constant). Realisiert werden kann dieser Fall beispielsweise mit Hilfe zweier gleichartiger Detektoren und einem Strahlteiler, wobei nur in einem Strahlengang ein wellenlängen-abhängiger Filter zum Einsatz kommt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nur einen Kanal zu verwenden und zwei sequentielle Messungen mit und ohne bzw. mit zwei verschiedenen wellenlängen-abhängigen Filter durchzuführen, die allerdings in so schneller Folge durchgeführt werden, dass quasi von einer Einschuss-Messung gesprochen werden kann (Gesamtmessung < 100ms).
Auch möglich ist die Verwendung eines Filters in der Anregung, so dass bei gleicher Lichtquelle alternierend mit und ohne Filter gemessen wird.
Ein weiterer Spezialfall ist die Verwendung zweier spektral zueinander versetzter Bandpassfilter in Anregung und/oder Detektion. In der Detektion ist auch hier neben einer sequentiellen Anordnung eine parallele Anordnung möglich. Ein Beispiel für die parallele Anordnung ist die Verwendung einer Farbkamera mit Bayer-Pattern mit Auswahl von jeweils zwei Farbkanälen.
Ein weiterer Spezialfall ist beispielsweise die Verwendung von zwei Detektionskanälen und einem dichroitischen Strahlteiler, so dass T₂ = 1 – T₁ wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1: ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Weitfeldmikroskops;
2: eine Ausgestaltungsvariante mit parallelen Detektoren;
3: eine Ausgestaltungsvariante mit parallelen Detektoren und Filtern im Detektionsstrahlengang;
4: eine Ausgestaltungsvariante mit einem Schaltelement im Detektionsstrahlengang;
5: eine Ausgestaltungsvariante mit einem Chip-Splitter-Detektor;
6: ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroskops;
7: ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroskops;
8: eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des Beleuchtungsstrahlenganges mit einem Schaltelement;
9: eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des Beleuchtungsstrahlenganges mit zwei gleichen Beleuchtungslichtquellen;
10: eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des Beleuchtungsstrahlenganges mit zwei spektral verschiedenen Beleuchtungslichtquellen.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung gelten gleiche Bezugsziffern für gleiche Elemente. Deren Funktionsbeschreibungen gelten auch in den Figuren bzw. Ausführungsformen, in denen sie nicht ausdrücklich erwähnt sind.
1 zeigt eine erste bevorzugtes Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Weitfeldmikroskops. Eine polychromatische Beleuchtungsquelle 1 (z. Bsp. Breitband-Laser, Halogenlampe, Superlumineszenz-Diode, ...), bei der in dieser Ausführungsform verschiedene spektrale Verteilungen durch ein Selektionselement 2 selektierbar sind. Dieses Selektionselement 2 kann beispielsweise ein AOTF (Acousto-optical Tunable Filter), ein Prisma, ein Gitter oder auch eine Filterselektionseinheit sein. Das Beleuchtungslicht kann dann durch eine Ablenkeinheit 3 in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden. Die Ablenkeinheit 3 stellt beispielsweise einen schnell schaltbaren Spiegel (z.B. Galvo-Spiegel), einen AOD (Acousto-optical deflector) oder eine auf Polarisationsdrehung basierende Schalteinheit dar.
Ein strukturiertes Element 4 ist in einer Ebene A konjugiert zu einer Probenebene P angeordnet. Im einfachsten Fall stellt das strukturierte Element 4 eine transmittive 1D- oder 2D-Gitterstruktur dar. Die Struktur wird über refraktiv und/oder diffraktiv wirkende Farblängsfehler-induzierende Elemente 6, 7 (Objektiv) in den Probenraum abgebildet, so dass hier eine chromatische Aufspaltung 8 in z-Richtung generiert wird, d.h. der Fokus verschiebt sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge in z-Richtung.
Im Beobachtungsstrahlengang sind vorteilhafterweise Lichtleiterfasern 9 angeordnet. Es kann aber in anderen Ausführungsformen hierfür auch eine einfache Freistrahlführung basierend auf Spiegeln verwendet werden. Mit den Lichtleitfasern 9 kann optional eine Polarisationsfilterung vorgenommen werden.
Durch die Ablenkeinheit 3 ist es möglich, das strukturierte Element 4 mit Hilfe je einer Kollimationslinse 11 von zwei Seiten sequentiell zu beleuchten (gestrichelte Darstellung). Dazu ist das strukturierte Element 4 verspiegelt ausgeführt, es können dementsprechend zwei Gitterphasen in den Probenraum bzw. die Probenebene P abgebildet werden. Ist das strukturierte Element 4 nicht verspiegelt, so entfällt die Ablenkeinheit 3 und die gestrichelt dargestellte Optik.
Zur Vereinigung des Transmissions- und Reflexions-Strahlengangs wird ein Strahlteiler 12 verwendet. Das Beleuchtungslicht wird dann durch einen Strahlteiler 13 weiter zu einer im Probenraum P positionierten Probe 14 geführt, wobei der Strahlteiler 13 vorteilhafterweise als Polarisationsstrahlteiler ausgeführt ist. Es kann nämlich weiterhin eine Lambda/4-Platte 16 im Strahlengang angeordnet sein, so dass das zur Probe 14 gehende Beleuchtungslicht und von der Probe 14 reflektierte oder emittierte zu detektierende Probenlicht eine um 90° zueinander verdrehte Polarisation aufweisen und so am Strahlteiler 13 gut voneinander abgetrennt werden können.
Weiterhin ist es mit einer solchen Konfiguration möglich, störende Reflexionen, die von den optischen Elementen einer Detektionseinheit 17 und nicht von der Probe 14 herrühren, zu unterdrücken. Hierzu kann weiterhin vor der Detektoreinheit 17 ein Polarisationsfilter 18 angeordnet sein. Die Detektionseinheit 17 kann eine einfache Kamera mit entsprechender Abbildungsoptik sein, wenn die spektralen Verteilungen über das Selektionselement 2 allein in der Beleuchtung bzw. Anregung gewählt werden. Zusätzlich oder stattdessen ist auch eine der Ausführungsvarianten gemäß der 2 bis 5 möglich.
2 beschreibt beispielsweise eine Anordnung, in welcher das Probenlicht zunächst durch einen Farbteiler 19 geführt wird, so dass zwei Detektionskanäle bedient werden, die jeweils eine Abbildungsoptik 21 und eine Kamera 22 umfassen.
Im Wesentlichen entspricht diese Anordnung dem oben beschriebenen Spezialfall mit T2 = 1 – T1.
In 3 ist im Vergleich zu 2 der Farbteiler durch einen Strahlteiler 23 ersetzt, der zunächst keine wellenlängen-abhängige Filterung bewirkt. Diese kommt allerdings in Kanal I durch einen Filter 24 zustande. Optional kann auch in Kanal II ein Filter 26 angeordnet sein (T2 wäre dann nicht konstant; gibt es keinen Filter 26, so wäre T2 konstant).
Mit 4 wird die weiter oben bereits beschriebene sequentielle Detektion abgebildet. Ein Schaltelement 27 dient dem sequentiellen Schalten von Filterunktionen. Das Schaltelement 27 kann dabei z.B. ein schnelles Filterrad oder ein AOTF oder eine geeignete Strahlteileranordnung mit Schaltspiegelanordnung sein.
Eine spezielle Anordnung, die ähnlich wie die in 2 oder 3 beschriebenen Anordnungen funktioniert, ist in 5 gezeigt. Hier kommt ein sogenannter Chip-Splitter 28 zum Einsatz, wie er beispielsweise von der Firma Optosplit angeboten wird, d.h. es wird ein und derselbe Kamerachip der Kamera 22 für die zwei Messvorgänge genutzt, die somit auch parallel ablaufen können.
Es ist somit mit einer Vorrichtung gemäß der zuvor beschriebenen Figuren zunächst möglich, unterschiedliche Gitterphasen bzw. Strukturen auf die Probe abzubilden und zu detektieren, und es kann auf diese Weise wie bei den gängigen Verfahren der strukturierten Beleuchtung ein „optisches Schnittbild“ erstellt werden, welches für ein gegebenes Pixel in xy nur dann ein signifikantes Signal aufweist, wenn die Probenoberfläche an dieser Stelle im Fokus ist. In der Regel lässt sich hier stets eine Wellenlänge finden, für die dieser Fall gegeben ist, sofern die Oberflächentopographie in ihrer Höhendynamik nicht wesentlich über den mit der chromatisch Ablage verknüpften Messbereich hinaus geht.
Die Auswertung der Bilddaten erfolgt dahingehend, dass für jedes Pixel diejenige Wellenlänge ermittelt wird, bei der das optische Schnittbildsignal maximal wird. Hieraus kann dann direkt auf die Funktion z(x, y) bzw. die Oberflächentopographie geschlossen werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Auswertung der Filterfunktion wie oben beschrieben, wobei im einfachsten Fall die Intensitätsverhältnisse aus den mindestens zwei Messvorgängen ausgewertet werden und hieraus direkt auf die Wellenlänge geschlossen wird. Selbstverständlich sind hierbei Mehrfachmessungen sinnvoll, um ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Sinnvoll kann es darüber hinaus auch sein, die Mehrfachmessungen bei unterschiedlichen Absolut-Höhen durch ein Verschieben der Probe relativ zum Sensor durchzuführen. Dies ist dann vorteilhaft, wenn die Probe stark gefärbt ist und in unterschiedlichen Spektralbereichen ein unterschiedlichen Reflexionsverhalten zeigt.
In Abhängigkeit von der Probe ist ebenfalls ein HDR-Imaging beispielsweise durch Mehrfachmessungen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten sinnvoll, damit das Rauschen für jedes Pixel im wesentlichen Shot-Noise limitiert ist. Mitunter reicht eine Kalibrierung unabhängig von der Funktion g sowie der Funktion P nicht aus, so dass diese beiden Funktionen als Geräte-Eigenschaften noch mit hinzugezogen werden müssen. Die Wellenlänge wird dann unter Umständen nicht direkt, sondern unter Anwendung eines iterativen Verfahrens bestimmt.
Ist die Oberflächentopographie so beschaffen, dass ihre Höhendynamik den mit der chromatisch Ablage verknüpften Messbereich übersteigt, so ist gegebenenfalls ein z-Stitching erforderlich, bei welchem gleichartige Messungen bei verschiedenen Abständen zwischen Sensor und Probe durchgeführt werden und anschließend miteinander verknüpft werden.
Die Filterfunktionen sind sinnvollerweise so an die chromatische Farbablage angepasst, dass über den gesamten Wellenlängenbereich eine ähnlich sensitive Höhenbestimmung möglich ist.
Mitunter kann es zweckmäßig sein, eine Filterfunktion sowohl in der Beleuchtung als auch in der Detektion anzuwenden sowie mehrere Messungen mit unterschiedlichen Filterfunktionen durchzuführen, um eine bessere Sensitivität hinsichtlich der Höhenbestimmung zu erreichen.
Mit Hinblick auf 1 kann das Schalten unterschiedlicher Gitterphasen auch durch ein einfaches Umschalten von Strahlengängen realisiert werden, wozu beispielsweise ein elektrooptischer Modulator (EOM) oder ein akustooptischer Modulator (AOD) zum Einsatz kommen kann. Im gezeigten Fall ergibt sich dabei beispielsweise eine phasenverschobene Abbildung des strukturierten Elementes 4 in Transmission und Reflexion. Es sind darüber hinaus auch Anordnungen denkbar, wo beispielsweise ein EOM oder ein AOD oder auch ein Galvo-Spiegel ein schnelles Gitterschalten durch eine direkte Modulation in der Pupillenebene des Objektivs 7 bewirkt. Ein Gitter ist hier gemäß der Fouriertransformation im Wesentlichen als Punktmuster dargestellt, welches den einzelnen Beugungsordnungen des Gitters entspricht. Durch eine Winkelmodulation wäre es beispielsweise möglich, schnell zwischen unterschiedlichen Gitterlagen zu schalten.
In einer anderen Variante wird das strukturierte Element 4, das auch durch eine 2D-Lochblenden-Anordnung gebildet sein kann, auf verschiedene Positionen bewegt, und es werden mit der Detektoreinheit 17 entsprechende Bilder aufgenommen, wobei hier aber nur jeweils ein Lichtkanal der Beleuchtung verwendet wird. Die Detektoreinheit 17 kann gleichsam als digitales PH-verwendet werden, so dass ein echt konfokales Bild durch Verrechnen und Zusammensetzen der bei den einzelnen Positionen aufgenommenen Bilder erhalten wird.
Die Auswertung hinsichtlich der Wellenlänge erfolgt wie oben beschrieben.
In einer weiteren Variante entfällt die Struktur 4 komplett und es wird jeweils nur für jeden lokalen Bildbereich eine Schärfefunktion über die Wellenlänge ermittelt. Dies entspricht dem Prinzip der Fokusvariation, wie sie beispielsweise in M. Rahlves, J. Seewig, „Optisches Messen technischer Oberflächen", Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2009, beschrieben ist. Bei hinreichend strukturierten Proben reicht auch dies aus, um Höheninformationen zu erhalten.
Ähnlich gestaltet sich ein Aufbau, der nach dem Prinzip des HiLo-Verfahrens funktioniert. Das strukturierte Element 4 kann hier auch ein Element zu gezielten Einführung eines Speckle-Patterns darstellen, welches komplett aus dem Strahlengang entfernt werden kann.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein chromatisches Weitfeldmikroskop, welches der Kombination des Apertur-Korrelationsprinzips mit der chromatisch konfokalen Technologie entspricht. In einer Zwischenbildebene Z ist hier eine rotierbare Scheibe 31 mit einer verspiegelten Struktur 32 angeordnet. Das von der Probe 14 zurückreflektierte oder emittierte Probenlicht (Detektionsstrahlengang) wird im dargestellten Beispiel in zwei Kamera-Kanälen detektiert, wobei ein erster Detektor 33 das durch die Scheibe 31 transmittierte Probenlicht (konfokale Anteile) und ein zweiter Detektor 34 das ab der verspiegelten Struktur 32 reflektierte Probenlicht (Weitfeld-Bild mit außerfokalen Anteilen) erfassen. Optional können auch hier Polarisationsfilter 18 im Detektionsstrahlengang angeordnet sein.
Aus den beiden Bildern der Detektoren 33, 34 kann in Abhängigkeit von der Wellenlänge sowohl ein Weitfeld-Bild als auch ein konfokales Bild errechnet werden. Wiederum ergibt sich aus der Intensität als Funktion der Wellenlänge die gesuchte Höheninformation für jedes Detektionspixel. Natürlich lässt sich die erhaltene Farbaufnahme auch direkt dazu nutzen, ein Farbbild mit erweiterter Schärfentiefen-Information darzustellen. Ebenso sind auch Aufbauten möglich, bei denen die beiden Kanäle auf nur einem Kamera-Chip angeordnet sind.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchen beispielsweise ein Lochblenden-Array 41 bzw. eine Nipkow-Scheibe zum Einsatz kommt. Eine Erfassung der gesamten Probenoberfläche wird durch eine Bewegung (Rotation, Verschiebung) des Lochblenden-Arrays 41 und/oder eine optionale Scannereinheit 42 erreicht. Ist das Lochblenden-Array 41 eine Nipkow-Scheibe und als solche mit strukturierten und unstrukturierten Sektoren ausgeführt, so stellt diese Ausführungsform auch einen Sonderfall der Apertur-Korrelation dar, bei welchem die Konfokalitätsauswertung durch Verrechnung von sequentiell oder parallel aufgenommenen strukturiert und nicht-strukturiert beleuchteten Bildern erfolgt.
Ein Interferometerelement 43 ist optional zur Steigerung der Messgenauigkeit vorgesehen. Dieses kann auch in allen anderen Ausführungsformen vorhanden sein.
8 bis 10 zeigen mögliche Ausgestaltungsvarianten zum Einsatz von Filterfunktionen bzw. unterschiedlichen spektralen Verteilungen im Beleuchtungsstrahlengang.
So zeigt 8 die polychromatischen Lichtquelle 1, deren Licht mit einem schnellen Schaltelement 44 in unterschiedliche Kanäle geleitet werden kann, was wiederum in Analogie zum oben besprochenen den zwei Messvorgängen gleich kommt. In beiden Kanälen können nun unterschiedliche Filter 46 und 47 angeordnet sein. Im Prinzip reicht auch nur einer der beiden Filter 46, 47. In jedem Fall findet eine Strahlvereinigung am Strahlvereinigerelement 48 statt, wobei dieses in einer geschickten Variante auch polarisationssensitiv z.B. als Polarisationsstrahlteiler gestaltet sein kann. Wird statt des Strahlvereinigerelementes 48 ein Farbteiler eingesetzt, so kann auf die Filter 46, 47 ggf. verzichtet werden, was in der Gesamtwirkung dem anhand von 2 beschriebenen Fall in sequentieller Ausführung entspricht.
9 zeigt eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung, bei der zwei gleichartige Lichtquellen 1 mit jeweils nachgeschalteten Filtern 46, 47 verwendet werden, die schnell hintereinander geschaltet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungvariante gibt 10 wieder. Hier werden zwei unterschiedliche Beleuchtungsquellen 51 und 52 eingesetzt, die sich hinsichtlich ihrer spektralen Charakteristik unterscheiden. Das Strahlvereinigungselement 53 ist nunmehr als reiner Strahlvereiniger ausgeführt. Die spektralen Charakteristiken ergeben bereits die gewünschten Filterfunktionen. Beispielsweise können die Spektren der Beleuchtungsquellen 51, 52 leicht zueinander verschoben und gaussförmig sein. Aus dem Intensitätsverhältnis der beiden mit jeweils einer der Beleuchtungsquellen 51, 52 gekoppelten Messvorgänge ist dann sofort die Wellenlänge ableitbar.
Bezugszeichenliste

01: Beleuchtungsquelle
02: Selektionselement
03: Ablenkeinheit
04: strukturiertes Element
05
06: Farblängsfehler-induzierendes Element
07: Objektiv
08: chromatische Aufspaltung
09: Lichtleitfaser
10
11: Kollimationslinse
12: Strahlteiler
13: Strahlteiler
14: Probe
15
16: λ/4-Platte
17: Detektoreinheit
18: Polarisationsfilter
19: Farbteiler
20
21: Abbildungsoptik
22: Kamera
23: Strahlteiler
24: Filter
25
26: Filter
27: Schaltelement
28: Chip-Splitter
29
30
31: Scheibe
32: verspiegelte Struktur
33: erste Detektoreinheit
34: zweite Detektoreinheit
35
41: Lochblenden-Array
42: Scannereinheit
43: Interferometer
44: Schaltelement
45
46: Filter
47: Filter
48: Strahlvereinigungselement
49
50
51: Beleuchtungsquelle
52: Beleuchtungsquelle
53: Strahlvereinigungselement
A, Z: Feldebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007018048 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kim et al beschreiben in „Chromatic confocal microscopy with a novel wavelength detection method using transmittance“, OPTICS EXPRESS 6286, Vol. 21, No. 5 [0006]
M. Rahlves, J. Seewig, „Optisches Messen technischer Oberflächen“, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2009 [0065]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe (14) mit einem Weitfeldmikroskop, folgende Schritte umfassend: – Beleuchten der Probe (14) mit einer breitbandigen Beleuchtungsquelle (1) in einem Beleuchtungsstrahlengang; – chromatische Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges oder eines Detektionsstrahlenganges; – Erfassen mindestens eines Weitfeldbildes aus von der Probe in dem Detektionsstrahlengang reflektierten oder emittierten Probenlichtes mit chromatisch konfokalen Anteilen; – Pixelweises Ermitteln von Höheninformationen der Probe aus dem Weitfeldbild durch Auswerten chromatisch konfokaler Anteile des Detektionsstrahlenganges in Abhängigkeit von der chromatischen Modulation.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin folgende Schritte umfassend: – Erfassen eines ersten Bildes mit einer ersten chromatischen Modulationseinstellung; – Erfassen eines zweiten Bildes mit einer zweiten chromatischen Modulationseinstellung zeitgleich oder zeitversetzt zur Erfassung des ersten Bildes; – Ermitteln eines Verhältnisses der Intensitätssignale der beiden Bilder für jeden Bildpunkt; – Bestimmen eines Höhenwertes z(x, y) der Probe (14) für jeden Bildpunkt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätssignal definiert ist durch I_i(x, y, z) = ∫dλ'P(x, y, λ')R(x, y, λ')T_i(x, y, λ')g_λ[z(x,y)](λ[z(x, y)] – λ'), wobei: P(x, y, λ') eine spektrale Charakteristik der Lichtquelle und des Geräts; R(x, y, λ') eine spektrale Reflektivität der Probe; T_i(x, y, λ') die chromatische Modulation; g_λmax(λ_max – λ) eine spektrale Geräte-Response-Funktion mit λ_max als Parameter; λ_max = λ[z(x, y)] eine maximal reflektierte Wellenlänge an einer Stelle x, y entsprechend einer Höhenfunktion; und z(x, y) die Höhenfunktion der Probe darstellt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnisses der Intensitätssignale der beiden Bilder für jeden Bildpunkt nach der Vorschrift
gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die chromatische Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges durch eine sequentielle Schaltung eines Filters in den Beleuchtungsstrahlengang oder in den Beobachtungsstrahlengang erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen eines ersten Weitfeldbildes und eines zweiten Weitfeldbildes in zwei separaten Detektionskanälen erfolgt.
Weitfeldmikroskop umfassend – eine Beleuchtungsquelle (1, 52, 53), die in einem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist; – eine erste Detektoreinheit (17, 33) zur Erfassung eines Weitfeldbildes in einem Beobachtungsstrahlengang einer in einer Probenebene (P) beleuchteten Probe (14); – einen Modulator zur chromatischen Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges oder des Beobachtungsstrahlenganges in einer Richtung senkrecht zur Probenebene (P); – eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer chromatisch konfokalen Höheninformation in jedem Bildpunkt des Weitfeldbildes
Weitfeldmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen zweiten Detektor umfasst, der gleichartig zum ersten Detektor ist.
Weifeldmikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Detektor ein Strahlteiler angeordnet ist und in einem der Beobachtungsstrahlengänge als Modulator ein wellenlängeabhängiger Filter angeordnet ist.
Weifeldmikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor im Beobachtungsstrahlengang einer Einrichtung zur Erfassung chromatisch konfokaler Anteile nachgeordnet angeordnet ist und der zweite Detektor zur Erfassung außerfokaler Anteile im Beobachtungsstrahlengang angeordnet ist.
Weitfeldmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist.
Weitfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der chromatische Modulator ein Filter ist.