DE19520606B4 - Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektträgers (1), beinhaltend
a) ein Stativ (2), an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist,
b) eine Halterung (7), die über mindestens einen beweglichen Abstandshalter (8) an dem Stativ (2) befestigt ist,
c) einen an der Halterung (7) befestigten Zeilensensor (3), bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind,
d) ein an der Halterung (7) befestigtes Linsensystem (4), das ein Bild des Objektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet,
e) eine Beleuchtungseinrichtung (5) zur Beleuchtung des Objektträgers sowie
f) einen Antrieb zur Bewegung der Halterung (7) unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters (8),
dadurch gekennzeichnet, dass
g) das Stativ (2) raumfest gegenüber der Halterung (7) ausgeführt ist und
h) die Halterung (7) zur optischen Untersuchung des Objekts über den Objektträger oder einen Teil des Objektträgers in einer Raumrichtung bewegt...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen, insbesondere von Objektträgern. Die Vorrichtung beinhaltet ein Stativ, an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist sowie eine Halterung, die über mindestens einen Abstandshalter an dem Stativ befestigt ist. An der genannten Halterung ist ein Zeilensensor, bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind sowie ein Linsensystem, das ein Bild des Objektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet, befestigt. Die Vorrichtung besitzt weiterhin eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objektträgers und einen Antrieb zur Bewegung der Halterung im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters.
• Automatisch arbeitende Vorrichtungen zur Untersuchung von Oberflächen bzw. von Objektträgern basieren im allgemeinem auf einem Videosystem, bei dem ein Bild der Oberfläche auf ein zweidimensionales CCD-Array projiziert wird. Zweidimensionale CCD-Anays zum Einsatz in Videokameras sind in den vergangenen Jahren stark im Preis gesunken. Derartige im Stand der Technik gebräuchliche CCD-Arrays sind jedoch für den Einsatz in der mikroskopischen Analyse nur bedingt geeignet, da sie eine verhältnismäßig geringe Zahl von Sensoren aufweisen und weiterhin eine relativ hohe Rate an fehlerhaften Sensorelementen aufweisen. Während die Fehlfunktion einzelner Pixel in preisgünstigen Videokameras toleriert werden kann, sind diese Arrays zum Einsatz in der mikroskopischen Analyse wenig geeignet. CCD-Arrays mit hinreichend hoher Auflösung und sehr geringen Fehlerraten der Pixel sind nach wie vor sehr teuer und daher für den Aufbau eines Systems für Arztpraxen und kleinere Laboratorien nicht geeignet.
• In der US-Patentschrift 4,550,417 wird eine Apparatur zur Zählung von Mikropartikeln beschrieben, bei der ein Objektträger unter einem Zeilensensor hindurchbewegt wird. Der Objektträger wird hierfür in einen speziellen Halter eingespannt, der seinerseits über einen Linearantrieb verschoben wird. Der in 4 dargestellte Linearantrieb besteht aus einem Synchronmotor, der den Probenträger gegen die Kraft einer Rückstellfeder mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Um die geforderte hohe Präzision zu erreichen, müssen die Kräfte zur Halterung des Probenträgers wesentlich größer sein, als die bei der Verschiebung des Probenträgers auftretenden Reibungskräfte. Demgemäß ist das hier beschriebene System mit einem sehr starken Motor sowie entsprechend starken Rückstellfedern ausgestattet. Ein weiterer Nachteil dieser Apparatur besteht darin, daß die Probe bewegt wird und somit Beschleunigungskräfte des Antriebes sowie Erschütterungen beim Transport des Probenträgers zu einer Bewegung der nachzuweisenden Teilchen führen. Dies beeinträchtigt die Verläßlichkeit der Zählung und macht eine Identifizierung bzw. Klassifizierung gefundener Teilchen anhand der Sensorsignale annähernd unmöglich. Weiterhin verwendet die hier beschriebene Apparatur eine ortsfeste Lichtquelle zur Beleuchtung des Probenträgers. Dies ist nachteilhaft, da der gesamte beobachtete Bereich homogen ausgeleuchtet werden muß. Dementsprechend ist die in 3 dargestellte aufwendige und energieintensive Beleuchtung notwendig. Um eine Erwärmung der Probe durch die Lichtquelle zu vermeiden wird hier die Lichtquelle räumlich von der Probe getrennt und über einen Umlenkspiegel eingekoppelt.
• In der Europäischen Patentanmeldung EP 202 105 A2 wird eine bewegliche Probenhalterung eines Scan-Mikroskops beschrieben, welche es ermöglicht, eine Probe in den Raumrichtungen senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops zu verschieben. Hierzu wird die Probenhalterung derartig in einen äußeren Rahmen angebracht, dass die Probenhalterung relativ zum äußeren Rahmen durch Federelemente zunächst positioniert und die gewünschte Bewegung in der Untersuchungsebene durch eine geeignete Deformation dieser Federelemente erreicht wird. Die Verschiebung der Probenhalterung relativ zum äußeren Rahmen erfolgt vorzugsweise durch Linearantriebe.
• Die deutsche Auslegeschrift DE-AS 20 53 020 beschreibt einen Präzisions-Objektivtisch für optische Mikroskope, bei welchem der Probenträger in einem inneren Rahmen derartig eingebunden ist, dass er in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen in der Untersuchungsebene verschoben werden kann und dieser innere Rahmen seinerseits mit zwei äußeren Rahmen in einer Art und Weise verbunden ist, die eine Grob- und Feinbewegung entlang der optischen Achse und damit eine Fokussierung des Optischen Systems ermöglichen.
• Aufgabe der Erfindung war es, ein einfaches und kostengünstiges System zur optischen Untersuchung von Oberflächen zur Verfügung zu stellen, das mit einer hohen Auflösung arbeitet. Es war weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die ein Verwackeln von auf Objektträgern befindlichen Proben verhindert. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung war es, mit einer mechanisch einfachen und kostengünstigen Anordnung einen präzisen Transport eines Zeilensensors über eine Oberfläche zu ermöglichen.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektträgers, beinhaltend
• – ein Stativ, an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist,
• – eine Halterung, die über mindestens einen elastisch verbiegbaren Abstandshalter an dem Stativ befestigt ist,
• – einen an der Halterung befestigten Zeilensensor, bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind,
• – ein an der Halterung befestigtes Linsensystem, das ein Bild des Objektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet,
• – eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objektträgers sowie
• – einen Antrieb zur Bewegung der Halterung im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen elastisch verbiegbaren Abstandshalters.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur optischen Untersuchung eines Objektträgers. Unter optischer Untersuchung ist im Rahmen der Erfindung eine Untersuchung zu verstehen, bei der durch den Objektträger transmittierte oder vom Objektträger zurückgeworfene Strahlung ausgewertet wird. Die Bezeichnung optisch ist dabei nicht als auf sichtbares Licht beschränkend zu verstehen sondern schließt auch Strahlungen im infraroten und ultravioletten Teil des Spektrums mit ein.
• Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, daß der Objektträger, auf dem sich die Probe befindet, während der Untersuchung raumfest ist und nicht bewegt wird, wodurch Erschütterungen des Objektträger sowie Bewegungen der Probe vermieden werden. Demgemäß besitzt die Vorrichtung einen Objektträgerhalter, der an einem Stativ befestigt ist.. Das Stativ ist während der Messung raumfest, jedoch prinzipiell transportabel.
• Der Objektträgerhalter kann beispielsweise durch den Kreuztisch eines herkömmlichen Mikroskopes realisiert werden. Vorteilhafterweise ist der Halter jedoch an eine spezifische Art von Objektträgern angepaßt, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden. Vorzugsweise ist der Objektträgerhalter so ausgestaltet, daß ein Objektträger in ihn eingeschoben werden kann und der Objektträger in seiner Bestimmungsposition durch Anschlagskanten gehaltert und positioniert wird. Ebenfalls sollte der Objektträgerhalter eine plane Oberfläche zur Unterstützung des Objektträgers sowie eine Andruckvorrichtung für den Objektträger besitzen, um sicherzustellen, daß sich die Auswertezone des Objektträgers in einem definierten Abstand zum Linsensystem der Vorrichtung befindet. Der Objektträgerhalter kann beispielsweise auch Führungsschienen besitzen, in die der Objektträger eingeschoben wird, wodurch ein definierter Abstand von Objektträger und Linsensystem eingestellt wird.
• Ein weiterer wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Halterung, an der sowohl ein Zeilensensor als auch ein Linsensystem befestigt ist. Die Halterung besteht aus einem starren Material, um so einen definierten Abstand von Zeilensensor und Linsensystem zu gewährleisten. Die Halterung ihrerseits ist über mindestens einen elastisch verbiegbaren Abstandshalter an dem Stativ befestigt. Diese Art der Halterung ist ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung, da sie mit geringem mechanischem Aufwand eine präzise Verschiebung der Halterung und damit der Anordnung aus Zeilensensor und Linsensystem im Raum ermöglicht. Werden die einzelnen Komponenten direkt am Abstandshalter befestigt, so kann auch auf eine separate Halterung verzichtet werden.
• Der mindestens eine Abstandshalter ist so gestaltet, daß er verbogen, verkippt oder verschwenkt werden kann. Beispielsweise kann der Abstandshalter über ein Scharnier an dem Stativ befestigt sein, so daß er um die Scharnierachse bewegt werden kann. Die Scharnierachse ist dabei so angeordnet, daß der Zeilensensor in einer Ebene verschwenkt wird, die parallel der Untersuchungsebene ist. Für viele Anwendungen wird man bestrebt sein, den Abstand des Zeilensensors von der Untersuchungsebene konstant zu halten. Demgemäß muß darauf geachtet werden, daß die Scharnierachse möglichst senkrecht zur Untersuchungsebene angeordnet ist. Weiterhin sollte das Scharnier möglichst wenig Spiel aufweisen und der Abstandshalter mechanisch so stabil sein, daß eine Verbiegung in Richtung auf die Untersuchungsebene weitestgehend ausgeschlossen werden kann. Erfindungsgemäß geeignete Scharniere sind außer den gewöhnlichen Scharnieren, bei denen ein Zapfen in eine Hülse greift oder ein Stab durch Bohrungen im Stativ sowie im Abstandshalter geführt ist, auch die aus der Kunststofftechnik bekannten Band- und Filmscharniere.
• Bei einer besonders bevorzugten Variante der Vorrichtung wird ein verbiegbarer Abstandshalter eingesetzt, der an dem Stativ befestigt ist. Die Verbiegbarkeit ermöglicht eine Bewegung des dem Stativ abgewandten Endes des Abstandshalters bzw. der an diesem Ende befestigten Halterung parallel zur Untersuchungsebene. Eine Verbiegung des Abstandshalters senkrecht zur Untersuchungsebene wird durch eine Materialsteifigkeit des Abstandshalters in dieser Richtung weitestgehend vermieden. Vorteilhaft weist der Abstandshalter in der gewünschten Verbiegungsrichtung eine Elastizität auf, so daß eine erfolgte Verbiegung reversibel ist.
• Ein elastisch verbiegbarer Abstandshalter kann beispielsweise aus einer Blattfeder bestehen. Als Federmaterialien sind elastische Stahlplatten oder auch Kunststoffplatten geeignet. Über die Länge des Abstandshalters, die Dicke, die Fläche sowie das Material kann die Rück stellkraft des Abstandshalters eingestellt werden. Bevorzugt wird als Abstandshalter eine Platte gewählt, die durch ihre Breite einen Abstand von Stativ und Halter von mehreren Zentimetern einstellt. Die Länge des Abstandshalters beträgt in der Regel ebenfalls mehrere Zentimeter und ist vorzugsweise länger als der Abstand von Zeilensensor und Linsensystem. Bei geeigneter Befestigung des Abstandshalters an Stativ und Halter wird durch seine Länge sichergestellt, daß die Halterung durch Verbiegung des bzw. der Abstandshalter über die Untersuchungsebene bewegt werden kann, ohne daß eine Verkippung der optischen Anordnung gegenüber dem Stativ stattfindet. Dwch Abstandshalter, die Scherkräften ohne Verbiegung standhalten, kann eine Parallelverschiebung von Stativ und Halterung in Richtung der optischen Achse oder gar eine Verkippung vermieden werden. Werden plattenförmige Abstandshalter verwendet, so kann dies auf einfache Weise gewährleistet werden. Die genannten Eigenschaften der Abstandshalter sind wichtig, da so die Anordnung aus Zeilensensor und Linsensystem in konstantem Abstand über die Ebene des Objektträgers geschwenkt werden kann. Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung können Zeilensensor und Linsensystem auch direkt am Abstandshalter befestigt werden. Der Abstandshalter übernimmt in diesem Fall auch die Funktion der Halterung.
• Vorzugsweise ist die Halterung über zwei zueinander beabstandete Abstandshalter an dem Stativ befestigt. Bei Bewegung des Halters über Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken der Abstandshalter werden Stativ und Halterung parallelogrammartig zueinander verschoben. Durch Verwendung von zwei Abstandshalter kann eine Verkippung des Zeilensensors vermieden werden. Werden Abstandshalter verwendet, die über Scharniere an dem Stativ befestigt sind, so ist es bevorzugt, wenn die mechanische Verbindung der Abstandshalter mit der Halterung ebenfalls über Scharniere erfolgt. Auch bei der Variante der Vorrichtung mit zwei zueinander beabstandeten Abstandshaltern sind elastisch verbiegbare Abstandshalter bevorzugt.
• Vorteilhaft für die Erfindung ist es ebenfalls, wenn Stativ, Halter und 2 Abstandshalter miteinander einen nach außen in 4 Raumrichtungen abgeschlossenen Turm bilden, da durch diese Anordnung das Eindringen von Außenlicht in die Untersuchungsoptik reduziert wird.
• Gegebenenfalls können elastisch verbiegbare Abstandshalter durch an ihnen befestigte starre Materialien in ihrer Federkraft variiert und die verbiegbaren Bereiche der Abstandshalter genau definiert bzw. begrenzt werden. Experimentell hat es sich herausgestellt, daß eine Rückstellkraft der Abstandshalter zwischen 5 und 10 g/mm besonders vorteilhaft ist. In Anordnungen, in denen der Halter durch zwei oder mehr Abstandshalter mit dem Stativ verbunden ist, bezieht sich der genannte vorteilhafte Bereich der Rückstellkraft auf die Summe der Rückstellkräfte, die durch alle vorhandenen Abstandshalter erzeugt werden.
• Ein weiteres, wichtiges Element erfindungsgemäßer Vorrichtungen ist ein an der Halterung befestigter Zeilensensor. Als Zeilensensoren werden Sensoren bezeichnet, die eine Vielzahl von Einzelsensoren eng benachbart und in einer Reihe angeordnet besitzen. Im Stand der Technik sind insbesondere sogenannte CCD-Anays gebräuchlich. Um die für die Untersuchung von Oberflächen notwendige hohe Auflösung für ein repräsentatives Areal der zu untersuchenden Fläche zu gewährleisten, sollten Sensoren mit mindestens 500, besser mehreren 1000 Einzelsensoren eingesetzt werden. Aufgrund des vielfältigen Einsatzes der genannten Sensoren, beispielsweise in Faxgeräten und Scannern, sind bereits Sensoren mit beispielsweise 10.000 linear angeordneten Einzelsensoren zu relativ niedrigen Preisen zu erhalten. Ein für die Erfindung einsetzbarer Zeilensensor sollte zumindest in einem Teil des sichtbaren Spektrums eine breitbandige Empfindlichkeit aufweisen. Der Sensor benötigt zumindest in dem Strahlungsbereich der Beleuchtung eine ausreichende Empfindlichkeit.
• In besonderen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn der Sensor mehrere Reihen von Sensorelementen aufweist, wie dies beispielsweise bei dem Sensor TCD 1250D der Firma Toshiba der Fall ist. Ein solcher Sensor kann beispielsweise eingesetzt werden, wenn die mechanisch erreichbare Schrittweite unterhalb der gewünschten Auflösung der Oberfläche zurückbleibt. Für jeden mechanischen Bewegungsschritt können mit einem mehrreihigen Sensor mehrere Zeilen der Oberfläche aufgezeichnet werden. Ein weiterer Vorteil eines zwei- oder mehrreihigen Sensors liegt in der Möglichkeit zur Kontrolle der mit einer Sensorzeile erhaltenen Ergebnisse mit einer weiteren Sensorzeile.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt weiterhin ein Linsensystem, das an der Halterung befestigt ist. Dieses Linsensystem besteht in der Regel aus mehreren hintereinander geschalteten Linsen, die zu einem Objektiv angeordnet sind. Da bei der vorliegenden Vorrichtung ein schmaler Streifen einer Oberfläche auf einen Zeilensensor abgebildet wird, sind die im Linsensystem verwendeten Linsen vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Das Linsensystem ist starr am Halter befestigt, so daß ein Bild der Oberfläche mit einer genau vorbestimmten Vergrößerung auf den Zeilensensor abgebildet wird. Insbesondere für Anwendungen, bei denen der Abstand der zu untersuchenden Oberfläche zum Linsensystem nicht genau bekannt ist oder nicht festgelegt werden kann, ist es vorteilhaft, ein Linsensystem zu verwenden, mit dem eine Fokussierung möglich ist. Je nach gewünschter Anwendung kann das Linsensystem sowohl vergrößernd als auch verkleinernd gewählt werden. Im Bereich der optischen Untersuchung von Objektträgern wird in der Regel ein vergrößerndes Linsensystem gewählt, da zur Untersuchung von Zellen eine Auflösung im Bereich von 1 μm gewünscht wird. Die einzelnen Sensoren von gängigen Zeilensensoren weisen jedoch eine Größe im Bereich von 10 μm × 10 μm auf, so daß zur Erzielung der gewünschten Auflösung eine Vergrößerungsoptik notwendig ist.
• Eine geeignete Beleuchtung der zu untersuchenden Oberfläche ist von hohem Einfluß auf die Qualität des erzielten Bildes. Lichtundurchlässige Proben können von der Oberseite bestrahlt werden, so daß reflektiertes Licht zur Auswertung gelangt. Zur Untersuchung von lichtdurchlässigen Proben, wie beispielsweise von Objektträgern, wird vorteilhaft eine Durchlichtanordnung gewählt. Prinzipiell sind Beleuchtungseinrichtungen mit kontinuierlichen Lichtquellen geeignet, wie dies bereits in US 4,550,417 beschrieben ist. Erfindungsgemäß hat es sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn zur Beleuchtung der Probe Leuchtdioden verwendet werden. Leuchtdioden besitzen den Vorteil, nur geringe Wärmemengen freizusetzen und können somit in der Nähe der Probe angebracht werden, ohne zu einer Aufheizung der Probe zu führen. Eine Aufheizung der Probe wäre insbesondere im Fall der Untersuchung von Objektträgern nachteilig, da eine Verdunstung von Probenflüssigkeit zu Konzentrationsänderungen oder sogar Ausbildung von Luftblasen im Untersuchungsraum führt.
• Insbesondere ist es vorteilhaft, zur Beleuchtung mehrere gleichfarbige Leuchtdioden in einer Reihe anzuordnen. Durch die Anordnung der Leuchtdioden in einer Reihe kann eine relativ homogene Ausleuchtung des untersuchten, streifenförmigen Bereiches der Probe gewährleistet werden. Die Verwendung gleichfarbiger Leuchtdioden hat sich als überlegen gegenüber einer Weißlichtquelle erwiesen. Der Grund hierfür ist nicht abschließend geklärt, es ist jedoch möglich, daß durch die Verwendung relativ schmalbandiger Lichtquellen der Einfluß von Fremdlicht auf die Messung geringere Auswirkungen hat.
• Die Homogenität der Ausleuchtung kann weiterhin dadurch verbessert werden, daß überhalb der Reihe von Leuchtdioden eine Mattscheibe angebracht wird.
• Die Beleuchtungseinrichtung kann auch vorteilhaft dahingehend erweitert werden, daß zwei oder mehr Reihen von jeweils gleichfarbigen Leuchtdioden verwendet werden, die bei Bedarf selektiv aktiviert werden können. Bei bestimmten Aufgaben, beispielsweise der Differenzierung von roten und weißen Blutkörperchen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die optische Untersuchung zweifach bei verschiedenen Wellenlängen vorzunehmen, um aus dem Unterschied der erhaltenen digitalen Bilder Rückschlüsse zu ziehen. Während im Stand der Technik ( US-4,550,417 ) eine statische Beleuchtungseinrichtung vorgeschlagen wird, hat es sich erfindungsgemäß als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Beleuchtungseinrichtung ebenfalls an dem Halter angebracht ist. Die Beleuchtungseinrichtung befindet sich somit in jeder Phase der Messung in gleicher Position zum Linsensystem und zum Zeilensensor. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, daß alle Bereiche der Probe unter gleichen Beleuchtungsverhältnissen untersucht werden.
• Zur Bewegung des Linsensystems und des Zeilensensors über den zu untersuchenden Bereich der Oberfläche dient ein Antrieb. Der Antrieb beinhaltet einen Schrittmotor, auf dessen Achse eine Gewindestange bzw. Spindel montiert ist. Die Spindel läuft in einem Gewinde, das an der Halterung befestigt ist. Die Ausrichtung der Spindel ist in der Ruhelage der Abstandshalter vorteilhaft senkrecht zur Ebene der elastisch verbiegbaren Abstandshalter. Da jedoch mit zunehmender Auslenkung des oder der Abstandshalter eine Neigung der Halterung gegenüber der Spindel stattfindet, muß die Gewindemutter so an der Halterung befestigt werden, daß sie einerseits eine geringfügige Richtungsänderung durchführen kann, andererseits jedoch die Halterung mit möglichst geringem Spiel führt. Erreicht werden kann dies durch eine Spitzenlagerung der Gewindemutter auf einer Platte, die an der Halterung angebracht ist. Bei dieser Art der Halterung findet ebenfalls eine geringfügige Bewegung der Spindelachse im Raum statt, so daß auch eine geeignete Lagerung der Spindel bzw. des Motors notwendig ist. Im Bereich der optischen Untersuchung von Objektträgern sind die notwendigen Auslenkungen der Abstandshalter gering, so daß die Richtung der Abstandshalter und die Spindelachse nur um wenige Grad von der Senkrechten abweichen. Typischerweise beträgt die Abweichung von der Senkrechten weniger als zehn Winkelgrad. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Zeilensensor im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren bewegt.
• Um das mechanische Spiel zwischen Gewindestange und Gewindemutter beim Antrieb zu verringern, kann die Halterung über eine Feder in einer Richtung parallel zur Achse der Gewindestange vorgespannt werden. Wird die optische Auswertung in einem Bereich vorgenommen, in dem die Abstandshalter unter einer Biegespannung stehen, so kann auf eine zusätzliche Feder gegebenenfalls verzichtet werden.
• Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich, den Antrieb durch einen relativ schwachen Antriebsmotor mit einem Drehmoment zwischen 100 und 500 g·cm durchzuführen. Experimentell hat sich herausgestellt, daß bereits bei einer mechanisch sehr einfachen Spindellagerung Genauigkeiten der Schrittweite von 0,5 μm erreicht werden können.
• Wird eine Untersuchung von Oberflächen mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt, so werden am Zeilensensor Signale erhalten, die zur Auswertung weiterverarbeitet werden. Bei den gängigen monochromen Sensorelementen wird für jedes Sensorelement des Zeilensensors ein digitaler Wert erhalten, der einen Grauwert repräsentiert. Aufgrund der Grauwerte ist eine Auswertung möglich, die in ihrer Genauigkeit gegenüber der Auflösung einzelner Sensorelemente gesteigert ist.
• Die Auswertung der beim Abrastern der Oberfläche erhaltenen Sensorsignale kann in bekannter Weise durch einen Computer vorgenommen werden. Zur Steigerung der Genauigkeit der Auswertung und zur Erhöhung ihrer Richtigkeit, ist es vorteilhaft, mit dem Zeilensensor zunächst eine Messung in einem Bereich durchzuführen, der keine Probe enthält. Durch Berücksichtigung dieser Referenzzeile können Empfindlichkeitsschwankungen von Sensorelementen sowie Inhomogenitäten in der Beleuchtung sowie des Linsensystems kompensiert werden.
• Die Auswertungsergebnisse und gegebenenfalls auch ein Bild der abgerasterten Oberfläche kann auf einem Monitor dargestellt werden. Die Initiierung der Messung kann vom Benutzer am Terminal des Computers vorgenommen werden. Die einzelnen Schritte, die der Antrieb zum Abrastern der Oberfläche vornimmt, können entweder durch eine Motorsteuerung oder über den Computer gesteuert werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen, beinhaltend
• – einen Zeilensensor, bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind,
• – ein Linsensystem zur Abbildung der Oberfläche oder eines Teiles der Oberfläche auf den Zeilensensor,
• – eine Halterung, an der das Linsensystem und der Zeilensensor befestigt sind,
• – ein Stativ, an dem die Halterung über mindestens einen Abstandshalter befestigt ist,
• – einen Antrieb, mit dem die Halterung unter Verbiegen, Verschwenken oder Verkippen des mindestens einen Abstandshalters im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors bewegt wird.
• Die genannte Vorrichtung kann beispielsweise zur Untersuchung der Oberfläche von Halbleitermaterialien, polierten Oberflächen, Geweben oder auch Hautoberflächen verwendet werden. Viele Elemente dieser Vorrichtung entsprechen in ihrer Funktion und Ausgestaltung den Elementen der Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Objektträgern. Ein Unterschied besteht darin, daß die Vorrichtung zur Untersuchung von Oberflächen nicht notwendigerweise einen Halter für einen Objektträger oder ähnliches aufweist. Zur Untersuchung der Oberfläche kann die Vorrichtung mit ihrem Stativ auf die Oberfläche aufgestellt werden. Vorzugsweise weist daher das Stativ Standelemente zur Aufstellung des Statives auf die zu untersuchende Oberfläche auf. Bei vielen der genannten Anwendungen wird es vorteilhaft sein, die zu untersuchende Oberfläche von der Oberseite zu bestrahlen und reflektiertes Licht auszuwerten. Dies ist beispielsweise mit einer an dem Stativ angebrachten Beleuchtungseinrichtung möglich. Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die Beleuchtung an der Halterung anzubringen, so daß sie beim Abrastern der Oberfläche mitbewegt wird. Soweit für diese und folgende Ausgestaltungen der Erfindung nicht genauer spezifiziert, gelten die bereits vorangehend dargelegten Beschreibungen der Komponenten und ihr beschriebenes Zusammenwirken.
• Um die beschriebene Vorrichtung einer vielfältigen Nutzung zugänglich zu machen, kann das Stativ eine Höhenverstellung besitzen. Ebenfalls ist es vorteilhaft, das Linsensystem mit einer Höhenverstellung auszustatten, um eine Fokussierung der Oberfläche vornehmen zu können.
• Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Objektträgern, beinhaltend
• – eine Halterung, an der ein Zeilensensor, ein Linsensystem und eine Beleuchtungseinrichtung befestigt sind,
• – ein Stativ, an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist,
• – einen Antrieb, mit dem die Halterung so gegenüber dem Stativ bewegt wird, daß der Abstand von Zeilensensor, Linsensystem und Beleuchtungseinrichtung zur Ebene des Objektträgers konstant bleibt.
• Wie bereits eingangs erwähnt, weist der Stand der Technik US-4,550,417 den Nachteil auf, daß der zu untersuchende Objektträger bewegt wird. Die oben genannte Apparatur vermeidet diesen Nachteil, indem die optische Anordnung aus Zeilensensor, Linsensystem und Beleuchtungseinrichtung gemeinsam über die Halterung bewegt wird. Die gemeinsame Anbringung der Komponenten an einem starren Halter gewährleistet, daß die Ausleuchtung und die sonstigen optischen Verhältnisse für jede abgerastete Zeile der zu untersuchenden Oberfläche gleich sind. Es braucht dabei nicht notwendigerweise eine Führung der Halterung über elastisch verbiegbare Abstandshalter erfolgen, sondern die Halterung kann beispielsweise auf einem kugelgelagerten Schlitten bewegt werden. Zur Erfindung gehört weiterhin ein Verfahren zur optischen Untersuchung von Objektträgern, bei dem
• – ein Objektträger in einen Objektträgerhalter eingebracht wird,
• – der Objektträger mit einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet und durch den Objektträger hindurchgetretenes Licht mit einem Linsensystem auf einen Zeilensensor abgebildet wird, wobei
• – Beleuchtungseinrichtung, Linsensystem und Zeilensensor an einer Halterung befestigt sind, die ihrerseits über mindestens einen Abstandshalter an einem Stativ befestigt ist und die Halterung über einen Antrieb unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors über die zu untersuchende Fläche des Objektträgers geschwenkt wird.
• Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert:
• 1: Schematische Darstellung der optischen Anordnung
• 2: Aufsicht auf eine Vorrichtung
• 3: Detailzeichnung des Antriebs
• 4: Objektträger mit Darstellung des untersuchten Oberflächenbereiches
• 5: Perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit Antrieb und Auswertung In 1 ist die Anordnung der einzelnen optischen Elemente schematisch dargestellt. Ein Objektträger (1) befindet sich in einer Objektträgerhalterung, die auf einem Stativ (2) befestigt ist. Auf der Halterung (7) sind ein Zeilensensor (3), ein Linsensystem (4) sowie eine Anordnung von Leuchtdioden (5) befestigt. Die Leuchtdioden (5) sind von einer gewölbten Mattscheibe (6) abgedeckt. Die Leuchtdioden weisen eine Wellenlänge von 592 nm (amber) auf. Das von Ihnen ausgehende Licht beleuchtet nach Durchgang durch die Mattscheibe den Objektträger (1) von der Unterseite und transmittiertes Licht wird durch das Linsensystem (4) auf den Zeilensensor (3) abgebildet. Das Linsensystem besteht aus einer Anordnung von 3 Zylinderlinsen, die einen Vergrößerungsfaktor von 2,97 erzielen. Mit der Linsenanordnung wird eine 3,7 μm breite und 10 mm lange Zeile der Probe auf den 11 μm breiten und 29,7 mm langen Zeilensensor abgebildet. Der Zeilensensor ist ein CCD-Sensor mit 2700 Pixeln mit einer Größe von 11 × 11 μm. Seine maximale Empfindlichkeit liegt bei einer Wellenlänge von 550 nm.
• 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Vorrichtung. Die gesamte Anordnung ist auf einer Grundplatte (10) montiert. Das Stativ (2) ist fest mit der Grundplatte (10) verbunden. Am Stativ sind 2 Metallplatten (8) aus Chromstahl einer Dicke von 0,05 mm befestigt. Die Metallplatten (8) sind die elastisch verbiegbaren Abstandshalter. Sie sind in ihrem Mittelbereich durch aufgeschraubte Verstärkungselemente (9) unterstützt. Durch die Abstandshalter (8) ist die Halterung (7) mit dem Stativ (2) verbunden. In der dargestellten Aufsicht ist erkennbar, daß sich an der Halterung (7) der Zeilensensor (3) befindet. An der dem Zeilensensor (3) abgewandten Seite der Halterung (7) befindet sich eine Halteplatte (16), die rechtwinklig an der Halterung angesetzt ist. An der Halteplatte (16) ist über eine Spitzenlagerung die Platte (15), enthaltend eine Gewindemutter, befestigt. In der Gewindemutter läuft die Gewindestänge (14), die über den Schrittmotor (12) angetrieben wird. Der Schrittmotor (12) ist über eine Spitzenlagerung (13) an dem Motorstativ (11) befestigt, das fest mit der Grundplatte (10) verbunden ist. Zur Gewährleistung der gewünschten hohen Genauigkeit der Anordnung wird ein Gewindespiel zwischen Gewindemutter und Gewindestange (14) ausgeglichen, indem der Halterung (7) über die Feder (17) und die Federhalterung (18) eine Vorspannung gegeben wird. Die Feder (17) befindet sich zwischen dem Motorstativ (11) und der Federhalterung (18) und zieht die Halterung (7) in Richtung des Motors.
• Bei der dargestellten Anordnung weisen die Abstandshalter (8) eine Breite von 6 cm auf. Die Breite der Halterung beträgt 5 cm, so daß die optische Anordnung die Form eines Turmes mit annähernd quadratischer Grundfläche aufweist. Ln konkreten Fall wurde für die Gewindestange (14) ein Feingewinde M3 × 0,35 mm gewählt. Der verwendete Motor hat ein Drehmoment von 250 g × cm und eine Vollumdrehung ist in 96 Einzelschritte aufgeteilt. Pro Schritt des Schrittmotors ergibt sich damit ein Weg von ca. 3,7 μm.
• 3 zeigt eine Detailansicht des Antriebs. Der Motor (12) ist über Schrauben (19), die federgelagert sind, mit dem Motorstativ (11) verbunden. Die Schrauben (13) dienen zur Spitzenlagerung des Motors. Die Gewindestange (14) Läuft in einer Gewindemutter, die sich in der Platte (15) befindet. Die Platte (15) ist über federgelagerte Schrauben mit der Halteplatte (16) verbunden. Auch die Platte (15) ist über Schrauben (13) spitzengelagert.
• 4 zeigt einen Objektträger (1) mit einer Auswertekammer (20) in Aufsicht. Die Fläche (21) zeigt schematisch die Form der durch die Vorrichtung abgescannten Fläche der Auswertekammer. Es ist zu erkennen, daß der Sensor eine scheibenwischerartige Bewegung ausführt und dabei eine entsprechende Fläche abscannt. Im konkret realisierten Fall ist die gescannte Fläche 10 × 10 mm.
• 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Untersuchung von Objektträgern. Der Objektträger (1) wird durch eine Ausnehmung im Stativ (2) in einen Objektträgerhalter (nicht dargestellt) eingeschoben. An dem Stativ sind seitlich die Abstandshalter (8) angebracht. Der Abstandshalter wird durch ein Verstärkungselement (9) unterstützt. Die Abstandshalter (8) tragen die Halterung (7), an der der Zeilensensor (3) befestigt ist. Signale, die der Zeilensensor (3) liefert, werden nach Umwandlung in digitale Werte über eine Datenleitung an die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung (23) weitergeleitet. Ergebnisse der Auswertung oder auch eine Darstellung der gescannten Oberfläche werden von der Datenverarbeitungseinrichtung (23) auf einem Monitor (24) dargestellt. Optional besitzt die Datenverarbeitungseinrichtung eine Verbindung zur Motorsteuerung (22).

1

Objektträger

2

Stativ

3

Zeilensensor

4

Linsensystem

5

Leuchtdiode

6

Mattscheibe

7

Halterung

8

Abstandshalter

9

Verstärkungselement

10

Grundplatte

11

Motorstativ

12

Motor

13

Spitzenlager

14

Gewindestange

15

Platte mit Gewindemutter

16

Halteplatte

17

Feder

18

Federhalterung

19

federgelagerte Schraube

20

Meßkammer

21

Untersuchungszone

22

Motorsteuerung

23

Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung

24

Monitor

Claims (17)

1. Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektträgers (1), beinhaltend a) ein Stativ (2), an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist, b) eine Halterung (7), die über mindestens einen beweglichen Abstandshalter (8) an dem Stativ (2) befestigt ist, c) einen an der Halterung (7) befestigten Zeilensensor (3), bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind, d) ein an der Halterung (7) befestigtes Linsensystem (4), das ein Bild des Objektträgers oder eines Teiles des Objektträgers auf den Zeilensensor abbildet, e) eine Beleuchtungseinrichtung (5) zur Beleuchtung des Objektträgers sowie f) einen Antrieb zur Bewegung der Halterung (7) unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters (8), dadurch gekennzeichnet, dass g) das Stativ (2) raumfest gegenüber der Halterung (7) ausgeführt ist und h) die Halterung (7) zur optischen Untersuchung des Objekts über den Objektträger oder einen Teil des Objektträgers in einer Raumrichtung bewegt wird, welche im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors (3) und parallel zur Untersuchungsebene ist.
2. Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Oberflächen, beinhaltend a) einen Zeilensensor (3), bei dem eine Vielzahl von Sensoren in einer Reihe angeordnet sind, b) ein Linsensystem (4) zur Abbildung der Oberfläche oder eines Teiles der Oberfläche auf den Zeilensensor, c) eine Halterung (7), an der das Linsensystem (4) und der Zeilensensor (3) befestigt sind, d) ein Stativ (2), an dem die Halterung (7) über mindestens einen beweglichen Abstandshalter (8) befestigt ist, e) einen Antrieb, mit dem die Halterung (7) unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen Abstandshalters (8) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass f) das Stativ (2) raumfest gegenüber der Halterung (7) ausgeführt ist und g) die Halterung (7) zur optischen Untersuchung von Oberflächen in einer Raumrichtung bewegt wird, welche im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors (3) und parallel zur Oberflächenebene ist.
3. Vorrichtung zur optischen Untersuchung von Objektträgern, beinhaltend a) eine Halterung (7), an der ein Zeilensensor (3), ein Linsensystem (4) und eine Beleuchtungseinrichtung (5) befestigt sind, b) ein Stativ (2), an dem ein Objektträgerhalter befestigt ist, c) einen Antrieb, mit dem die Halterung (7) so gegenüber dem Stativ (2) bewegt wird, daß der Abstand von Zeilensensor, Linsensystem und Beleuchtungsreinrichtung zur Ebene des Objektträgers (1) konstant bleibt dadurch gekennzeichnet, dass d) das Stativ (2) raumfest gegenüber der Halterung (7) ausgeführt ist und e) die Halterung (7) zur optischen Untersuchung des Objekts über den Objektträger oder einen Teil des Objektträgers in einer Raumrichtung bewegt wird, welche im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors (3) und parallel zur Untersuchungsebene ist.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Halterung (7) unter Verbiegung eines elastisch verbiegbaren Abstandshalters (8) bewegt wird.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die eine Beleuchtungseinrichtung (5) zur Beleuchtung der zu untersuchenden Oberfläche besitzt.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der das Stativ (2) Standelemente zur Aufstellung des Statives auf die zu untersuchende Oberfläche besitzt.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3, bei der die Beleuchtungseinrichtung (5) an der Halterung (7) befestigt ist.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 3 oder 5, bei der die Beleuchtungseinrichtung (5) mehrere in einer Reihe angeordnete, gleichfarbige Leuchtdioden besitzt.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 3 oder 5, bei der die Beleuchtungseinrichtung (5) zwei oder mehr verschiedenfarbige Leuchtdioden besitzt, die wechselweise eingeschaltet werden können.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Beleuchtungseinrichtung (5) eine Mattscheibe (3) besitzt, auf die von den Leuchtdioden ausgehendes Licht fällt, bevor es auf den Objektträger oder die Oberfläche des Objektes fällt.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3, bei der Beleuchtungseinrichtung (5), Objektträger (1) und Linsensystem (4) sowie Zeilensensor für eine Durchlichtmikroskopie angeordnet sind.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die zwei zueinander beabstandete, elastisch verbiegbare Abstandshalter (8) besitzt.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2 mit einem Antrieb, bei dem an der Halterung (7) eine Gewindemutter befestigt ist, in der eine durch einen Motor (12) angetriebene Gewindestange (14) läuft.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der sich die Gewindemutter in einer Platte (15) befindet, die mit einer Spitzen- oder Kantenlagerung an der Halterung (7) befestigt ist.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 12, bei der der elastisch verbiegbare Abstandshalter (8) eine Rückstellkraft von 5 bis 100 g/mm aufweist.
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einem Antriebsmotor (12), der ein Drehmoment zwischen 100 und 500 g·cm aufweist.
17. Verfahren zur optischen Untersuchung von Objektträgern mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem a) ein Objektträger in den Objektträgerhalter eingebracht wird, b) der Objektträger mit der Beleuchtungseinrichtung beleuchtet und durch den Objektträger hindurchgetretenes Licht mit dem Linsensystem auf den Zeilensensor abgebildet wird, wobei c) Beleuchtungseinrichtung, Linsensystem und Zeilensensor, die an der Halterung befestigt sind, über einen Antrieb unter Verbiegen, Verkippen oder Verschwenken des mindestens einen beweglichen Abstandshalters im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors über die zu untersuchende Fläche des Objektträgers geschwenkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass d) der Objektträgerhalter mittels eines Statives raumfest gegenüber der Halterung ausgeführt ist und e) die Halterung zur optischen Untersuchung des Objekts über den Objektträger oder einen Teil des Objektträgers in einer Raumrichtung bewegt wird, welche im wesentlichen senkrecht zur Reihe von Sensoren des Zeilensensors und parallel zur Untersuchungsebene ist.