DE2818651A1

DE2818651A1 - Anordnung zur verwendung bei abtastmikroskopen

Info

Publication number: DE2818651A1
Application number: DE19782818651
Authority: DE
Inventors: Colin James Richard Sheppard
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1978-04-27
Publication date: 1978-11-02
Also published as: GB1595422A; US4198571A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Abtastmikroskope.

Zu einem Abtastmikroskop gehören im wesentlichen eine Fokussiereinrichtung zum Fokussieren der Strahlung einer Strahlungsquelle auf einen zu betrachtenden Gegenstand, ein Strahlungsdetektor sowie eine Abtasteinrichtung zum Herbeiführen einer Relativbewegung zwischen dem Brennpunkt und dem Gegenstand. Bei einer kleineren Gruppe von Abtastmikroskopen, die im folgenden als konfokale Mikroskope bezeichnet werden, ist eine weitere Fokussiereinrichtung vorhanden, die dazu dient, von dem Gegenstand kommende Strahlung aufzunehmen und sie auf einen Detektor zu fokussieren, der in Kohärenz mit einer monochromatischen Lichtquelle arbeitet. Die Erfindung betrifft insbesondere solche konfokalen Mikroskope. Bei der Strahlung kann es sich w:fe bei einem optischen Mikroskop um elektromagnetische Strahlung handeln, oder man kann einen Elektronenstrahl oder akustische Strahlung verwenden.

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Zu einem erfindungsgemäßen Äbtastmikroskop gehören eine erste und eine zweite Fokussiereinrichtung, die konfokal ausgebildet sind, wobei mindestens eine Fokussiereinrichtung ringförmig ist, eine Detektoreinrichtung für kohärente Strahlung zum Aufnehmen von Strahlung von der zweiten Fokussiereinrichtung sowie eine Abtasteinrichtung zum Herbeiführen einer Relativbewegung in der Brennebene zwischen dem zu betrachtenden Gegenstand und dem Brennpunkt.

Bei dem Mikroskop kann es sich um ein optisches Mikroskop handeln, und zwar entweder um ein Reflexionsmikroskop oder ein Durchsichtsmikroskop, und zu jeder Fokussiereinrichtung können eine oder mehrere Linsen oder ein oder mehrere Spiegel gehören. Die ringförmige Fokussiereinrichtung kann, eine oder mehrere Linsen oder einen oder mehrere Spiegel aufweisen, und es kann ein in einem kleinen Abstand davon angeordneter undurchsichtiger Schirm vorhanden sein, der mit einer ringförmigen Öffnung versehen ist. Ferner braucht der Ring nicht völlig durchsichtig zu sein, sondern sein Durchsichtigkeitsgrad kann in Richtung der Breite des Rings variieren; diese Änderung kann z.B. einer Gaußschen Kurve entsprechen. Alternativ kann man eine Fokussiereinrichtung in Verbindung mit einer Einrichtung verwenden, die es ermöglicht, einen vollen Strahl in einen ringförmigen Strahl zu verwandeln.

Gewöhnlich ist ferner eine Quelle für monochromatische Strahlung, z.B. ein Laser, vorhanden, die in Verbindung mit einem Strahlenspreizer benutzt werden kann.

In einem Artikel im Journal of the Optical Society of America, 1960, Bd. 50, S. 749, deutet W.T. Welford an, daß die Verwendung einer Linse in Form eines schmalen Rings bei einem optischen Mikroskop der üblichen Art bei größeren Gegenständen zu einemsehr geringen Kontrast führt. Ähnliche Ergebnisse würden zu erwarten sein, wenn bei vielen der bekannten opti-

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sehen Abtastmikroskope eine ringförmige Linse verwendet würde, doch wird angenommen, daß bis jetzt noch nicht erkannt worden ist, daß sich bei einem konfokalen Abtastmikroskop eine ringförmige Fokussiereinrichtung auf vorteilhafte Weise verwenden läßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Abtastmikroskops der Durchsichtbauart;

Fig. 2 in einer graphischen Darstellung die Intensitätsverteilung im Bereich des Brennpunktes einer ringförmigen Linse für zwei verschiedene Bedingungen;

Fig. 3 in einer graphischen Darstellung die Veränderung der normalisierten Intensität bei einem normalisierten Abstand von der Brennebene von 2,5ii/(1-c );

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines optischen Abtastmikroskops der Durchsichtbauart;

Fig. 5 eine AusfUhrungsform der Erfindung mit einer abgeänderten ringförmigen Fokussiereinrichtung;

Fig. 6 eine Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 1, die für die Dunkelfeldbetrachtung geeignet ist; und

Fig. 7 eine weitere Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 erzeugt eine Einrichtung 10 mit einem Helium-Neon-Laser und einem Strahlenspreizer einen parallel gerichteten Strahl 12, der durch einen undurchsichtigen Schirm 14 geleitet wird, welcher eine öffnung in Form eines sehr schmalen Rings aufweist und in einem kleinen Abstand

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von einer konvexen Linse 16 angeordnet ist; hierbei bilden die ringförmige Öffnung und die Linse zusammen eine ringförmige Linse 18. Gemäß Fig. 1 erzeugt die Linse 18 einen konvergierenden ringförmigen Strahl 20. Im Brennpunkt des Strahls 20 wird ein Gegenstand 22 angeordnet, der in zwei im rechten Winkel zur Achse des einfallenden Strahls verlaufenden Richtungen abgetastet werden kann, wie es in Fig. 1 durch die sich kreuzenden Doppelpfeile angedeutet ist. Ein von dem Gegenstand durchgelassener divergenter ringförmiger Strahl durchläuft eine weitere Linse 24, die konfokal mit der ringförmigen Linse 18 angeordnet ist; danach fällt der Strahl durch eine feine Öffnung eines Schirms 26, um zu einem intensitätsempfindlichen Detektor, z.B. einem Photovervielfacher 28, zu gelangen. Die durch den Photovervielfacher gefühlte Lichtintensität wird verwendet, um eine Helligkeitsmodulation einer Kathodenstrahlröhre 29 herbeizuführen, die synchron mit der Bewegung des Gegenstandes 22 abgetastet wird, so daß ein Bild des Gegenstandes aufgebaut wird.

Bei einer Linse mit einer ringförmigen Öffnung, die durch zwei konzentrische Kreise mit den Radien a und 6a abgegrenzt wird, lassen sich normalisierte Koordinaten u und ν wie folgt aufstellen:

u = k(a/f)²z; ν = k(a/f)r (1)

Hierin ist k = 2ιτ/λ, und f bezeichnet die Brennweite, ζ den axialen Abstand vom Brennpunkt und r den radialen Abstand von der Achse.

Für die Änderung der Intensität in der Brennebene gilt die folgende Gleichung:

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Hierin bezeichnet I_Q die Intensität am Brennpunkt und J₁ eine Bessel-Funktion erster Ordnung.

Nähert sich ε dem Wert 0, erhält man die Airy-Scheibe

4J-Av)I

Wenn sich dagegen ε dem Wert 1 nähert und der Ring zu einer 8-Kreisfunktion wird, ergibt sich die Intensität aus der folgenden Gleichung:

I(v) a J₀^v)I₀ W

Hierin bezeichnet J_Q eine Bessel-Funktion der Ordnung Null.

Diese beiden Verteilungen sind in Fig. 2 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der normalisierte Radius des ersten dunklen Rings bei dem schmalen Ring im Vergleich zu der kreisrunden Öffnung verkleinert wird. Jedoch wird die maximale Intensität des ersten Seitenbandes erhöht.

Die Intensitätsverteilung längs der Achse der ringförmigen Linse ist durch E.H. Linfoot und E. Wolf in den Proceedings of the Physical Society, B66, 1953, S. 145, wie folgt angegeben worden:

Es ist ersichtlich, daß die axiale Verteilung um den Faktor 1/(1-6 ) bei der ringförmigen Öffnung gespreizt wird, und daß dann, wenn die Tiefenschärfe durch den Abstand von der Brennebene ausgedrückt wird, bei dem die Intensität um einen bestimmten Faktor verringert wird, die Tiefenschärfe zunimmt.

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Die graphischen Darstellungen der Intensitätsverteilung im Bereich des Brennpunktes, die von Linfoot und Wolf berechnet wurden, zeigen einen rohrförmigen Aufbau, wobei die Länge zu 1/(1-6 ) proportional ist. Eine alternative Definition der Tiefenschärfe beruht auf dem Abstand von der Brennebene, bei dem die Breite der Intensitätsverteilung um einen gewissen Betrag verringert wird. Eine genauere Untersuchung der Ergebnisse von Linfoot und Wolf zeigt, daß hierbei die Tiefenschärfe über den Faktor 1/(1-er)verbessert wird, da bei der ringförmigen Öffnung die "Flügel" des sich bei der vollen Öffnung ergebenden Musters fehlen. Fig. 3 zeigt die Veränderung der normalisierten Intensität für den Fall, daß der Abstand von der Brennebene dem Ausdruck 2,5*ϊγ/(1-& ) entspricht, d.h. wenn die Intensität auf der optischen Achse etwa gleich dem 0,2-fachen der Intensität im Brennpunkt ist. Dies zeigt, daß das erste Seitenband jetzt bei der ringförmigen Linse tiefer liegt, und daß das erste Minimum kleiner und außerdem der Achse näher benachbart ist.

Es hat sich gezeigt, daß bei dem optischen Mikroskop nach Fig. 1 die Auflösung durch die ringförmige Linse 18 verbessert wird. Die Berechnungen von Linfoot und Wolf gelten nur bei einem hinreichend kleinen Abstand von der Brennebene, bei dem u/4irim Vergleich zu 1 nicht zu groß wird. Ferner können bei ringförmigen Linsen die Aberrationen außerhalb der Achse vergrößert werden, doch wird die sphärische Aberration um den Faktor 1/(1-ε ) verringert.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 dient eine Einrichtung 30 mit einem Laser und einem Strahlenspreizer dazu, einen Gegenstand 32 durch eine ringförmige Linse 34 zu beleuchten, wie es auch bei der Anordnung nach Fig. 1 geschieht, doch wird bei der Anordnung nach Fig. 4 der ringförmige Strahl 36 durch den Gegenstand geleitet und von einer ringförmigen Sammellinse 38 aufgenommen, zu der eine Linse 40 und ein in einem kleinen Abstand davon angeordneter undurchsichtiger Schirm 42

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gehören. Der die ringförmige Sammellinse 38 durchlaufende
ringförmige Strahl wird auf einem amplitudenempfindlichen
Detektor 44 fokussiert, um nachgewiesen und mittels einer
Kathodenstrahlröhre 46 dargestellt zu werden. Da der Detektor eine ebene empfindliche Fläche besitzt, wird der Strahl nicht in einem Brennpunkt zusammengefaßt, sondern als ebene Welle fokussiert.

Der amplitudenempfindliche Detektor läßt sich leicht so ausbilden, daß er für akustische Strahlung empfindlich ist,
doch kann es bei optischer Strahlung erforderlich sein, ein Überlagerungsverfahren anzuwenden.

Bei dieser Anordnung hat es sich gezeigt, daß sich die Tiefenschärfe des Mikroskops verbessert, wenn man sie als eine
Veränderung der Intensität oder der Auflösung betrachtet.
Die ringförmigen Linsen müssen genau aufeinander ausgerichtet sein, doch brauchen sie nicht die gleiche Größe zu haben; in der Praxis kann sich sogar der Kontrast verbessern, wenn sich die Ringe bezüglich ihrer Größe etwas unterscheiden,
und bei manchen Formen von Gegenständen kann sich auch eine Verbesserung der Auflösung ergeben.

Bei gleichwertigen Anordnungen, bei denen Linsen bekannter Art verwendet werden, ist es erforderlich, beide Linsen des Mikroskops genau auf den Gegenstand zu fokussieren. Diese
Bedingung gilt dagegen für keine der erfindungsgemäßen Anordnungen, denn ringförmige Linsen haben eine große Tiefenschärfe,

Bei einem sehr kleinen Ring läßt sich ein hoher Energieverlust entsprechend dem Faktor 1/(1-e ) nicht vermeiden, doch ermöglicht die Verwendung einer hinreichend leistungsfähigen Quelle für kohärente Strahlung, z. B. eines Lasers, die Erzielung brauchbarer Ergebnisses. Je kleiner die verwendeten Ringe sind, desto größer wird der Energieverlust, doch ergibt sich eine um so größere Verbesserung der Tiefenschärfe. Man

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könnte den Energieverlust dadurch verringern, daß man das Mikroskop mit einem ringförmigen Strahl beleuchtet. Eine solche Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt; diese Anordnung ähnelt derjenigen nach Fig. 1, und daher sind einander entsprechende Teile jeweils mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist der Schirm 14 nach Fig. 1 durch eine Einrichtung 47 ersetzt, mittels welcher der eintretende parallelgerichtete Laserstrahl in einen ringförmigen Strahl verwandelt wird, wobei die Einrichtung 47 zusammen mit der Linse 16 die ringförmige Fokussiereinrichtung 48 bildet.

Ein optisches Abtastmikroskop nach der Erfindung kann sämtliche Vorteile eines optischen Abtastmikroskops bekannter Art aufweisen, z.B. einen breiten Wellenlängenbereich, die Möglichkeit, den Kontrast oder die Vergrößerung auf elektronischem Wege zu verändern, die Aufzeichnung von Phaseninformationen, die Wahlmöglichkeit bezüglich einer Darstellungseinrichtung oder einer Bildspeichereinrichtung usw.

Ein erfindungsgemäßes Abtastmikroskop läßt sich auch zur Dunkelfeldbetrachtung verwenden, wobei der Detektor nur gebeugtes Licht aufnimmt. Fig. 6 zeigt eine entsprediend abgeänderte Anordnung nach Fig. 1. Der Ring 53 des Schirms 54 hat einen etwas größeren Kleinstdurchmesser als die andere Linse 56. Wie bei Mikroskopen bekannter Art ermöglicht es die Anordnung nach Fig. 6, kleine Veränderungen eines starken Signals nachzuweisen. Wenn man die Größe der Änderung mit χ bezeichnet, ist bei einem Mikroskop bekannter Art die Veränderung des Bildes zu χ proportional, und diese Änderung kann sehr gering sein; bei einem erfindungsgemäßen Abtastmikroskop mit einem Amplitudendetektor nach Fig. 4 ist die Änderung zu χ proportional, und ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Änderung linear ist. Bei den Anordnungen nach Fig. 1, 5 und 6 mit einem intensitätsempfindlichen Detektor kann man

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ein lineares Ansprechen dadurch erreichen,daß man die Quadratwurzel des Signals gewinnt.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Phasenkontrastverfahren angewendet wird. Diese Anordnung ähnelt weitgehend derjenigen nach Fig. 1, doch ist nahe der Linse 24 eine Zernike-Phasenplatte angeordnet, die sich auch auf der entgegengesetzten Seite dieser Linse befinden könnte; die Platte bewirkt eine Phasenänderung um λ/4 bei der Strahlung, die durch den schraffierten äußeren Ring fällt, doch tritt im mittleren Bereich keine Phasenänderung ein. Die relativen Amplitudendurchlässigkeitswerte des Rings und des mitti ren Bereichs werden so gewählt, daß sich an dem intensitätsempfinldichen Detektor 28 der optimale Kontrast ergibt. Bei dieser Anordnung kann mit Phasenänderungen bei dem Gegenstand gearbeitet werden. Bei dem Detektor könnte es sich auch um einen amplitudenempfindlichen Detektor handeln.

Es sei bemerkt, daß die vorstehend beschriebenen Anordnungen weitgehend untereinander austauschbar sind; beispielsweise kann man die Anordnung mit zwei ringförmigen Linsen in Verbindung mit einem Punktdetektor benutzen; alternativ ist eine Benutzung einer Anordnung mit einer ringförmigen Linse in Verbindung mit einem amplitudenempfindlichen Detektor möglich. Ferner können die ringförmigen Öffnungen jeweils auf der entgegengesetzten Seite der betreffenden Linse angeordnet sein, und eine Dunkelfeldbetrachtung ist bei jeder der beiden Anordnungen mit ringförmigen Fokussiereinrichtungen möglich.

Der Patentanwalt

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Anordnung zur Verwendung bei einem Abtastmikroskop mit einer ersten und einer zweiten Fokussiereinrichtung, die konfokal angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Fokussiereinrichtung 18 ringförmig ist, daß ein Detektor (28) für kohärente Strahlung so angeordnet ist, daß er Strahlung von einer der Fokussiereinrichtungen aufnimmt, und daß eine Abtasteinrichtung vorhanden ist, die dazu dient, in der Brennebene eine Relativbewegung eines zu betrachtenden Gegenstandes gegenüber dem Brennpunkt herbeizuführen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der ringförmigen Fokussiereinrichtung eine Fokussiervorrichtung (16) und ein in einem kleinen Abstand davon angeordneter undurchsichtiger Schirm (14) mit einer ringförmigen Öffnung gehören.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transparenz der ringförmigen Öffnung in Richtung der Ringbreite variiert.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der ringförmigen Fokussiereinrichtung eine Vorrichtung (47) zum Verwandeln eines vollen Strahls in einen ringförmigen Strahl und eine in einem kleinen Abstand davon angeordnete

ORIGINAL INSPECTED

Fokussiervorrichtung (16) gehören.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zernike-Phasenplatte (58) nahe der Fokussiervorrichtung angeordnet ist, von der aus die Strahlung zu dem Strahlungsdetektor (28) gelangt.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Fokussiervorrichtung (53) ringförmig ist, daß der kleinste Durchmesser des Rings größer ist als der Durchmesser der anderen Fokussiervorrichtung (56), und daß dem Strahlungsdetektor (28) Strahlung von der anderen Fokussiervorrichtung aus zugeführt wird.

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