光学显微镜和用于利用光学显微镜记录图像的方法

光学显微镜和用于利用光学显微镜记录图像的方法
【专利摘要】本发明涉及一种光学显微镜，其具有用于向试样方向发射出照射光的多色光源、用于将照射光聚焦到试样上的聚焦器件和探测装置，其中，聚焦器件具有纵向色差以产生深度分辨率；探测装置包括二维阵列的探测元件，用以检测来自试样的试样光。根据本发明，光学显微镜的特征在于，为了既检测试样光的共焦部分又检测试样光的非共焦部分，从试样到探测装置的光学路径中没有用于完全滤除非共焦部分的元件。此外，本发明还涉及一种用于利用光学显微镜记录图像的方法。
【专利说明】光学显微镜和用于利用光学显微镜记录图像的方法

【技术领域】
[0001] 一方面，本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的光学显微镜。
[0002] 另一方面，本发明涉及一种根据权利要求16的前序部分的用于利用光学显微镜 记录图像的方法。

【背景技术】
[0003] 针对技术表面的特征化，并且尤其是针对粗糙度测量值和形貌的推导，当今使用 共焦的显微术作为标准方法。该方法例如在M. Rahlwes，J. Seewig的"技术表面的光学测量 (Optisches Messen technischer Oberfl^ichen )"，Beuth 出版社，柏林，2009 中进行了描 述。
[0004] 在很多共焦系统中，对试样的扫描在此在所有三个空间方向上进行，也就是说，一 方面涉及点扫描系统，其中，光束在试样上沿χ/y方向进行引导。为了推导出高度信息，另 一方面需要试样相对于探测器单元进行运动，也即是沿Z方向运动。对于每个χ-y位置来 说都可以由依赖于Z位置的强度最大值推导出高度信息以及进而形貌。在该方法中，一方 面不利的是由于针对3D形貌的扫描所需要的长时间。另一方面，精度即高度测量的精确度 强烈地依赖于试样表面相对于探测器单元的调节精确度，并且因此始终是有限的。换而言 之，高精度需要高精确且昂贵的例如基于压电的机械调节元件。
[0005] 为了避开χ-y扫描的缺点，已经长时间地存在有共焦的宽视场系统，在这些共焦 的宽视场系统中通常使用面扫描摄像机，并且这些共焦的宽视场系统因此具有高度的并行 化。对此的示例是同样由Rahlwes和Seewig所描述的利用尼普科夫盘（Nipkow-Scheibe) 的旋转盘方法。在此，多个点同时根据共焦原理被探测。代替尼普科夫盘，原则上也可以使 用可快速切换的微显示器。此外，多行扫描可以利用数字共焦探测来执行。所有这些系统都 真正共焦地工作，也就是说，基本上仅来自激发焦点（Anregungsfokus)的光被检测。由此 导致了所使用的设备和方法的一定程度的复杂性。此外，基于所使用的固定的元件，即尤其 是具有给定的像素大小的微显示器或者具有给定的孔大小的尼普科夫盘，就不同的图像场 大小和与之相关地不同的z敏感度而言，技术不太灵活。此外，像在点扫描的系统中那样， 在此也需要在z方向上对试样进行扫描。
[0006] 而在复杂性和灵活性方面，基于结构化的照射的共焦宽视场系统提供了优点。在 此，针对每个z值，由已经利用例如通过光栅提供的结构化的照射所记录的图像计算出共 焦的截面图像。通常，在此也可以得到宽视场图像。在探测中不需要针孔光圈（Lochblende) 系统。例如，具有不同的相位位置的照射光栅可以成像到试样上。因为强度调制依赖于相 位位置地仅针对焦点的图像部分存在，所以由此可以计算出光学截面图像。对于技术表面 的测量来说，该方法例如在Vogel等人，Pwroc. DGaO 2011，第36页中进行了研究。例如在 DE 10 2007 018 048 A1中描述的类似的方式在照射时仅使用两个光栅相位。在同样也相 关的方法中使用连续改变的结构化的照射，并且光学截面图像由两个并行地记录的图像计 算出，在这两个图像中，一个图像包含非焦点部分和焦点部分，而另一图像仅包含非焦点部 分。该基于结构化的照射的方法的优点是，在得到共焦图像的同时还可以得到宽视场图像。 但存在如下问题：必须相对于探测器沿Z方向对试样进行扫描。
[0007] 特别地利用结构化的照射来实施共焦的截面图像产生在Mitic，光学快报 (Optical Letters) 28,698 (2003)中进行了描述。在此，除了可运动的光栅之外还使用了所 谓的智能像素探测器阵列（Smart Pixel Detector Array),其允许直接在探测器平面上实 时提取时间调制的信号部分以及进而焦点的信号部分。
[0008] 结构化的照射的其他特别的实施方案在Wicker等人，光学杂志（Journal of Optics) 12,084010 (2010)和 Krzewina 等人，光学快报（Optical Letters) 31，477 (2006)中 进行了描述。
[0009] 在此，不同的光栅相位借助偏振编码或彩色编码近似并行地施加到试样上，这尤 其是带来了速度优点。
[0010] 还存在其他可以产生光学截面图像的宽视场方法。在此，一方面不得不提到所谓 的聚焦变化（Fokus-Variation)，其中，图像清晰度依赖于Z坐标地进行评估，以便由此与 共焦情况类似地计算出最大值。因此，也考虑到空间信息。类似归类的有在Mertz等人，生 物统计光学杂志（Journal of Biometrical Optics) 15,016027 (2010)中所描述的方法，其 中，宽视场图像在结构化和没有结构化的情况下被记录，以便由此通过精通地使用空间带 通滤波器来得到光学截面图像。结构化在此也可以基于所谓的散斑图样。
[0011] 另一方面，所谓的彩色共焦原理也已经证明是有利的，以便避免沿Z方向的扫描。 在此，通常使用多色光源，其通过彩色作用的折射或衍射的元件照射感兴趣的试样，由此Z 信息被光谱编码。如果在此在探测时在共焦的针孔光圈之后测量光谱，那么由此可以推导 出高度信息。使用可调谐的光源连同顺序的共焦的探测也是可行的，由此同样得到光谱。在 大多数情况下，商业传感器是始终具有缺少χ-y并行化的缺点的点探测器。针孔光圈阵列 的彩色多焦点的布置例如在DE 10 2007 019 267 A1中进行了描述。但焦点仅覆盖部分图 像场，因此还需要扫描运动。此外，存在有例如在Lin等人，应用光学（Applied Optics) 37， 6764(1998)中所描述的行扫描系统和基于尼普科夫盘的例如参见Tiziani等人，光学工程 (Opt. Eng.) 39, 32 (2000)的扫描系统。但后者迄今为止始终利用彩色摄像机系统来实现， 这些彩色摄像机系统仅能够实现有限的高度分辨率，并且此外在彩色对象的情况下还具有 困难，这是因为在此会导致高度信息和颜色信息或光谱反射度的重叠。在此，多焦点的彩色 系统借助DMD(数字微镜设备，Digital Micromirror Device)来实现的方式是令人感兴趣 的。在此使用可调谐的钛蓝宝石激光器，利用该钛蓝宝石激光器执行彩色的高度扫描。由 此，与DMD的切换相结合地实现了如下结构，其能够实现高精确度的3D形貌数据，而无需任 何机械的运动元件。但在此通过DMD可能会产生图像伪影，并且DMD的切换速度通常是有 限的。同样也无法并行地得到宽视场图像。
[0012] 彩色共焦点传感器的改进方案是所谓的彩色共焦光谱干涉，其例如在 Papastathopoulos 等人，应用光学（Applied 0ptics)45,8244(2006)中进行了描述。在此， 除了彩色共焦度之外还实现干涉仪结构。这种结构也可以被视为具有扩展的景深的白光干 涉仪。除了光谱最大值之外，在此也可以评估光谱相位，在该光谱相位中同样包含有高度信 肩、。
[0013] 在上面已经提及的是，彩色共焦宽视场方法迄今为止基本上在使用可调谐的光源 或彩色摄像机的情况下来实现。针对具有高分辨率的光谱宽视场图像生成同时还存在多种 方式。例如存在有FFT光谱仪系统（FFT=快速傅立叶变换），其中，光谱由在干涉仪结构中 的路径长度改变和随后的傅立叶分析推导出。此外，还存在有"图像切片光谱仪"的技术， 其中，各图像部分相互错开地成像在大的面传感器上，从而产生空隙，这些空隙可以被用于 借助接在前面的色散元件来获取光谱信息。在结构化照射的意义上也已经存在关于将这种 光谱仪与3D图像生成相结合的现有技术。
[0014] 此外，还使用了 3D布拉格光栅，以便通过顺序记录单色图像得到具有高的空间分 辨率和光谱分辨率的超光谱记录。
[0015] 这些技术与彩色共焦宽视场系统的结合迄今为止是没有公开的。
[0016] 在这种光学显微镜中存在有用于向试样方向发射出照射光的多色光源和用于将 照射光聚焦至试样上的聚焦器件，其中，为了产生深度分辨率，聚焦器件具有纵向色差。这 种光学显微镜此外还包括探测装置，其具有二维阵列的探测元件，用以检测来自试样的试 样光。
[0017] 在这种利用光学显微镜来记录图像的方法中规定，利用多色光源向试样方向发出 照射光，从而利用聚焦器件使照射光聚焦至试样上，其中，通过聚焦器件的纵向色差来实现 深度分辨，并且利用包括二维阵列的探测元件的探测装置检测来自试样的试样光。
[0018] 在公知的光学显微镜和方法的情况下不利的是，仅利用了一部分可以通过由光源 辐射至试样的照射光获取到的信息。


【发明内容】

[0019] 本发明的任务是提供一种光学显微镜，其能够实现对关于微小试样的附加信息的 测量。此外，应该说明一种用于利用光学显微镜记录图像的方法，利用该光学显微镜可以获 取关于微小试样的附加信息。
[0020] 该任务通过具有权利要求1的特征的光学显微镜和通过具有权利要求16的特征 的方法来解决。
[0021] 根据本发明的光学显微镜的有利的设计方案和根据本发明的方法的优选的变型 方案是从属权利要求的主题，并且此外在随后的描述中，尤其是结合图来描述。
[0022] 在上面提到类型的光学显微镜中根据本发明规定，为了既检测试样光的共焦部分 又检测试样光的非共焦部分，从试样至探测装置的光学路径中没有用于完全滤除非共焦部 分的元件。
[0023] 在上面提到类型的方法中，根据本发明，将试样光的共焦部分和非共焦部分都引 导至探测装置。
[0024] 本发明的核心思想是，试样光的在共焦显微镜中根据现有技术被滤除的非共焦部 分至少部分利用探测装置进行检测。试样光的共焦部分应该理解为来自照射光在试样中或 上的焦点平面的部分。该平面可以垂直于光学显微镜的光轴地限定。
[0025] 试样光的非共焦部分相应地应该理解为试样光的来自与照射光的焦点平面不同 的平面的部分。在公知的共焦显微镜中滤除这些光部分。为此公知的是，将针孔，即具有小 的圆形的或缝隙状的穿孔的光圈布置在与所研究的试样平面共轭的平面上。代替针孔，为 此也可以使用结构化的元件。与此不同，根据本发明，非共焦的光部分没有或仅部分被滤 除。有利的是，由此可以由检测到的试样光建立起试样的宽视场图像。在本发明的意义中， 宽视场图像可以理解为如下图像，针对该图像不仅利用来自照射光的焦点平面的试样光， 而且也利用来自照射光的焦点平面之外的区域的试样光。此外，还可以存在有适用于建立 试样的共焦图像的器件，其中，仅表现出试样光的共焦部分。
[0026] 因此有利地，可以通过唯一的测量或唯一的测量系列来获取大的信息内容，尤其 不仅是共焦图像而且还有宽视场图像，其中，光学显微镜的部件的机械运动不是必需的，或 者仅在小范围内是必需的。
[0027] 照射光可以理解为朝试样辐射的任意的光。照射光可以是单色的，或者也可以包 括一个或多个波长范围。而试样光被理解为由于照射光福射到试样上而由该试样发射出的 光。因此，试样光可以是射回的，尤其是散射和/或反射的照射光。但试样光也可以通过自 发光形成，尤其是通过荧光或磷光形成。
[0028] 多色光源例如可以包括一个或多个可调谐的激光器。替选或附加地，光源还可以 包括白光源、卤素灯和/或二极管，尤其是超级发光二极管。照射光例如可以位于红外线范 围、可视波长范围或紫外线范围内。
[0029] 在根据本发明的光学显微镜的一种优选设计方案中，结构化的元件处于光源与聚 焦器件之间，用以从由光源发射出的照射光产生结构化的照射光。因此，在此聚焦器件将结 构化的照射光引导至样品上。
[0030] 结构化的元件原则上可以理解为每一种用其使试样平面上的照射光受到特定的 空间结构影响的元件。优选地，结构化的元件可以具有尼普科夫盘、微透镜阵列、光栅，尤其 是1D光栅或2D光栅、菲涅尔双棱镜或用于产生散斑图样的元件。在光栅或用于产生散斑 图样的元件的情况下，照射光适宜地包括相干部分或是完全相干的。散斑图样可以理解为 几乎随机的图样，其通过在不规则地结构化的元件上衍射的相干光波的干涉形成。
[0031] 该实施方案的主要优点是，试样的大量不同的xyz区域可以同时或在短时间内依 次被研究。因此，可以通过依赖于波长的焦点位置成像出不同的z位置。在此有利的是，扫 描运动，即试样相对于光学显微镜的物镜的移动不是必需的。此外，可以通过结构化的元件 来研究试样的不同的xy区域，而无需扫描运动。根据结构化的元件的设计方案，例如在将 光栅作为结构化的元件的情况下，不同的xy区域可以同时被成像，或者例如在将旋转的针 孔光圈或尼普科夫盘作为结构化的元件的情况下，不同的xy区域可以依次被成像。在这两 种情况下，有利的是无需相对于物镜移动试样。
[0032] 为了使试样光的非共焦部分也到达探测装置，在根据本发明的光学显微镜的一种 优选设计方案中，在结构化的兀件与试样之间存在分光镜，该分光镜对于照射光来说是可 穿透的，而对于来自试样的试样光来说是反射性的，或者反过来。由此可以阻止试样光在到 探测装置的路径上必须穿过结构化的元件。尤其是当结构化的元件的规格被确定为使其滤 除非共焦的光部分时，试样光的非共焦的部分以此方式仍然可以有利地到达探测装置。同 时，在此可以提供试样光的对于共焦显微镜来说所需的照射。例如在将尼普科夫盘作为结 构化的元件的情况下，当其开口具有小于或等于爱里盘（Airy-Scheibe)的大小时，可以滤 除试样光的非共焦的部分。在此，爱里盘是在试样上的照射光的焦点上由衍射引起的最小 的照射圆盘。
[0033] 分光镜优选是偏振分光镜，并且在偏振分光镜与试样位置之间存在有用于改变光 的偏振方向的器件，以便改变试样光的偏振方向，并且进而将试样光传导至探测装置。这些 器件例如可以利用λ/4板来形成，利用该λ/4板，射到试样上的照射光和来自试样的试样 光分别在偏振方向上被转动。结果导致偏振光和试样光在偏振分光镜上的偏振方向彼此垂 直。由此，可以有效地实现照射光和试样光的空间分离。适宜的是，在光源与偏振分光镜之 间可以存在有偏振滤波器，从而仅偏振的照射光射到偏振分光镜上并紧接着射到试样上。
[0034] 为了滤掉其偏振方向与待检测的试样光的偏振方向不一致的散射光，在偏振分光 镜与探测装置之间可以存在有另一偏振滤波器。替选或附加于偏振分光镜，在另一优选的 实施变型方案中规定，来自试样的试样光被引导穿过结构化的元件到探测器单元上，并且 结构化的元件的结构尺寸足够大，以允许试样光的非共焦部分穿过。这些结构尺寸例如可 以是尼普科夫盘的孔直径、微透镜阵列的透镜直径或光栅的周期常数。在将结构化的元件 布置在与试样平面共轭的平面中的情况下，如果这些结构尺寸大于爱里盘，优选是爱里盘 的至少两倍或三倍，那么这些结构尺寸就可以是足够大的。在此，爱里盘限定了试样上在焦 点处的照射光的横截面积。爱里盘的直径可以限定为照射光的波长除以物镜的数值孔径的 1.2 倍。
[0035] 在根据本发明的光学显微镜的另一优选设计方案中规定，结构化的元件在一侧是 被镜化处理的（verspiegelt)，其中，来自试样的试样光被引导至结构化的元件的被镜化处 理的侧上，并且在那里部分被反射且部分被透射，探测装置具有第一和第二探测器，该第一 探测器布置成用于测量来自试样并在结构化的元件上透射的试样光，并且该第二探测器布 置成用于测量来自试样并在结构化的元件上反射的试样光。在此，尤其可以规定，通过结构 化的元件实现共焦的光学路径。在该情况下，试样的共焦图像可以记录下在结构化的元件 上透射的试样光，其中，非共焦的光部分在结构化的元件上已经被滤除。而在结构化的元件 上反射的试样光在该情况下也具有非共焦部分，从而据此可以产生试样的宽视场图像。
[0036] 聚焦器件可以是物镜的一部分，或者包括物镜。为了产生依赖于波长的焦点位置， 聚焦器件在一种优选设计方案中具有折射和/或衍射作用的微透镜阵列，即二维布置的微 透镜。由于聚焦器件的纵向色差，焦点沿光轴的位置依赖于照射光的波长。因此，宽带的照 射光或具有不同的光谱部分的照射光聚焦到沿光轴的不同深度上。这能够实现记录试样在 不同深度或z值上的图像，而无需机械地调节光学显微镜的位置。利用微透镜阵列可以有 利地同时研究多个在横向于光轴的平面中彼此相邻的试样点。同样，该xy平面也可以在没 有扫描运动的情况下成像。由此实现了高程的并行化，其中，试样的大量不同的xyz区域可 以同时或仅通过运动结构化的元件来记录。
[0037] 为了通过聚焦器件的色差实现的在z方向上的特别高的分辨率，对光波长的尽可 能精确的识别和选择是期望的。为此，一方面可以通过光谱分辨的方式来检测来自试样的 试样光。另一方面，对此替选或附加地，光源的照射光的不同的光谱范围可以顺序地引导至 试样上。在一种优选的设计方案中规定，存在有用于选出照射光的能可变调节的光谱范围 的波长选择装置，以便经由聚焦器件将照射光聚焦至沿光轴的不同位置上，并且存在有用 于借助波长选择装置选出光谱范围的电子控制器件。波长选择装置优选具有棱镜、光栅、滤 色器和 / 或声光可调谐滤波器（AOTF，Acousto-Optical Tunable Filter)。
[0038] 在一种实施变型方案中实现了更短的测量时间和更少的机械运动，其中，结构化 的元件，例如光栅可以从两侧被照射，从而使结构化的元件的两个相位可以成像到试样平 面上。这是期望的，尤其是当具有结构化的元件的不同相位的多个图像被记录，并且通过利 用莫尔效应换算为具有改进的分辨率的唯一的图像时。在此规定，存在有转向装置，其用于 将照射光有选择地引导至第一或第二光路，并且结构化的元件在一侧是被镜化处理的，其 中，第一光路的照射光被引导至结构化的元件的被镜化处理的侧上，并且在结构化的元件 上向试样方向反射，其中，第二光路的照射光被引导至结构化的元件的另一侧上，并且通过 结构化的元件向试样方向透射，并且其中，透射的照射光和反射的照射光在试样上产生结 构化的元件的彼此相移的成像。
[0039] 优选的是，转向装置具有可切换的镜子，尤其是电流计镜，微镜执行器（DMD， digital micromirror device,数字微镜设备）或者微机电系统（MEMS)、声光调制器 (Α0Μ)、声光偏转器（A0D)、电光调制器（Ε0Μ)或基于偏振转动的切换单元。为了将照射光沿 第一和/或第二光路径向引导可以分别存在至少一个光导纤维。
[0040] 替选或附加于借助转向装置提供两个光路，也可以将结构化的元件移位。为此，在 根据本发明的光学显微镜的一种优选变型方案中规定，存在有用于移动和/或转动结构化 的元件的定位器件，并且存在有电子控制器件，其设置成用于在结构化的元件的不同位置 情况下利用探测装置来记录试样的图像，并且将这些图像换算为一个试样图像。优选的是， 探测装置是光谱分辨探测装置。有利地，在此可以同时检测不同波长的试样光，并且将它们 彼此区分开。由此，可以实现z分辨率的改进。
[0041] 探测装置尤其是可以是智能像素阵列探测器，即具有在芯片上的计算单元的面探 测器芯片，由此在探测器上可以直接对接收到的信号进行解调计算。为了产生探测器装置 的光谱分辨率可以存在有光谱滤波器件，尤其是声光可调谐滤波器（A0TF)、棱镜、光栅和/ 或至少一个滤色器。替选地，探测装置可以具有干涉仪。
[0042] 在根据本发明的方法的一种优选变型方案中规定，为了确定试样的高度轮廓，记 录试样在试样光的被检测的波长范围方面相互区分开的图像，确定针对每个图像的像点的 调制对比度（Modulationskontrast)，从在不同的图像中具有相同的位置的像点选择出具 有最大的调制对比度的像点，为选出的像点依赖于附属的波长范围地配属上试样的高度信 息，其中，针对其中每个不同的波长范围分别预先存储有高度信息。试样的图像在此可以记 录下结构化的元件的唯一的位置，或者可以通过换算针对结构化的元件的不同位置或不同 相位记录的多个图像计算出。调制对比度在最简单的情况下可以理解为同一图像中的相邻 的像点之间的亮度差。由于其波长被聚焦器件直接聚焦到待研究的试样表面上的照射光产 生试样的具有高调制对比度的清晰图像。而其他波长的照射光产生具有低调制对比度的模 糊图像。尤其是可以通过结构化的元件将依赖于照射光的波长地具有不同清晰度的图样成 像在试样表面上。由此，调制对比度以结构化的元件在试样表面上的成像的清晰度为基础。 因为试样表面的高度可以依赖于不同的试样区域的xy位置，所以针对图像内的多个xy区 域，优选针对每个像点进行调制对比度的确定和比较。
[0043] 在到目前为止所描述的实施方案中，z分辨率通过针对不同的波长的焦点的分裂 来实现。但附加地也可以利用照射光在试样表面上的相位，其依赖于试样与物镜的间距并 且进而依赖于试样的高度轮廓。为此，可以执行光谱干涉法。在此，已知波长的照射光被引 导至试样上。利用干涉仪，试样光被部分引导回试样上，从而试样光可以在那里发生相长干 涉。为此，必须利用干涉仪适当地调节出干涉仪参考路径的长度，这依赖于与试样表面的间 距。因此，该待调节的长度包含关于试样轮廓的信息。据此，在一种优选方法变型方案中可 以规定，利用干涉仪，尤其是林尼克干涉仪（Linnik-Interferometer)，将一部分试样光引 导至具有可调节的长度的参考路径上并紧接着引导回试样上，其中，在试样的表面上，照射 光与引导回的试样光之间的相长干涉依赖于试样的高度轮廓以及参考路径的长度，改变该 参考路径的长度，并且选出利用探测装置接收到最大信号时的长度，并且由参考路径的选 出的长度借助预先存储的值推导出试样的高度轮廓。
[0044] 为此，精确地识别检测到的光的波长是必需的。
[0045] 尤其是为了该目的，在另一优选方法变型方案中规定，为了改进光谱分辨率，不仅 通过探测装置的光谱滤波器件而且也通过光源处的波长选择装置来进行波长选择。有利 地，由此进一步改进了 z分辨率，并且干涉仪可以像上面所描述的那样有意义地被使用。 [0046] 为了建立试样的共焦图像，而不必机械地滤除非共焦的光部分，在根据本发明的 方法的一种优选变型方案中规定，为了产生共焦图像，将探测元件用作数字光圈（digitale Blende)，其中，为了建立共焦图像使用如下探测元件，位于照射光的焦点中的试样区域清 晰地成像到这些探测元件上。优选地，探测装置布置在与试样平面共轭的平面中。在此，没 有使用仅有非共焦的光部分射到其上的探测元件。替选地，这些探测元件的信息可以用于 估计在共焦的光部分成像到其上的其余探测元件上的非共焦的光部分并将其减去。在该实 施方案中，附加或地选地，试样的宽视场图像可以利用试样光的非共焦部分以及共焦部分 计算出。
[0047] 在根据本发明的方法的一种变型方案中，可以使用所谓的HiLo法 (HiLo-Verfahren)。在此规定，记录试样的第一图像，其中，为了产生结构化的照射，结构化 的元件处于光学路径中，为了研究尤其是利用结构化的照射在记录第一图像时没被照射到 的试样区域，第二图像被记录，其中，结构化的元件没处于光学路径中，并且将第一和第二 图像换算为一个试样图像。为此，将可以在使用和没有使用结构化的元件的情况下获取的 不同信息汇集在一起。
[0048] 为了确定试样的高度轮廓或者为了区分不同的测量深度可以规定，以光谱分辨的 方式来检测试样光，并且测定关于波长的清晰度函数。由此，清晰度最大的波长测定为试样 高度。这相应于聚焦变化原理并且允许特别高的深度分辨率。
[0049] 在横向于光轴的试样平面中的测量分辨率可以在一种方法变型方案中进一步得 到改进，在该方法变型方案中，对照射光和/或试样光进行偏振编码。在此规定，在试样平 面中相邻的区域中以不同偏振的照射光来辐射，或者进行依赖于位置的试样光偏振，其中， 试样光依赖于其横向于光轴的位置地受到特定的偏振的影响。于是，试样光针对不同的偏 振被单独检测，并且为检测到的试样光依赖于其偏振地配属上在试样平面内的位置信息。
[0050] 例如，照射光或试样光可以被区分为具有左旋圆偏振和右旋圆偏振。但替选地，不 同的线性偏振也可以作为区分特征来使用。为了产生偏振的照射光在试样平面中的空间结 构，附加的光学元件，例如一个或多个光栅可以布置在光学路径中。
[0051] 原则上，替代地或附加于偏振编码，分辨率改进也可以通过颜色编码来实现。在 此，照射光依赖于其波长被发射到不同的试样区域上，或者试样光依赖于其横向于光轴的 位置被过滤。于是，检测到的光的不同的波长可以配属于试样平面中的不同的xy值。针对 深度分辨，在该实施方案中，适宜地可以放弃具有纵向色差的光学器件。取而代之的地，其 他光特性，例如待检测的光的偏振可以用于深度编码。
[0052] 根据本发明的光学显微镜优选设置成用于执行根据本发明的方法和方法变型方 案。

【专利附图】

【附图说明】
[0053] 接下来参考示意性的附图对本发明的其他特征和优点进行描述。其中：
[0054] 图1示意性地示出根据本发明的光学显微镜的第一实施例；
[0055] 图2示意性地示出根据本发明的光学显微镜的第二实施例；以及
[0056] 图3示意性地示出根据本发明的光学显微镜的另一实施例的截段。
[0057] 相同的和相同作用的组成部分在图中原则上用相同的附图标记标识。

【具体实施方式】
[0058] 图1不出根据本发明的光学显微镜100的实施例。作为主要的部件，光学显微镜 100包括用于发射出照射光15的多色光源10、结构化的元件30和用于将照射光15聚焦至 试样60上的聚焦器件50,利用该结构化的元件使照射光15受到空间结构的影响。此外，光 学显微镜100包括探测装置80,利用该探测装置来检测由试样60向聚焦器件50方向发射 出的试样光16。试样光16尤其可以是在试样16上被反射和/或散射的照射光15。但原 则上，试样光16也可以是由于试样吸收了照射光而被福射出的突光或磷光。
[0059] 光源10例如可以包括一个或多个激光器、卤素灯或二极管。辐射出的照射光15可 以具有比较宽的波长范围，并且利用光学成像器件12,例如利用一个或多个透镜被引导至 波长选择装置20。波长选择装置20可以包括A0TF或一个或多个棱镜、光栅或滤色器。利 用电子控制器件90,波长选择装置20可以被运行用于顺序选出照射光15的窄带的波长范 围。
[0060] 照射光15的利用波长选择装置20选出的部分随后被引导至转向装置25。该转 向装置例如可以具有电流计镜或其他可切换的镜子。替选地，转向装置也可以包括声光偏 转器。电子控制器件90设定成用于执行转向装置25的至少两个不同的设置，其中，照射光 15有选择地转向至第一光路17或第二光路18。
[0061] 在第一光路17上，照射光15被引导至结构化的元件30的被镜化处理的侧上。为 此，在所示的实施方式中使用了光导纤维27。照射光15通过透镜26耦入光导纤维27中， 并且从光导纤维27中出来的照射光通过另一透镜28引导至分光镜29,例如半透光的镜子 上，并且由此进一步引导至结构化的元件30的被镜化处理的侧上。
[0062] 在第二光路18上，照射光利用透镜21耦入光导纤维22中，并且在该光导纤维的 另一端部上利用透镜23引导至结构化的元件30的未镜化处理的另一侧上。
[0063] 但是替代光导纤维，照射光15在两个光路上也可以仅利用镜子和/或透镜来导 弓丨。附加地也可以存在用于使照射光15偏振的偏振滤波器。
[0064] 在第二光路18上，照射光15透射穿过结构化的元件30,其中，照射光15受到结构 的影响，由此其也可被称为结构化的照射光。
[0065] 结构化的元件30处于与试样平面共轭的场平面中，从而使结构化的元件30在试 样平面上清晰地成像。
[0066] 结构化的元件30例如可以是一维或二维的光栅结构。如果两个光路17、18被顺 序地使用，那么结构化的元件30的两个相位可以依次在试样位置上成像。为了使结构化的 元件30的其他相位在试样60上成像，电子控制器件90设定成用于使结构化的元件30沿 双箭头的方向，即横向于光学显微镜100的光轴地移动和/或使结构化的元件30转动。通 过使用两个光路17、18可以有利地减小结构化的元件30的用于测量所需的位置的数量。
[0067] 通过分光镜29,第一光路17的在结构化的兀件上反射的照射光15和第二光路18 的在结构化的元件30上透射的照射光15在相同的光学路径上引导至试样60。
[0068] 在此，照射光15穿过另一光学成像器件31以及分光镜40。利用分光镜40将射到 试样60上的照射光15和来自试样60的试样光16分离。为此，分光镜40可以实施为偏振 分光镜40。在该情况下，在偏振分光镜40与试样60之间存在用于改变光的偏振方向的器 件，例如λ /4板41。通过λ /4板，照射光15的偏振方向在通向试样60的路径上被转动， 并且返回的试样光16的偏振方向被重新转动。由此，在分光镜40上，照射光15和试样光 16的偏振方向以90°相互区分开，从而可以实现有效的分离。
[0069] 为了将照射光15聚焦到试样60上，存在有聚焦器件50。该聚焦器件在此包括具 有纵向色差的衍射元件48以及物镜49。替选地，衍射元件48也可以是物镜49的组成部 分。由于纵向色差，照射光15沿光轴的焦点位置依赖于照射光15的波长。在图1中示出 试样光16的不同波长的3个不同的焦点51。
[0070] 通过单独地评估不同波长的光的方式可以研究沿光轴的不同的深度，即不同的截 面。由此可以建立起试样60的高度轮廓。在部分透光的试样中，在试样内部的研究也可以 在不同的深度中进行。
[0071] 由试样60射回的试样光16在偏振分光镜40上被引导至探测通道中，在该探测通 道中，该试样光经由偏振滤波器42和光学成像器件43到达探测装置80。通过偏振滤波器 42可以滤掉具有其他偏振方向的散射光。
[0072] 为了研究试样60中的不同的深度，照射光15的波长的调整尤其可以借助波长选 择装置20和/或利用探测装置80上的光谱滤波器来实现。电子控制器件90在此设定成 用于利用波长选择装置20和/或探测装置80上的光谱滤波器来调整待检测的光的波长， 以便由此实现对试样在ζ方向上的扫描，而无需移动试样60。
[0073] 当光源的波长范围的可调节的带宽不能以所期望的光谱分辨率来实现和/或探 测装置的光谱分辨率例如通过使用有限数量的滤色器不能实现所期望的分辨率时，引导至 试样上的照射光和利用滤波器件引导至探测装置80上的试样光的波长的顺序的改变可以 是有利的。在该情况下可以实现提高的光谱分辨率，其方式是不仅在光源上选出特定的波 长范围，而且也在探测装置上进行波长过滤。当不同光栅相位的成像通过彩色编码来实现 时，该实施方案也可以是有利的。
[0074] 试样60的高度轮廓可以通过如下方式来确定，S卩，针对不同的波长分别确定出针 对在xy平面中，即横向于光轴地相邻的像点的调制对比度。在此，调制对比度在波长的Z 焦点位置与试样表面一致的波长的情况下受到最强地影响。在数值表中，针对每个波长存 储有一个ζ焦点位置，从而由特定的波长可以测定试样表面的在ζ方向上的位置。
[0075] 试样60的高度轮廓也可以通过与利用调制对比度不同的方式来确定。因此，针对 每个波长，可以由结构化的元件30的针对不同的光栅相位的多个图像计算出试样的截面 图像。于是，高度轮廓的确定可以按如下方式进行，即，由在其在不同的截面图像中的位置 中彼此相应的像点选出具有最大强度或最大对比度的像点。
[0076] 为了计算针对不同的光栅相位的图像，探测装置80包括智能像素阵列探测器。此 外为了减少测量时间，还可以设置的是将光栅相位通过对照射光的偏振编码成像到试样 上。
[0077] 作为对移动结构化的元件30的附加或替选，对结构化的照射光15的操作也可以 在物镜50的光瞳平面中进行。结构化的元件30的光栅根据傅立叶变换在光瞳平面中基本 上作为相应于光栅的各衍射级的点图样示出。在此，在光瞳平面中可以布置有转向器件，例 如电光调制器、声光偏转器或电流计镜。以此方式，可以实现在光瞳平面中相应于点图样的 照射光的角度调制，由此同样可以在不同的光栅位置之间进行切换，而无需移动或转动结 构化的元件30。
[0078] 替选地，结构化的元件30也可以通过二维针孔阵列来形成，而不是光栅。在该情 况下，仅使用光路18。在此，探测装置80的探测元件可以用作数字针孔，其中，为了建立共 焦的图像仅使用试样的不同图像的清晰地成像到探测元件上的区域。
[0079] 根据本发明的光学显微镜100的另一实施例在图2中示意性地示出。光源10的 照射光15再次被引导至结构化的元件30上，为此使用已经参考图1描述了的光学成像器 件 32 以及部件 12、25、90、21、22、23 和 40。
[0080] 透射穿过结构化的元件30的照射光15在此也经由λ /4板41和聚焦器件50引 导至试样60上。
[0081] 但与图1不同的是，分光镜40在此没有处于结构化的元件30与试样60之间，而 是处于光源10与结构化的元件30之间。因此，来自试样的试样光16穿过聚焦器件50,并 且经由光学成像器件53清晰地成像到结构化的元件30上。结构化的元件30在此通过电 子控制器件90进行转动，并且针对不同的转动位置，试样的图像分别利用探测装置80来记 录。结构化的元件30的面向试样60的一侧是被镜化处理的。为此，试样光16在结构化的 元件30上部分被反射且部分被透射。
[0082] 透射的试样光16利用分光镜40在空间上与照射光15分离，并且利用探测装置80 的第一探测器81来检测。在此，结构化的元件30的结构化部可以用作共焦成像的针孔。由 此，在结构化的元件30上透射的试样光16仅具有共焦的部分。非共焦的光部分在结构化 的元件30上被滤除。由此，探测器81可以记录试样60的共焦图像。
[0083] 而在结构化的元件30上反射的照射光16具有共焦和非共焦的部分。于是，反射 的试样光16经由光学成像器件53、转向镜54、偏振滤波器55并且经由其他光学成像器件 56成像到探测装置80的第二探测器82上。第二探测器82的特征在于具有试样60的宽视 场图像，其包含来自不同的深度以及不仅来自照射光15的焦点位置的图像信息。
[0084] 在该实施方案中，深度分辨也在照射光15的依赖于波长的焦点位置51上进行。
[0085] 在示出的示例中，两个探测器81和82通过单独的摄像芯片来实施。但替选地也 可以使用唯一的摄像芯片，其中，两个探测器81和82表示摄像芯片的不同的区域。
[0086] 当以更好的光谱分辨率进行测量时，可以提高深度分辨率，即在试样60上沿光轴 的分辨率。为此，在根据本发明的光学显微镜1〇〇的在图3中以截段形式示出的另一实施 例中存在有干涉仪70。作为可选的扩展，干涉仪70也在图1和图2中，在聚焦器件50与结 构化的元件30之间示出。
[0087] 干涉仪70在此实施为林尼克干涉仪。其包括分光镜71，利用该分光镜，一部分试 样光16被引导至参考路径72。在参考路径72上存在优选消色差的物镜74和镜子75,该 镜子布置在物镜74的焦点中，并且将从物镜74中出来的试样光16反射回该物镜。可选地， 镜子75可以通过电子控制器件90进行运动。通过移动镜子75可以调节参考路径72的长 度以及进而对于光谱干涉来说所需的光程差。
[0088] 此外，在分光镜71与物镜74之间可以存在由λ/4板73,以便转动试样光16的偏 振方向。
[0089] 像图1所描述的那样，在分光镜71上透射的照射光15经由λ /4板41和聚焦器 件50到达试样60。
[0090] 以此方式，除了彩色信息之外可以有利地得到其他可以在试样的高度评估方面被 利用的信息。利用干涉仪70针对预定的波长调节出的光程差依赖于试样表面的间距并且 进而依赖于试样的高度轮廓。因此，镜子75的用来调节出针对试样表面上的相长干涉的光 程差的位置同样可以用于测定高度轮廓。
[0091] 在此，检测到的光应该以0. lnm量级的光谱分辨率进行测量，这仅利用简单的彩 色摄像机来作为探测装置是无法实现的。因此，在此优选使用可调谐的光源和光谱分辨探 测装置。
[0092] 利用根据本发明的光学显微镜可以很多得到关于微小试样的信息。在此，试样的 共焦图像以及宽视场图像尤其是可以被记录，而无需改装或从光学显微镜中移除部件。可 以在最大程度上放弃通过机械地移动部件来对试样进行扫描。因此，试样的不同的xy点可 以通过使用结构化的照射光来进行研究，其中，无需将部件移位或者最多需要调节结构化 的元件的位置。z分辨率借助纵向色差来产生，其中，z分辨率依赖于待检测的光的波长的 测量精确度。在实施变型方案中，波长可以特别精确地确定，其中，光源是可调谐的，并且此 外探测装置是光谱分辨式的。
[0093] 附图标记列表
[0094] 10 光源
[0095] 12光学成像器件、透镜
[0096] 15照射光
[0097] 16试样光
[0098] 17第一光路
[0099] 18第二光路
[0100] 20波长选择装置
[0101] 21 透镜
[0102] 22光导纤维
[0103] 23 透镜
[0104] 25转向装置
[0105] 26 透镜
[0106] 27光导纤维
[0107] 28 透镜
[0108] 29半透光的镜子
[0109] 30结构化的元件
[0110] 31光学成像器件、透镜
[0111] 32光学成像器件、透镜
[0112] 40分光镜、偏振分光镜
[0113] 41 λ/4 板
[0114] 42偏振滤波器
[0115] 43光学成像器件、透镜
[0116] 48具有纵向色差的衍射元件
[0117] 49 物镜
[0118] 50聚焦器件
[0119] 51照射光的焦点
[0120] 53光学成像器件、透镜
[0121] 54转向镜
[0122] 55偏振滤波器
[0123] 56光学成像器件、透镜
[0124] 60 试样
[0125] 70干涉仪
[0126] 71分光镜
[0127] 72参考路径
[0128] 73 λ/4 板
[0129] 74消色差物镜
[0130] 75 镜子
[0131] 80探测装置
[0132] 90电子控制器件
[0133] 100光学显微镜
【权利要求】
1. 一种光学显微镜，所述光学显微镜具有： 多色光源（10)，所述多色光源用于向试样（60)方向发射出照射光（15); 聚焦器件（50)，所述聚焦器件用于将照射光（15)聚焦到所述试样￠0)上，其中，所述 聚焦器件（50)具有纵向色差以产生深度分辨率；和 探测装置（80)，所述探测装置包括二维阵列的探测元件以检测来自所述试样（60)的 试样光（16)， 其特征在于， 为了既检测所述试样光（16)的共焦部分又检测所述试样光（16)的非共焦部分，从所 述试样￠0)到所述探测装置（80)的光学路径中没有用于完全滤除非共焦部分的元件。
2. 根据权利要求1所述的光学显微镜， 其特征在于， 在所述光源（10)与所述聚焦器件（50)之间存在有结构化的元件（30)，所述结构化的 元件用于从由所述光源（10)发射出的照射光（15)产生结构化的照射光（15)。
3. 根据权利要求2所述的光学显微镜， 其特征在于， 在所述结构化的元件（30)与所述试样（60)之间存在有分光镜（40)，所述分光镜对于 照射光（15)来说是能穿透的，而对于来自所述试样（60)的试样光（16)来说是反射性的， 或者反过来。
4. 根据权利要求3所述的光学显微镜， 其特征在于， 所述分光镜（40)是偏振分光镜（40)，并且在所述偏振分光镜（40)与所述试样之间存 在有λ/4板（41)，以便转动试样光（16)的偏振方向，并且进而将试样光（16)进一步引导 至探测装置（80)。
5. 根据权利要求2所述的光学显微镜， 其特征在于， 来自所述试样（60)的试样光（16)通过所述结构化的元件（30)来引导至所述探测装 置（80)上，并且 所述结构化的元件（30)的结构尺寸足够大，以允许所述试样光（16)的非共焦部分穿 过。
6. 根据权利要求2至5中任一项所述的光学显微镜， 其特征在于， 所述结构化的元件（30)在一侧是被镜化处理的，其中，来自所述试样（60)的试样光 (16)被引导至所述结构化的元件（30)的被镜化处理的侧上，并且在那里部分反射且部分 透射， 所述探测装置（80)具有第一探测器和第二探测器（81、82)， 所述第一探测器（81)布置成用于测量来自所述试样（60)并在所述结构化的元件（30) 上透射的试样光（16)，并且 所述第二探测器（82)布置成用于测量来自所述试样（60)并在所述结构化的元件（30) 上反射的试样光（16)。
7. 根据权利要求2至6中任一项所述的光学显微镜， 其特征在于， 所述结构化的元件（30)具有尼普科夫盘、微透镜阵列、光栅，尤其是1D光栅或2D光 栅，菲涅尔双棱镜或用于产生散斑图样的元件。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的光学显微镜， 其特征在于， 所述聚焦器件（50)包括光折射和/或光衍射的微透镜阵列（48)以产生依赖于波长的 焦点位置（51)。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的光学显微镜， 其特征在于， 存在有用于选出照射光（15)的能可变调节的光谱范围的波长选择装置（20)，以便通 过所述聚焦器件（50)将照射光（15)聚焦至沿所述光学显微镜的光轴的不同的位置上，并 且 存在有用于借助所述波长选择装置（20)选出光谱范围的电子控制器件（90)。
10. 根据权利要求9所述的光学显微镜， 其特征在于， 所述波长选择装置（20)具有棱镜、光栅、滤色器和/或声光可调谐滤波器（AOTF)。
11. 根据权利要求2至10中任一项所述的光学显微镜， 其特征在于， 存在有用于将照射光（15)有选择地引导至第一光路或第二光路（17、18)的转向装置 (25)， 所述结构化的元件（30)在一侧是被镜化处理的， 其中，所述第一光路（17)的照射光（15)被引导至所述结构化的元件（30)的被镜化处 理的侧上，并且在所述结构化的元件（30)上向所述试样（60)方向反射，并且 其中，所述第二光路（18)的照射光（15)被引导至所述结构化的元件（30)的另一侧 上，并且通过所述结构化的元件（30)向试样（60)方向透射，并且 其中，透射的照射光（15)和反射的照射光（15)在所述试样（60)上产生所述结构化的 元件（30)的彼此相移的成像。
12. 根据权利要求11所述的光学显微镜， 其特征在于， 所述转向装置（25)具有能切换的镜子，尤其是电流计镜，微镜执行器（DMD，数字微镜 设备）或者微机电系统（MEMS)、声光调制器（AOM)、声光偏转器（AOD)、电光调制器（EOM)和 /或基于偏振转动的切换单元。
13. 根据权利要求2至12中任一项所述的光学显微镜， 其特征在于， 存在有用于移动和/或转动所述结构化的元件（30)的定位器件，并且 存在有电子控制器件（90)，所述电子控制器件设置成用于在所述结构化的元件（30) 的不同位置情况下利用所述探测装置（80)记录所述试样（60)的图像，并且将这些图像换 算为一个试样图像。
14. 根据权利要求1至13中任一项所述的光学显微镜， 其特征在于， 所述探测装置（80)是光谱分辨探测装置（80)。
15. 根据权利要求14所述的光学显微镜， 其特征在于， 为了产生所述探测器装置（80)的光谱分辨率存在有光谱滤波器件，尤其是声光可调 谐滤波器（AOTF)、棱镜、光栅和/或至少一个滤色器，或者所述探测装置（80)具有干涉仪。
16. -种用于利用光学显微镜记录图像的方法， 其中，利用多色光源（10)向试样（60)方向发出照射光（15)， 其中，利用聚焦器件（50)将所述照射光（15)聚焦至所述试样（60)上，其中，通过所述 聚焦器件（50)的纵向色差实现深度分辨，并且 其中，利用包括二维阵列的探测元件的探测装置（80)来检测来自所述试样（60)的试 样光（16)， 其特征在于， 将所述试样光（16)的共焦部分和非共焦部分都引导至所述探测装置（80)上。
17. 根据权利要求16所述的方法， 其特征在于， 为了确定试样￠0)的高度轮廓，记录所述试样￠0)在所述试样光（16)的被检测的波 长范围方面相互区分开的图像， 确定针对每个图像的像点的调制对比度， 从在不同的图像中具有相同的位置的像点中选出具有最大调制对比度的像点，并且 为选出的像点依赖于附属的波长范围地配属上所述试样（60)的高度信息，其中，针对 其中每个不同的波长范围分别预先存储有高度信息。
18. 根据权利要求16或17所述的方法， 其特征在于， 所述探测装置（80)布置在与试样平面共轭的平面中， 为了产生共焦图像，将所述探测装置（80)的探测元件用作数字光圈，其中，为了建立 共焦图像使用如下探测元件，位于所述照射光（15)的焦点中的试样区域清晰地成像到这 些探测元件上。
19. 根据权利要求16至18中任一项所述的方法， 其特征在于， 利用干涉仪（70)，尤其是林尼克干涉仪（70)，将一部分所述试样光（16)引导至具有能 调节的长度的参考路径（72)上并紧接着引导回所述试样￠0)上， 其中，在所述试样（60)的表面上，在照射光（15)与引导回的试样光（16)之间的相长 干涉依赖于所述试样（60)的高度轮廓以及所述参考路径（72)的长度， 改变所述参考路径（72)的长度，并且选出利用所述探测装置接收到最大信号时的长 度， 从所述参考路径（72)的选出的长度借助预先存储的值推导出所述试样（60)的高度轮 廓。
20. 根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征在于，为了改进光谱分辨率， 不仅通过所述探测装置（80)的光谱滤波器件而且也通过所述光源（10)处的波长选择装置 (20)进行波长选择。
21. 根据权利要求16至20中任一项所述的方法， 其特征在于， 记录所述试样（60)的第一图像，其中，为了产生结构化的照射，结构化的元件（30)处 于光学路径中， 为了研究利用所述结构化的照射在记录所述第一图像时没被照射到的试样区域，记录 第二图像，其中，所述结构化的元件（30)没处在光学路径中，并且 将所述第一图像和所述第二图像换算为一个试样图像。
22. 根据权利要求16至21中任一项所述的方法， 其特征在于， 为了改进在横向于光轴的试样平面中的测量分辨率，将照射光（15)和/或试样光（16) 进行偏振编码， 其中，在所述试样平面中相邻的区域以不同偏振的照射光（15)来辐射，或者其中，进 行依赖于位置的试样光偏振，其中，试样光（16)依赖于其横向于光轴的位置地受到特定的 偏振的影响， 其中，试样光（16)针对不同的偏振被单独检测，并且 其中，为检测到的试样光（16)依赖于其偏振地配属上在所述试样平面内的位置信息。
【文档编号】G01B11/25GK104303089SQ201380025813
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2012年5月16日
【发明者】赫尔穆特·利珀特, 拉尔夫·内茨, 蒂莫·安胡特, 尼尔斯·兰霍尔茨, 马蒂亚斯·朗霍斯特 申请人:卡尔蔡司显微镜有限责任公司