WO2001088590A1 - Anordnung zur konfokalen autofokussierung - Google Patents

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WO2001088590A1
WO2001088590A1 PCT/EP2001/005080 EP0105080W WO0188590A1 WO 2001088590 A1 WO2001088590 A1 WO 2001088590A1 EP 0105080 W EP0105080 W EP 0105080W WO 0188590 A1 WO0188590 A1 WO 0188590A1
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branch
confocal
image
observation object
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Norbert Czarnetzki
Thomas SCHERÜBL
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Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for confocal autofocusing of optical devices, preferably microscopes, in which an illuminating beam path is directed at an observation object, from which light reflected from the observation object into an objective, both image information from the surface of the observation object and information about the focus position is obtained and a correction of the focus position is initiated on the basis of this information by means of an evaluation and setting unit.
  • the main optical transmission system is often used for focusing or “sharpening”, that is to say the image beam information becomes the image information about what is to be observed
  • the object as well as the information for the evaluation of the focus position are obtained.
  • the latter are used especially in continuously running manufacturing processes, in which the product or its surface has to be checked, for the focus adjustment if the focus position emigrates for some reason or the image is “blurred”. becomes.
  • Point scanning or confocal systems are used in microscopy to achieve both good depth resolution and good contrasting.
  • high-resolution autofocus systems are required in this context.
  • the scanning image structure using hole arrays is described, for example, in the magazine "Material Institute" vol. 39/1997, number 6, pages 264 ff.
  • the object of the invention is to further develop an arrangement for confocal auto focusing of the type described in the introduction in such a way that rapid and reliable monitoring of the focusing on structured surfaces, edges and thin-film systems is ensured.
  • the image information and the information about the focus position run in different, locally separate optical branches within the objective beam path.
  • the overall transmissible image bundle is used both for the transmission of a main image field and an autofocus image field, and a wide capture range for autofocusing is also achieved.
  • the image transmission branch runs in the center and the auto focusing branch on the periphery of the objective beam path, the image transmission branch and the auto focusing branch running parallel, at least in sections. Both branches are fed with light from a common lighting source.
  • the decoupling of the autofocusing branch can be carried out in the illuminating beam path before an intermediate image plane beam splitter take place, which for this purpose has a layer which is transparent to the illuminating light directed onto the surface of the observation object and for the light coming from the surface of the observation object in the auto-focusing branch.
  • means are provided for forming and evaluating three optical channels running within the autofocusing branch, of which a first provides an extrafocal, a second an intrafocal and a third a signal conjugated in the direction of the optical axis for each autofocusing image plane.
  • the optical channels are advantageously arranged next to one another, and each channel has a confocal and a non-confocal area in its beam cross section.
  • the confocal cross-sectional areas of the individual channels are formed by means of pinholes which are arranged in rows and / or columns and are introduced into the relevant cross-sectional area of the respective channel.
  • the pinholes are preferably provided on areas with a columnar or narrow rectangular outline, which are arranged in the illumination beam path to form the channels.
  • the resulting column-shaped channels each correspond to a receiver line of the evaluation and setting unit, with each channel preferably having a maps the surface region of the observation object to the assigned receiver line.
  • the receiver lines must be individually offset according to the position of the respective assigned channel with respect to the optical axis.
  • the outputs of the receiver lines are connected to the signal inputs of the evaluation and setting unit.
  • the columnar design of the channels, the object regions and the receiver also has the advantage that in addition to Main image field a manageable autofocus image field is visible.
  • the lateral offset of the autofocus measurement scene in the X and Y directions perpendicular to the direction of the main optical axis Z which occurs when an unevenness in the object under observation leads to a different image sharpness in the autofocus and main image field, can be achieved by dynamic control parameters via the evaluation and setting unit to be compensated.
  • a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention consists in that a spectral apparatus is arranged in the imaging plane of the optical channel, which transmits the conjugate signal, and a chromatic lens for the defined introduction of a longitudinal color error is also located in the objective beam path between the tube lens and the objective located.
  • the evaluation of a false color spectrum with the spectral apparatus is an additional criterion for determining the focal plane.
  • the evaluation is carried out by comparing the currently recorded color information with the stored color information for an ideal height profile. This known method is described for example in DE 197 13 362 AI and DE 196 12 846 AI.
  • a further advantageous embodiment which is particularly suitable for confocal autofocusing in a microscope, provides a polarizer as the main image splitter, a ⁇ / 4 plate also being arranged between the objective and the tube lens and that of the observation object reflected portion of the polarized light now passing through the polarizer is directed onto a reflection surface lying in the observation image plane.
  • the portion of light reflected on this surface reaches the surface of the observation object again and then after double passage through the ⁇ / 4 plate and the polarizer and finally, after a corresponding polarization rotation, reflected by the dividing layer of the polarizer, into the autofocusing branch.
  • the use of polarized light advantageously enables a very good separation of false light and a light output in the receiver planes that is theoretically improved by a factor of 2.
  • 6 shows the representation of a non-confocal line contrast on a height-structured wafer surface
  • 7 shows the representation of a confocal line contrast on a height-structured wafer surface
  • Fig.l shows an example of the principle of confocal autofocusing according to the invention using a beam path for confocal microscopy.
  • the illumination beam path 2 emanating from an illumination source 1 is directed at an observation object 7 via the partially reflecting layer 3 of a main image splitter 4, a tube lens 5 and a focusing lens 6.
  • the light reflected or scattered by the observation object 7 returns to the partially reflecting layer 3 and through it into an observation image plane 8, where the observation of the observed surface section of the observation object 7 is carried out. At the same time there is partial reflection on the partially reflecting layer 3 in an intermediate image plane 9.
  • an autofocusing divider prism 10 is located between the illumination source 1 and the intermediate image plane 9, the illuminating light for the autofocusing branch penetrating the autofocusing divider prism 10 before the intermediate image plane 9 and then running on the periphery of the beam path 2.
  • the auto-focusing branch runs parallel between the observation object 7 or the object plane and the partially reflecting layer 3 next to the image bundle 11 and from there returns to the illumination beam path on the way back.
  • Level 18 is in optical conjunction with the light field diaphragm of the main beam path.
  • FIG. 2 shows in a section AA from FIG. 1 the division of the illuminating beam path 2 with the arrangement of the optical channels 13, 14, 15 within the overall transmitted light beam.
  • Each of the optical channels 13, 14, 15 has a confocal and a non-confocal beam cross-sectional area, the confocal beam cross-sectional area of the channels 13, 14, 15 being arranged in the planes 16, 17, 18 Apertures with rows and / or columns are formed from pinholes.
  • the three optical channels 13, 14 and 15, which reproduce column-like sections of the observation object 7 lying closely next to one another, are imaged via the sensor branch 19 by means of a transmission optics 20 onto receiver-shaped columns which are arranged offset from one another and whose receiving surfaces are shown in FIG. l shown autofocusing image planes 21, 22 and 23 are positioned.
  • 3 and 4 serve for the following explanation of the evaluation and conversion of the signals into positioning commands for a focus adjustment.
  • the intensity functions 24, 25 and 26 are bell-curve-like functions that are shifted in the z direction and are used to generate a focus direction signal, with a value Ie (zl) for the intrafocal channel for an assumed focus location zl for the extrafocal channel 13 14 a value Ii (zl) and a value Ik (zl) is measured for the conjugate channel 15.
  • a necessary focus correction is determined as follows:
  • Ie (zl) is greater than Ii (zl), focusing takes place in the intrafocal direction; 3. If Ie (zl) is equal to Ii (zl) there is no focusing;
  • the boundary condition here is that Ik (zl) is greater than Ie (zl) and Ii (zl).
  • the confocal areas in channels 13, 14 and 15 are evaluated for fine focusing with a high resolution.
  • Ke (zl) is equal to Ki (zl), there is no focusing.
  • Kk (zl) is greater than Ke (zl) and Ki (zl) and Ke (zl) is approximately Ki (zl).
  • 5 shows the arrangement according to the invention further developed in that a spectral apparatus 30 is arranged in the autofocusing image plane of the conjugate channel 15 (see FIG. 1), while a columnar receiver 31 is located in the autofocusing image plane of the extrafocal channel 13 and the autofocusing image plane of the intrafocal one Channel 14 is a columnar receiver 32.
  • a chromate objective 35 is arranged in the objective beam path between the tube lens 5 and the objective 6.
  • the use of the spectral apparatus 30 in conjunction with the chromate objective 35 provides additional information for fine adjustment of the focal plane by evaluating a false color spectrum of the conjugated optical channel 15, the evaluation in the evaluation unit being correct by comparing the currently determined color information with the stored color information focused height profile.
  • an ambiguous contrast function 34 arises in the main image as a function of the focus value z.
  • observation object 7 shows the characteristic in the case of strongly confocal imaging, that is to say in the case of observation objects with a depth character and several reflecting observation planes of the observation object 7. that of the observation object 7 via the focus value z in accordance with the properties of the observation object 7, such as height profile and reflection properties, generated in different object planes.
  • the conjugate channel 15 is generated completely confocal and illuminates the entrance slit of the spectral apparatus 30.
  • the focusing is carried out analogously to the procedure already described above. The same applies to the evaluation of the optical signals in the extra- and intrafocal channels 13 and 14 with respect to the non-confocal beam cross-sectional areas.
  • Various contrast functions are shown in Fig. 6, Fig. 7 and Fig. 8.
  • the false color spectrum of the conjugate channel 15 is additionally evaluated.
  • this spectrum has a fixed distance between the color maxima.
  • a reflection plane is selected by focusing the observation object 7 and subsequent observation of the spectrum in such a way that the associated maximum is set to the shortest-wavelength color of the illumination spectrum.
  • FIG. 9 An additional embodiment of the arrangement according to the invention is shown in FIG. 9. Instead of the main image divider 4 (Fig.l and Fig.5), a polarizer 36 is used. Furthermore, there is a ⁇ / 4 plate 37 between the objective 6 and the tube lens 5.
  • a portion of the polarized light reflected by the observation object 7 and passing through the polarizer reaches the observation object 7 again and is then arranged by the arrangement of the ⁇ / 4 plate 37 over the partially reflecting layer 3 of the polarizer 36 distracted into the autofocusing branch.
  • the object regions defined by the channels 13, 14, 15 are imaged on only one receiver 33 via the transmission optics 20.
  • the receiver 33 enables simultaneous evaluation of the extrafocal, the intrafocal and the conjugate signal. As already described, the resulting differences in the image scales are irrelevant for determining the focus position.
  • Illumination source beam path partially reflecting layer main image splitter tube lens lens observation object observation image plane intermediate image plane autofocusing splitter prism image bundle optical axis extrafocal channel intrafocal channel conjugate channel extrafocal plane intrafocal plane conjugate plane sensor branch transmission optics, 22,23 autofocusing image plane intensity intensity function

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur konfokalen Autofokussierung von optischen Geräten, bevorzugt zur Feinfokussierung von Mikroskopen, bei denen ein Beleuchtungsstrahlengang (2) auf ein Beobachtungsobjekt (7) gerichtet ist, aus dem vom Beobachtungsobjekt (7) in ein Objektiv (6) reflektierten Licht sowohl Bildinformationen von der Oberfläche des Beobachtungsobjektes (7) als auch Informationen über die Fokuslage gewonnen werden und anhand dieser Informationen mittels einer Auswerte- und Einstelleinheit eine Korrektur der Fokuslage veranlaßt wird. Bei einem Gerät der eingangs beschriebenen Art sind die Bildinformationen und die Informationen über die Fokuslage in verschiedenen, örtlich voneinander getrennt verlaufenden optischen Zweigen geführt. Dabei verläuft im Zentrum des Objektivstrahlenganges ein Lichtbündel (11) als Bildübertragungszweig und in der Peripherie des Objektivstrahlenganges ein Autofokussierungszweig mit drei optischen Kanälen (13, 14, 15), von denen ein erster ein extrafokales, ein zweiter ein intrafokales und ein dritter ein konjugiertes Signal in entsprechende Autofokussierungsbildebenen (21, 22, 23) liefert.

Description

ANORDNUNG ZUR KONFOKALEN AUTOFOKUS SIERUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur konfokalen Autofokussierung von optischen Geräten, bevorzugt von Mikroskopen, bei denen ein Beleuchtungsstrahlengang auf ein Beobachtungsobjekt gerichtet ist, aus dem vom Beobachtungsobjekt in ein Objektiv reflektierten Licht sowohl Bildin- formationen von der Oberfläche des Beobachtungsobjektes als auch Informationen über die Fokuslage gewonnen werden und anhand dieser Informationen mittels einer Auswerte- und Einstelleinheit eine Korrektur der Fokuslage veranlaßt wird.
Für eine sichere und nach Möglichkeit selbsttätige Fokus- sierung von optischen Geräten, wie beispielsweise von Mikroskopen oder Projektoren, wird zum Fokussieren bzw. „Scharfeinsteilen" häufig das optische Hauptübertragungssy- stem nutzen, das heißt aus dem Objektivstrahlengang werden sowohl die Bildinformationen über das zu beobachtende Objekt als auch die Informationen zur Bewertung der Fokuslage gewonnen. Letztere werden vor allem in kontinuierlich ablaufenden Fertigungsprozessen, in denen das Produkt bzw. dessen Oberfläche kontrolliert werden muß, zur Fokusnachstellung genutzt, wenn die Fokusposition aus irgendwelchen Gründen auswandert bzw. das Bild „unscharf" wird.
Dies ist insbesondere auch bei Anordnungen der Fall, bei denen das Abbildungsobjekt bzw. die Objektebene punktweise angetastet wird. Dabei werden zwar bezüglich der Auflösung in Richtung der optischen z-Achse meist ausreichende Ergeb- nisse erzielt, nachteiligerweise aber ist eine hochgenaue Nachfokussierung auf höhen- oder reflexionsstrukturierte Flächen, Kanten sowie auf Dünnschichtsysteme immer noch mit Problemen behaftet.
Werden Fokus-Meßlichtbündel dichromatisch in den Haupt- strahlengang eingekoppelt, ergeben sich Probleme vor allem aufgrund der Rückkopplung eines Fokusflecks in das Hauptbild infolge unzureichender Sperrung im Empfindlichkeitsbe- reich des Empangers, wegen des Auftretens von z-Offsets bei der „Schärfe-Detektion" im Autofokusbündel relativ zum Hauptbündel durch chromatische Abberation sowie aus optischen Fehlfunktionen des Übertragungssystems im Wellenlängenbereich des Autofokussystems.
Punktabtastende bzw. konfokale Systeme werden in der Mikroskopie genutzt, um sowohl eine gute Tiefenauflösung als auch eine gute Kontrastierung zu erzielen. Dabei spielen scannende Systeme mit Nipkowscheibe, wie beispielsweise in DE 195 11 937 C2 beschrieben oder auch spezielle Locharrays für einen linear scannenden Bildaufbau eine entscheidende Rolle. In diesem Zusammenhang sind neben schnellen Antastprinzipien auch hochauflösende AutofokusSysteme erforderlich. Der scannende Bildaufbau unter Verwendung von Lo- charrays ist beispielsweise in der Zeitschrift „Materialprüfung" Jg.39/1997, Heft 6, Seiten 264 ff. beschrieben.
Um eine genaue Autofokussierung zu erreichen, werden bei den bisher bekannten Verfahren und Anordnungen mehrere Meß- bündel genutzt, um aus den örtlich gemittelten Messungen
Informationen über ein Höhenprofil oder über anderweitige Oberflächeneigenschaften eines Beobachtungsobjektes ermittelt gewinnen zu können.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur konfokalen Autofo- kussierung der eingangs beschriebenen Art so weiter zu entwickeln, daß eine schnelle und sichere Überwachung der Fo- kussierung auf strukturierte Flächen, Kanten sowie Dünnschichtsysteme gewährleistet ist .
Erfindungsgemäß verlaufen bei einem Gerät der eingangs beschriebenen Art die Bildinformationen und die Informationen über die Fokuslage in verschiedenen, örtlich voneinander getrennten optischen Zweigen innerhalb des Objektivstrah- lenganges.
Aufgrund der getrennten Führung je mindestens eines Bild- übertragungs- und eines Autofokussierungszweiges wird das insgesamt übertragbare Bildbündel sowohl zur Übertragung eines Hauptbildfeldes als auch eines Autofokusbildfeldes ausgenutzt und außerdem ein breiter Fangbereich für die Au- tofokussierung erzielt.
In vorteilhafter Ausgestaltung verläuft dabei der Bildüber- tragungszweig im Zentrum und der Autofokussierungszweig an der Peripherie des Objektivstrahlenganges, wobei der Bildubertragungszweig und der Autofokussierungszweig zumindest abschnittsweise parallel verlaufen. Beide Zweige werden mit Licht aus einer gemeinsamen Beleuchtungsquelle gespeist.
Die Auskopplung des Autofokussierungszweiges kann durch einen im Beleuchtungsstrahlengang vor einer Zwischenbild- ebene angeordneten Strahlteiler erfolgen, der zu diesem Zweck eine für das auf die Oberfläche des Beobachtungsobjektes gerichtete Beleuchtungslicht durchlässige und für das im Autofokussierungszweig von der Oberfläche des Beob- achtungsobjektes kommende Licht reflektierende Schicht aufweist .
Weiterhin sind erfindungsgemäß Mittel zur Ausbildung und Auswertung dreier innerhalb des Autofokussierungszweiges verlaufender optischer Kanäle vorgesehen, von denen ein erster ein extrafokales, ein zweiter ein intrafokales und ein dritter ein in Richtung der optischen Achse konjugiertes Signal für jeweils eine Autofokussierungsbildebene liefert.
Um einen defokussierten Zustand sicher erfassen zu können, sind die optischen Kanäle vorteilhafterweise nebeneinanderliegend angeordnet, und jeder Kanal weist einen konfokalen und einen nicht konfokalen Bereich in seinem Strahlquerschnitt auf.
Die konfokalen Querschnittsbereiche der einzelnen Kanäle werden in vorteilhafter Ausgestaltung mittels Pinholes gebildet, die in Zeilen und/oder Spalten angeordnet und in den betreffenden Querschnittsbereich des jeweiligen Kanales eingebracht sind.
Bevorzugt sind die Pinholes auf Bereichen mit spaltenförmi- gem bzw. schmalem rechteckigen Umriß vorgesehen, die zur Formung der Kanäle in den Beleuchtungsstrahlengang einge- ordnet sind. Die so entstehenden spaltenfδrmigen Kanäle korrespondieren mit jeweils einer Empfängerzeile der Auswerte- und Einstelleinheit, wobei bevorzugt jeder Kanal ei- ne Oberflächenregion des Beobachtungsobjektes auf die zugeordnete Empfängerzeile abbildet .
Soll bei dieser Abbildung in allen Kanälen der gleiche Ab- bildungsmaßstab erzielt werden, müssen die Empfängerzeilen einzeln entsprechend der Lage des jeweils zugeordneten Kanals, bezogen auf die optische Achse, versetzt angeordnet werden.
Allerdings ist es auch denkbar, für alle drei Kanäle Empfängerzeilen vorzusehen, die in einer gemeinsamen Ebene liegen, wodurch vorteilhaft erstens die zeitgleiche Erfassung der Informationen aus allen Kanälen möglich ist und zweitens eine Empfängerbaugruppe (bevorzugt mit mehreren Empfängerzeilen) für alle Kanäle genutzt werden kann. Dabei ergeben sich zwar unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe, was sich jedoch nicht nachteilig auswirkt, da die Erfassung des Fokussierzustandes über eine Kontrastmessung erfolgt; bei der Erfassung der Fokuslage mittels Kontrastmessung sind unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe in der Empfängerebene vernachlässigbar .
Zur Auswertung der einzelnen Objektregionen sowie zur Korrektur der Fokuslage sind die Ausgänge der Empfängerzeilen mit den Signaleingängen der Auswerte- und Einstelleinheit verbunden.
Infolge der Verwendung derselben Beleuchtungsquelle für die Objektbeobachtung und für das AutofokusSystem erfolgt die Autofokussierung nahezu optisch vollständig konjugiert. Die spaltenförmige Ausbildung der Kanäle, der Objektregionen und der Empfänger hat außerdem den Vorteil, daß neben dem Hauptbildfeld ein überschaubares Autofokusbildfeld sichtbar ist .
Der seitliche Versatz der Autofokusmeßszene in X- und Y- Richtung senkrecht zur Richtung der optischen Hauptachse Z, der dann auftritt, wenn eine Unebenheit am Beobachtungsobjekt zu einer unterschiedlichen Bildschärfe im Autofokus- und Hauptbildfeld führt, kann durch dynamische Regelparameter über die Auswerte- und Einstelleinheit kompensiert wer- den.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß in der Abbildungsebene des optischen Kanals, der das konjugierte Signal überträgt, ein Spektralapparat angeordnet ist und sich außerdem im Objek- tivstrahlengang zwischen Tubuslinse und Objektiv ein Chro- matobjektiv zur definierten Einführung eines Farblängsfeh- lers befindet.
Dabei ist die Auswertung eines Falschfarbenspektrums mit dem Spektralapparat ein zusätzliches Kriterium für die Bestimmung der Fokusebene. Die Auswertung erfolgt durch einen Vergleich der aktuell erfaßten Farbinformation mit der gespeicherten Farbinformation für ein ideales Höhenprofil . Dieses an sich bekannte Verfahren ist beispielsweise beschrieben in DE 197 13 362 AI und DE 196 12 846 AI.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung, die insbesondere zur konfokalen Autofokussierung bei einem Mikroskop geeig- net ist, sieht als Hauptbildteiler ein Polarisator vor, wobei außerdem zwischen dem Objektiv und der Tubuslinse eine λ/4-Platte angeordnet ist und der vom Beobachtungsobjekt reflektierte, nunmehr durch den Polarisator gelangende Anteil des polarisierten Lichtes auf eine in der Beobachtungsbildebene liegende Reflexionsfläche gerichtet ist.
Der an dieser Fläche reflektierte Lichtanteil gelangt erneut auf die Oberfläche des Beobachtungsobjektes und anschließend nach doppeltem Durchgang durch die λ/4-Platte und den Polarisator und schließlich, nach entsprechender Polarisationsdrehung von der Teilerschicht des Polarisators reflektiert, in den Autofokussierungszweig. Die Verwendung von polarisiertem Licht ermöglicht vorteilhaft eine sehr gute Trennung von Falschlicht und eine theoretisch um den Faktor 2 verbesserte Lichtleistung in den Empfängerebenen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den dazugehörenden Zeichnungen zeigen
Fig.l den pinzipiellen Aufbau der Anordnung zur Autofokussierung an einem Mikroskop,
Fig.2 die Aufteilung des Beleuchtungsbildfeldes mit erfindungsgemäßer Anordnung der optischen Kanäle,
Fig.3 ein Beispiel für Intensitätsfunktionen in Abhängigkeit vom Fokusparameter z,
Fig.4 ein Beispiel für Kontrastfunktionen in Abhängigkeit vom Fokusparameter z,
Fig.5 den Aufbau der Anordnung mit spektraler Auswertung,
Fig.6 die Darstellung eines nicht konfokalen Zeilenkontrastes auf einer höhenstrukturierten Wafer- oberflache, Fig.7 die Darstellung eines konfokalen Zeilenkontrastes auf einer höhenstrukturierten Waferoberflache,
Fig.8 den Vergleich eines nicht konfokalen mit einem konfokalen Zeilenkontrast,
Fig.9 den Aufbau der Anordnung mit polarisiertem Licht
Fig.l zeigt beispielhaft das Prinzip der erfindungsgemäßen konfokalen Autofokussierung anhand eines Strahlenganges zur konfokalen Mikroskopie .
Der von einer Beleuchtungsquelle 1 ausgehende Beleuchtungs- strahlengang 2 ist über die teilreflektierende Schicht 3 eines Haupbildteilers 4, eine Tubuslinse 5 und ein fokus- sierendes Objektiv 6 auf ein Beobachtungsobjekt 7 gerichtet.
Das vom Beobachtungsobjekt 7 reflektierte oder gestreute Licht gelangt zur teilreflektierenden Schicht 3 zurück und durch diese hindurch in eine Beobachtungsbildebene 8, wo die Bewertung des beobachteten Oberflächenabschnittes des Beobachtungsobjektes 7 vorgenommen wird. Gleichzeitig erfolgt eine Teilreflexion an der teilreflektierenden Schicht 3 in eine Zwischenbildebene 9.
Erfindungsgemäß werden die der Objektbeobachtung dienende Bildinformation und die Information über die Fokuslage in verschiedenen, örtlich voneinander getrennt verlaufenden optischen Zweigen geführt. Dazu befindet sich zwischen der Beleuchtungsquelle 1 und der Zwischenbildebene 9 ein Autofokussierungsteilerprisma 10, wobei das Beleuchtungslicht für den Autofokussierungszweiges noch vor der Zwischenbildebene 9 das Autofokussie- rungsteilerprisma 10 durchdringt und dann an der Peripherie des Strahlenganges 2 verläuft .
Der Autofokussierungszweig verläuft zwischen dem Beobachtungsobjekt 7 bzw. der Objektebene und der teilreflektie- renden Schicht 3 parallel neben dem Bildbündel 11 und gelangt von dort auf dem Rückweg wieder in den Beleuchtungs- strahlengang .
Im Autofokussierungszweig sind drei nebeneinander liegende optische optische Kanäle 13, 14 und 15 ausgebildet, wobei der Kanal 13 ein extrafokales Signal in eine extrafokale Ebene 16, der Kanal 14 ein intrafokales Signal in eine intrafokale Ebene 17 und der Kanal 15 ein in Richtung der optischen Achse 12 konjugiertes Signal in eine konjugierte Ebene 18 liefern. Die Ebene 18 befindet sich in optischer Konjunktion zur Leuchtfeldblende des Hauptstrahlenganges.
Fig.2 zeigt in einem Schnitt AA aus Fig.l die Aufteilung des Beleuchtungsstrahlenganges 2 mit der Anordnung der op- tischen Kanäle 13, 14, 15 innerhalb des insgesamt übertragenen Lichtbündels.
Jeder der optischen Kanäle 13, 14, 15 weist einen konfokalen und einen nicht konfokalen Strahlquerschnittsbereich auf, wobei die konfokalen Strahlquerschnittsbereich der Kanäle 13, 14, 15 durch in den Ebenen 16, 17, 18 angeordnete Blenden mit Zeilen und/oder Spalten aus Pinholes gebildet werden.
Fig.2 zeigt außerdem das Hauptbildfeld, welches ein konfo- kales Bild des Beobachtungsobjektes 7 erzeugt und daher strukturiert ist.
Das Autofokussierungsteilerprisma 10, wirksam nur für den Autofokussierungszweig bzw. für die Kanäle 13, 14 und 15, separiert einen Sensorzweig 19, der beim Autofokussierungsteilerprisma 10 beginnt (vgl. Fig.l).
Die drei optischen Kanäle 13, 14 und 15, die dicht nebeneinander liegende, spaltenförmige Abschnitte des Beobach- tungsobjektes 7 wiedergeben, werden über den Sensorzweig 19 mittels einer Übertragungsoptik 20 auf spaltenförmig ausgebildete sowie zueinander versetzt angeordnete Empfänger abgebildet, deren Empfangsflächen in den in Fig.l dargestellten Autofokussierungsbildebenen 21, 22 und 23 positioniert sind.
Die Verarbeitung der über die optischen Kanäle 13, 14 und 15 gelieferten und mit den Empfängern opto-elektronisch gewandelten Signale erfolgt mittels einer in den Zeichnungen nicht dargestellte Auswerte- und Einstelleinheit.
Fig.3 und Fig.4 dienen der nachfolgenden Erläuterung der Auswertung und Umsetzung der Signale in Stellbefehle für eine Fokusnachstellung.
Zwecks Erzeugung eines möglichst großen Fangbereiches wird als Kontrastfunktion lediglich die Summe der von den Emp- fängern ermittelten Pixelintensität in den nicht konfokalen Strahlquerschnittsbereichen gebildet. Dabei entstehen, wie in Fig.3 dargestellt, für jeden optischen Kanal 13, 14 und 15 gesonderte, jeweils von einem gesonderten Fokusparameter z abhängige Intensitätsfunktionen, wobei die Intensitätsfunktion 24 dem extrafokalen Kanal 13, die Intensitätsfunktion 25 dem intrafokalen Kanal 14 und die Intensitätsfunktion 26 dem konjugierten Kanal 15 entsprechen.
Die Intensitätsfunktionen 24, 25 und 26 sind glockenkurven- artige Funktionen, die in z-Richtung verschoben sind und zur Generierung eines Fokusrichtungssignales ausgenutzt werden, wobei für einen angenommenen Fokusort zl für den extrafokalen Kanal 13 ein Wert Ie(zl), für den intrafokalen Kanal 14 ein Wert Ii(zl) und für den konjugierten Kanal 15 ein Wert Ik(zl) gemessen wird.
Eine erforderliche Fokuskorrektur wird dabei wie folgt ermittelt :
1. Sofern Ie(zl) kleiner ist als Ii(zl), erfolgt eine Fokussierung in extrafokale Richtung;
2. Sofern Ie(zl) größer ist als Ii(zl), erfolgt eine Fo- kussierung in intrafokale Richtung; 3. Ist Ie(zl) gleich Ii(zl) erfolgt keine Fokussierung;
Hierbei gilt als Randbedingung, daß Ik(zl) größer ist als Ie(zl) und Ii (zl) .
Zur Feinfokussierung mit einer hohen Auflösung werden die Konfokalbereiche in den Kanälen 13, 14 und 15 ausgewertet. Als Kontrastfunktionen werden dabei bespielsweise die Sum- men über den Quadraten der Abweichung der Pixelintensität von der mittleren Intensität in den konfokalen Bereichen gebildet.
So entstehen drei konfokale steilflankige Kontrastfunktionen, nämlich eine extrafokale Kontrastfunktion 27, eine intrafokale Kontrastfunktion 28 und eine konjugierte Kontrastfunktion 29, deren Abhängigkeit vom Fokusparameter z zusammen mit den Intensitätsfunktionen 24, 25 und 26 des nichtkonfokalen Bereiches in Fig.4 dargestellt ist. Hier ergeben sich drei Funktionen mit geringer Halbwertsbreite, die jeweils innerhalb der breiten Intensitätsfunktionen 24, 25 und 26 nach Fig.3 liegen und stark von den Konfokalparametern Pinholedurchmesser, Abbildungsapertur und Abbil- dungsvergrößerung abhängig sind.
Die Notwendigkeit zur Feinfokussierung wird wie folgt bestimmt :
1. Messung der Kontrastfunktionen im gleichen Fokusort zl, wobei die Kontrastfunktion für den extrafokalen Kanal 13 als Wert Ke(zl), für den intrafokalen Kanal 14 als Wert Ki(zl) und für den konjugierten Kanal 15 als Wert Kk(zl) definiert wird; 2. Sofern Ke(zl) kleiner ist als Ki(zl), erfolgt die Feinfokussierung in extrafokaler Richtung;
3. Sofern Ke(zl) größer ist als Ki(zl), erfolgt die Feinfokussierung intrafokaler Richtung;
4. Ist Ke(zl) gleich Ki(zl), erfolgt keine Fokussierung.
Hierbei gilt die Randbedingung, daß Kk(zl) größer ist als Ke(zl) sowie Ki(zl) und Ke(zl) ungefähr Ki(zl) ist. Fig.5 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung dahingehend weiterentwickelt, daß in der Autofokussierungsbildebene des konjugierten Kanals 15 (vgl. Fig.l) ein Spektralapparat 30 angeordnet ist, während sich in der Autofokussierungsbildebene des extrafokalen Kanals 13 ein spaltenförmiger Empfänger 31 und in der Autufokussierungsbildebene des intrafokalen Kanals 14 ein spaltenförmiger Empfänger 32 befindet. Zur definierten Einführung eines Farblängsfehlers ist im Objektivstrahlengang zwischen der Tubuslinse 5 und dem Objektiv 6 ein Chromatobjektiv 35 angeordnet.
Die Verwendung des Spektralapparates 30 in Verbindung mit dem Chromatobjektiv 35 erbringt durch die Auswertung eines Falschfarbenspektrums des konjugierten optischen Kanals 15 eine zusätzliche Information zur Feineinstellung der Fokusebene, wobei die Auswertung in der Auswerteeinheit durch einen Vergleich der aktuell ermittelten Farbinformation mit der gespeicherten Farbinformation für ein richtig fokus- siertes Höhenprofil erfolgt.
Wegen der Höhenstrukturierung des Beobachtungsobjektes 7 ergibt sich bei konfokaler Bildgenerierung im Hauptbildfeld eine sehr differenzierte Situation bei der „Scharfeinstel- lung einer Objektszene". Es entsteht, wie in Fig.7 dargestellt, eine mehrdeutige Kontrastfunktion 34 im Hauptbild als Funktion des Fokuswertes z.
Fig.7 zeigt das Charakteristikum bei stark konfokaler Ab- bildung, das heißt bei Beobachtungsobjekten mit Tiefencharakter sowie mehreren reflektierenden Beobachtungsebenen des Beobachtungsobjektes 7. Somit werden verschiedene Bil- der des Beobachtungsobjektes 7 über den Fokuswert z entsprechend der Eigenschaften des Beobachtungsobjektes 7, wie Höhenprofil und Reflexionseigenschaften, in verschiedenen Objektebenen erzeugt.
Eine eindeutige Unterscheidung von Objektebenen ist daher möglich, sie setzt jedoch eine Höhenkodierung voraus.
Der konjugierte Kanal 15 wird hierbei komplett konfokal er- zeugt und beleuchtet den Eintrittsspalt des Spektralapparates 30. Die Fokussierung erfolgt analog der bereits weiter oben dargelegten Verfahrensweise. Gleiches trifft auf die Auswertung der optischen Signale im extra- und intrafokalen Kanal 13 bzw. 14 bezüglich der nichtkonfokalen Strahlquer- schnittsbereiche zu. Dazu sind in Fig.6, Fig.7 und Fig.8 verschiedene Kontrastfunktionen dargestellt.
Um die Fokusebene eindeutig bestimmen zu können, wird zusätzlich das Falschfarbenspektrum des konjugierten Kanals 15 ausgewertet. Bei Verwendung einer breitbandigen Beleuchtungsquelle 1 weist dieses Spektrum einen festen Abstand der Farbmaxima zueinander auf . Eine Reflexionsebene wird durch Fokussierung des Beobachtungsobjektes 7 und nachfolgende Beobachtung des Spektrums so gewählt, daß das zugehö- rende Maximum auf die kurzwelligste Farbe des Beleuchtungsspektrums eingestellt wird.
Für die weitere Feinfokussierung werden wiederum die Konfokalbereiche der extra- und intrafokalen Kanäle 13 und 14 ausgewertet. Eine endgültige Feinfokussierung der vorausgewählten Reflexebene erfolgt dabei wie bereits beschrieben. Eine zusätzliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig.9 dargestellt. Anstelle des Hauptbildteilers 4 (Fig.l und Fig.5) wird ein Polarisator 36 verwendet. Ferner befinden sich zwischen dem Objektiv 6 und der Tubus- linse 5 eine λ/4-Platte 37.
Über eine in der Empfängerbildebene 8 angeordnete Reflexionsfläche 40 gelangt ein vom Beobachtungsobjekt 7 reflektierter sowie durch den Polarisator hindurchgehender Anteil des polarisierten Lichtes erneut auf das Beobachtungsobjekt 7 und wird dann durch die Anordnung der λ/4-Platte 37 über die teilreflektierende Schicht 3 des Polarisators 36 in den Autofokussierungzweig abgelenkt.
In diesem Falle werden, entsprechend einer bereits beschriebenen Ausgestaltung, die durch die Kanäle 13, 14, 15 definierten Objektregionen über die Übertragungsoptik 20 auf nur einem Empfänger 33 abgebildet.
Der Empfänger 33 ermöglicht eine zeitgleiche Auswertung des extrafokalen, des intrafokalen sowie des konjugierten Signales . Die sich dabei ergebenden Unterschiede in den Abbildungsmaßstäben sind, wie bereits beschrieben, für die Bestimmung der Fokuslage unerheblich.
Bezugszeichenliste
Beleuchtungsquelle Strahlengang teilreflektierende Schicht Hauptbildteiler Tubuslinse Objektiv Beobachtungsobj ekt Beobachtungsbildebene Zwischenbildebene Autofokussierungsteilerprisma Bildbündel optische Achse extrafokaler Kanal intrafokaler Kanal konjugierter Kanal extrafokale Ebene intrafokale Ebene konjugierte Ebene Sensorzweig Übertragungsoptik ,22,23 Autofokussierungsbildebene Intensitätsfunktion extrafokaler Kanal Intensitätsfunktion intrafokaler Kanal Intensitätsfunktion konjugierter
Kanal Kontrastfunktion extrafokaler Kanal 28 Kontrastfunktion intrafokaler Kanal
29 Kontrastfunktion konjugierter Kanal 30 Spektralapparat
31 Empfängerzeile für extrafokalen Ka- 5 nal
32 Empfängerzeile für intrafokalen Kanal
33 Empfänger
34 Kontrastfunktion 10 35 Chromatobjektiv
36 Polarisator
37 λ/4 - Platte
39 Lichtanteil polarisierten Lichtes
40 Reflexionsfläche

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur konfokalen Autofokussierung von optischen Geräten, bevorzugt von Mikroskopen, bei denen ein Beleuchtungsstrahlengang (2) auf ein Beobachtungsobjekt (7) gerichtet ist, aus dem vom Beobachtungsobjekt (7) in ein Objektiv (6) reflektierten Licht sowohl Bildin- formationen von der Oberfläche des Beobachtungsobjektes (7) als auch Informationen über die Fokuslage gewonnen werden und anhand dieser Informationen mittels einer Auswerte- und Einstelleinheit eine Korrektur der Fokuslage veranlaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildinformationen und die Informationen über die Fokus- läge in verschiedenen, örtlich voneinander getrennt verlaufenden optischen Zweigen innerhalb des Objektivstrahlenganges geführt sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des Objektivstrahlenganges ein Lichtbündel (11) als Bildubertragungszweig und in der Peripherie des Objektivstrahlenganges ein Autofokussierungszweig verlaufen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Bildubertragungszweig und der Autofokussierungszweig mit einer gemeinsamen Beleuchtungsquelle (1) optisch verbunden sind.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Ausbildung und Auswer- tung dreier innerhalb des Autofokussierungszweiges verlaufender optischer Kanäle (13,14,15) vorgesehen sind, von denen ein erster ein extrafokales, ein zweiter ein intrafokales und ein dritter ein in Richtung der opti- sehen Achse (12) konjugiertes Signal für jeweils eine Autofokussierungsbildebene (21,22,23) liefert.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Kanäle (13,14,15) nebeneinander verlau- fend angeordnet sind und jeder Kanal (13,14,15) einen konfokalen und einen nicht konfokalen Bereich in seinem Strahlquerschnitt aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Kanäle (13,14,15) spaltenförmige
Blenden in den Beleuchtungsstrahlengang eingeordnet sind, wobei die Blenden in den konfokalen Bereichen in Zeilen und/oder Spalten angeordnete Pinholes aufweisen.
7. Anordnung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einer der Kanäle (13,14,15) mit einer Empfangseinrichtung der Auswerte- und Einstelleinheit korrespondiert, wobei jeder der Kanäle (13,14,15) eine Region der Oberfläche des Beobachtungsobjektes (7) auf jeweils eine Empfängerzeile (30,31,32) abbildet.
8. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Objektivstrahlengang zwischen der Tubuslinse (5) und dem Objektiv (6) ein Chromatob- jektiv (35) und in der Autofokussierungsbildebene (23) des ein konjugiertes Signal liefernden Kanals (15) ein Spektralapparat (30) vorgesehen sind.
9. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung des Autofokussierungszweiges aus dem Beleuchtungsstrahlengang vor einer Beleuchtungsbildebene (9) ein Strahlteiler (10) mit einer für das von der Beleuchtungsquelle (1) kommende und auf die Oberfläche des Beobachtungsobjektes (7) gerichtete Beleuchtungslicht durchlässigen und für das im Autofokussierungszweig von der Oberfläche des Beobach- tungsobjektes (7) kommende Licht reflektierenden Schicht angeordnet ist .
10. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, insbesondere ausgebildet zur konfokalen Autofokussierung bei einem Mikroskop, bei dem der Hauptbildteiler (4) als Polarisator (36) ausgebildet ist, zwischen dem Objektiv (6) und der Tubuslinse (5) eine λ/4-Platte (37) angeordnet ist, der vom Beobachtungsobjekt (7) reflektierte, durch den Polarisator (36) in die Beobachtungsbil- debene (8) gelangende Anteil des polarisierten Lichtes (39) auf eine in der Beobachtungsbildebene (8) liegende Reflexionsfläche (40) gerichtet ist, das polarisierte Licht (39) im rückwärtigen Strahlengang erneut auf das Beobachtungobjekt (7) trifft und schließlich nach dem vierten Durchlauf durch die λ/4-Platte (37) eine Polarisationsrichtung hat, bei der es von der Teilerschicht des Polarisators (36) als Autofokussignal zum Sensorzweig hin abgelenkt wird.
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