CN107250872A - 使用明场暗场物镜的独特的倾斜照明技术及与其相关的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于使用成像系统对样本的表面进行成像的方法，该成像系统利用具有暗场通道和明场通道的BD物镜，BD物镜具有圆周。使用第一弧形照射光通过暗场通道倾斜地照射样本，第一弧形照射光遍布圆周的第一弧倾斜地照射样本。从样本表面反射出来的第一弧形照射光被记录为来自从样本表面反射出来的第一弧形照射光的样本的第一图像，并且处理器通过形貌成像技术处理第一图像来生成样本的3D形貌。还提供成像设备，作为其他实施例的进一步的处理步骤。

Description

使用明场暗场物镜的独特的倾斜照明技术及与其相关的成像 方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月14日提交的美国临时专利申请No.62/063,564的权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体涉及成像技术和设备。在特定实施例中，本发明涉及形貌成像技术。在特定实施例中，本发明涉及利用明场/暗场物镜的成像设备，以及通过在暗场通道中利用挡光板对此类设备进行的改进。

背景技术

用于创建3D形貌的标准技术包括触针仪器、轮廓仪、超声换能器和激光三角测量等。从明暗恢复形状(SFS)和光度立体技术(PMS)已经用于通过使用一个或多个光源2、3照射样本1来创建形貌，光源2、3将倾斜光4、5以从5度至85度并且更通常从25度至75度的角度引导朝向样本1，如图1概括地表示的。倾斜照射从物体的表面S作为反射光6反射，并且被图像传感器(未示出)诸如数字相机7的CCD或CMOS传感器捕获。光源移动到围绕物体周向定位的不同位置，其中在这些不同位置获取图像。这些图像用于通过已知的方式利用适当的(一个或多个)处理器8来计算样本1的形貌。

利用明场和暗场功能的标准反射光显微镜在图2和图3中示出。在该示例中，显微镜10配备有相机12。也可以存在目镜，使得数字12广泛地表示目镜和/或相机。虽然以下描述将是指反射光显微镜，但是类似的技术也适用于使用明场/暗场显微镜物镜的透射光学显微镜或仪器。在下面的描述中将参考反射光显微镜10，但是该技术可以应用于使用明场/暗场物镜的任何成像系统。系统通常由提供光24的光源14、垂直照射器16、明场/暗场(BD)开关18以及BD物镜20组成。美国专利US3930713和US4687304描述了BD物镜。在标准BD物镜20中，设置两个通道以将光引导到样本1。光24被引导到反射镜25，反射镜25使光24向下通过垂直照射器16、换镜旋座28和BD物镜20朝向样本1反射。如示意性所示，BD开关18用于限制光24通过由屏蔽壁21分隔开的明场通道22或暗场通道26。如图2所示，在BD开关18处于明场位置的情况下，光24被限制为从反射镜25反射进入明场通道22的光束，明场通道22以垂直于样本1的平面的角度(90度)引导照射光24'通过BD物镜20朝向样本1的表面S，并且允许反射光30传递到目镜或相机12。如图3所示，当BD开关18处于暗场位置时，光24被限制为从反射镜25反射进入暗场通道26的环形光束，暗场通道26是以小于90度并且通常为25度至75度的角度引导照射光24"朝向样本的环形通道。

从图2中可以看出，明场中的光路(照射光24')通过换镜旋座28的中心并通过BD物镜20的明场通道22投射。反射光30通过明场通道22通过换镜旋座28和管透镜32被反射回，并且受任何目镜影响和/或由相机12捕获。在此可以看出，明场中的照射光24'与样本1的表面S成90度，并且测量的反射光30平行于照射光24'但是在相反的方向中行进。投射的照射光24'照射整个视场。

图3示出暗场模式下的显微镜10。在此，光24被暗场开关18阻挡，使得光不通过明场通道22，而是作为照射光24"被引导通过暗场通道26。这产生以由物镜20的设计和暗场通道26的壁确定的倾斜角度向样本1突出的环形光束(或者换句话说为空心圆柱体或环形圆柱体)。如已知的，BD物镜将具有内置在物镜中的反射镜和/或棱镜和/或光扩散器以引导倾斜光。照射光24"从样本1的表面S反射出来，并且反射光30向上从明场通道行进到目镜或相机12。投射的暗场照射光24"从物镜的整个周边(360度)照射整个视场。

在明场成像中，可以看出，摄入样本1的至少一部分的视场F由直接90度照射填充(入射照射光24'与样本1的一般静息平面正交)，而在暗场成像中，通过倾斜照射(入射照射光24"与样本1的一般静息平面成倾斜角度)填充视场F。暗场照射遍布BD物镜20的360度圆周均匀分布。

发明内容

在第一实施例中，本发明提供了一种用于使用成像系统对样本的表面进行成像的方法，成像系统利用具有暗场通道和明场通道的BD物镜，BD物镜具有圆周，该方法包括如下步骤：使用第一弧形照射光通过暗场通道倾斜地照射样本，第一弧形照射光遍布圆周的第一弧倾斜地照射样本，所述第一弧形照射光从样本表面反射出来；从样本表面反射出来的第一弧形照射光记录样本的第一图像；以及通过形貌成像技术处理第一图像来生成样本的3D形貌。

在第二实施例中，本发明提供了如在前述实施例中的任一项中所述的成像系统，其中第一弧为1度或更大到180度或更小。

在第三实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像系统，其中所述第一弧为2度更大到5度或更小。

在第四实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像系统，其进一步包括以下步骤：使用第二弧形照射光通过暗场通道倾斜地照射样本，第二弧形照射光倾遍布圆周的不同于所述第一弧的第二弧倾斜地照射样本，所述第二弧形照射光从样本的表面反射出来；以及从样本表面反射出来的第二弧形照射光记录样本的第二图像，其中生成3D形貌的所述步骤包括通过形貌图像技术处理第二图像。

在第五实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像系统，其中所有所述倾斜照射步骤包括：在暗场通道中提供挡光板，挡光板具有不允许光从中通过其中的主体，以及允许光从中通过的在主体中的暗场开口，并且将到暗场通道中的照射光输送到挡光板并通过暗场开口，以提供倾斜地照射样本的弧形照射光。

在第六实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像系统，包括处理器控制任何所述倾斜照射步骤的倾斜照射并控制任何图像记录步骤。

在第七实施例中，本发明提供了如在前述实施例中的任一项中所述的成像系统，其中处理器控制生成3D形貌的所述步骤。

在第八实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像系统，包括以下步骤：使用明场照射光通过明场通道正交地照射样本，所述明场照射光从样本表面反射出来；以及从样本表面反射出来的明场照射光记录样本的第三图像，其中生成3D形貌的所述步骤包括通过形貌图像技术处理第三图像。

在第九实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像系统，其中形貌成像技术选自从明暗恢复形状、光度立体技术和傅里叶重叠关联调制技术。

在第十实施例中，本发明提供对用于对样本表面进行成像的成像设备的改进，成像设备利用具有暗场通道和明场通道的BD物镜，BD物镜具有圆周。改进包括在暗场通道中设置挡光板，挡光板具有不允许光从中通过的主体以及允许光从中通过的暗场开口，使得主体阻挡照射光通过暗场通道朝向样本行进。开口限定了用于通过暗场通道朝向样本行进的照射光的通道，并且因此限定了从仅遍布圆周弧的离散方向通过暗场通道倾斜地照射样本的弧形照射光。

在第十一实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像设备，其中所述弧为1度或更大到180度或更小。

在第十二实施例中，本发明提供一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像设备，其中所述弧为2度或更大到5度或更小。

在第十三实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像设备，其进一步包括对由所述成像设备获取的图像利用形貌成像技术的处理器。

在第十四实施例中，本发明提供了一种如在前述实施例中的任一项中所述的成像设备，其中所述挡光板旋转以便允许所述开口放置在所述圆周周围的可变位置处。

附图说明

图1是用于通过相机进行记录的样本的倾斜照射的现有技术方法和设备的示意图；

图2是以明场成像模式示出的现有技术的明场/暗场显微镜的示意图；

图3是以暗场成像模式示出的现有技术的明场/暗场显微镜的示意图；

图4是以明场成像模式示出的根据本发明的明场/暗场显微镜的示意图；

图5是以暗场成像模式示出的根据本发明的明场/暗场显微镜的示意图；

图6是本发明的挡光板的实施例的俯视图；

图7是本发明的挡光板的实施例的侧视图。

图8A是本发明的挡光板的另一实施例的示意图，其示出了提供多个插塞以选择性地覆盖和露出其中的两个开口的插塞单元，其中插塞移动以露出左侧的开口并覆盖右侧的开口；

图8B是图8A的挡光板的实施例的示意图，但是插塞移动以露出右侧的开口并覆盖左侧的开口；

图9A是本发明的挡光板的另一实施例的示意图，其示出了其中具有多个开口的主体，每个开口具有其自己的单独致动的插塞，单独致动的插塞被致动以打开或关闭其相关联的开口；以及

图9A是图9A的挡光板实施例的示意图，但是示出了通过相关联的插塞的移动打开的不同开口。

具体实施方式

本发明使用BD物镜来修改标准BD显微镜或其他仪器，使得在明场中，BD物镜正常地透射光并如上所述。在暗场中，透射通过暗场通道的光受到限制，使得暗场照射未遍布BD物镜的整个360度圆周，而是仅遍布圆周的一部分。

参考图4和5，根据本发明的利用明场和暗场功能的显微镜被示出并由数字110表示。在该实施例中，显微镜110配备有相机112。也可以存在目镜，使得112广泛地表示目镜和/或相机。虽然以下描述将涉及反射光显微镜，但是类似的技术也适用于使用BD物镜的透射光显微镜或其他仪器。系统通常由提供光124的光源114、垂直照射器116(光导)、明场/暗场(BD)开关118和BD物镜120组成。如在标准BD物镜20中一样，提供两个通道将光引导到样本1。光124被引导到反射镜125，反射镜125使光124向下通过垂直照射器116、换镜旋座128和BD物镜120朝向样本1反射。

如示意性所示，BD开关118用于限制光124通过由屏蔽壁121分隔开的明场通道122(图4)或暗场通道126(图5)。在BD开关118处于如图4所示的明场位置的情况下，光124被限制为从反射镜125反射出来作为照射光124'进入明场通道122的光束，明场通道122以垂直于样本1的平面的角度(90度)引导照射光124'通过BD物镜120朝向样本1的表面S，并且允许反射光130传递到目镜或相机112。如图5A所示，当BD开关118处于暗场位置时，光124被限制为从反射镜125反射出来进入暗场通道126的环形光束，暗场通道126是以小于90度并且通常为25度至75度的角度引导从中通过的光朝向样本的环形通道。

在一些实施例中，暗场通道126以小于90度的角度引导照射光朝向样本，在其他实施例中，小于80度，在其他实施例中，小于70度，在其他实施例中，小于80度，在其他实施例中，小于70度，在其他实施例中，小于60度，在其他实施例中，小于50度，在其他实施例中，小于40度，并且在其他实施例中，小于30度。在一些实施例中，暗场通道126以大于20度的角度将照射光引导朝向样本，在其他实施例中，大于30度；在其他实施例中，大于40度；在其他实施例中，大于50度。

物镜的远端与样本之间的距离称为工作距离(参见图5A)。在一些实施例中，工作距离为从0.05mm或更大至40mm或更小。在一些实施例中，工作距离为从0.7mm或更大至30mm或更小，并且在其他实施例中为从1mm或更大至25mm或更小。在一些实施例中，工作距离为10mm或更小，在其他实施例中，为5mm或更小，在其他实施例中，为3mm或更小，在其他实施例中，为2mm或更小，在其他实施例中，为1.5mm或更小，并且在其他实施例中，为1mm或更小。

在一些实施例中，BD物镜20的视场小于10mm。在一些实施例中，BD物镜的视场小于5mm，在其他实施例中，小于2mm，在其他实施例中，小于1mm，在其他实施例中，小于500μm，在其他实施例中，小于200μm，在其他实施例中，小于100μm，在其他实施例中，小于50μm。

当以例如小于10μm的大小观察微观样本时，根据物镜的工作距离，显微镜物镜距样本表面的距离通常小于5mm。例如，50x物镜的典型工作距离WD小于2mm，并且对于100x物镜，工作距离通常为1mm或更小。物镜的物理外直径通常在20mm至50mm之间。作为示例，在直径为20mm的样本和WD为5mm的情况下，从表面投射出来的光的角度将为大约为26度。在更可能的WD为1mm的情况下，投射在样本上的光的角度将为6度。光度立体技术最佳地使用成30度至80度的照射。然而，在大多数显微镜用例中，由于倾斜照射的低入射，使用光度立体技术或需要倾斜照明的其他成像技术不可能确定样本的形貌。

本发明使用物镜的暗场通道将光引导到样本的表面上。这允许光源更靠近垂直照射轴。在上述标准照射中，光必须在物镜的半径之外。暗场通道的使用允许光源在样本的半径内，并且基本上与光路相邻。与垂直轴的距离现在可以近似等于WD，从而允许照射角度为45度。该角度可以随着物镜的设计而略微变化，但通常在25度至75度的范围内。因此，根据本发明的成像系统实现了倾斜照射角度，尽管在许多应用中需要非常紧凑的工作距离。本文教导的方法可以用于确定显微镜应用中不能通过标准方法实现的形貌。

从图4中可以看出，明场中的光路(照射光124')投射通过换镜旋座128的中心并通过BD物镜120的明场通道122。反射光130通过明场通道122、换镜旋座128和管透镜132被反射回，并且受任何目镜影响和/或由相机112捕获。在此可以看出，明场中的照射光124'与样本1的一般静息平面成90度，并且测量的反射光130平行于照射光124'但是在相反的方向中行进。图4示出样本1和投射到样本1上的明场照射光124'的示意性横截面图。投射的明场照射光124'照射整个视场。

图5示出了暗场模式中的显微镜110。在此，光124被暗场开关118阻挡，使得光不通过明场通道122，而是作为照射光124″被引导通过暗场通道126。与现有技术的图3的实施例一样，光124的这种阻挡产生从反射镜125反射出来并朝向样本1投射的光的环形光束(或者换句话说为中空圆柱体或环形圆柱体)。然而，优于现有技术的是，照射光124″的该环形光束的整体不会以由物镜120的设计和暗视场通道126的壁确定的倾斜角度到达样本。相反，只有小于BD物镜的整个360度圆周的光的一部分作为弧形照射光124*被向下输送到暗场通道以到达样本。该弧形照射光124*仍然照射整个视场，但是不是从物镜的整个360度圆周这样做，而是从有限度数(或弧分)的离散方向，即仅仅从圆周的一部分这样做。在其他实施例中，弧形照射光124*的暗场投射从有限度数(或弧分)的离散方向照射整个视场，并且暗场照射没有任何将干扰由倾斜引入的弧形照射光124*引起的表面阴影的附加照射。这通过将挡光板140定位在照射光124″的路径中来实现。

在一些实施例中，诸如图6中所示的实施例，挡光板140具有其中具有暗场开口144的主体142，使得不需要的照射光124″被阻挡，而期望的弧形照射光124*遍布小于在现有技术中实践的整个360度圆周穿过开口以朝向样本1投射。挡光板140的主体142不使照射光124″穿过，而暗场开口144简单地限定用于照射光124″的开口路径，然后，照射光124″被限定为在通过穿过挡光板开口144被限制之后的弧形照射光124*。挡光板140还限定用于明场通道122和照射光124'的明场开口146以及无论是来自明场照射还是来自暗场照射的所有反射光。

图5示出了样本1和投射到样本1上的弧形照射光124*的示意性横截面图。投射的弧形照射光124*照射整个视场，但以倾斜角度并从离散的位置照射。参考回图5，可以看出，只有暗场通道126的左侧被示出具有行进穿过其中的弧形照射光124*，因为这反映了暗场开口144在挡光板140中的位置。照射因此来自该方向，并且以倾斜角度横跨整个视场照射。

在一些实施例中，挡光板140固定在换镜旋座128中。在其他实施例中，挡光板140固定在垂直照射器116中。应当理解，也可以以其他方式诸如在BD物镜120中实现挡光板140及和本文相关的概念。

在一些实施例中，诸如图5A中的实施例，挡光板140安装在换镜旋座128中，并且固定到轴承壳体148，轴承壳体148固定到换镜旋座128，而不会妨碍暗场通道126和行进穿过其中的光，即，可期望光不受轴承壳体148侵入暗场通道126中的影响。轴承壳体148包括轴承150，轴承150允许挡光板140旋转以将暗场开口144定位在围绕BD物镜120的圆周的期望位置处，从而限定朝向样本1投射的弧形照射光124*。旋转在图6中由双头箭头A可视表示。

在一些实施例中，驱动器152用于旋转挡光板140以将暗场开口144放置在期望的位置。在一些实施例中，驱动器152是通过皮带154与挡光板140相互作用的马达，但是可以利用传动装置和其他相互作用。应当理解，驱动器152还可以是手动操纵的驱动器，诸如齿轮传动的或带式的或以其他方式与挡光板140相关联的轮子或旋钮，以使挡光板140旋转。

在一些实施例中，传感器156在适当的位置处安装到显微镜110，以识别挡光板140的零位置。当传感器与挡光板140上的参考元件158对准时，显微镜110上的传感器156将识别零位置。零位置建立挡光板140的且更具体地在其中的暗场开口144的已知起始位置，并且该已知的起始位置用于对成像进行索引，使得由相机112记录的每个图像相对于样本具有与其相关联的已知照明位置。

相机可以是在成像系统中有用的任何相机，并且特别用于对旨在用于形貌分析的样本成像。这些相机将经常采用CCD或CMOS传感器。

应当理解，可以以已知的方式来实现对显微镜的所有元件的控制，通常采用通过各种硬件和/或软件和/或固件来实现的一些或全部控制装置，这些硬件和/或软件和/或固件在本文中被表示和指定为处理器170。可以使用一个或多个处理器，并且可以使用各种硬件诸如操纵杆、继电器、开关等。处理器170可以记录从相机获取的图像，并用适当的算法对其进行编程，以分析一个或多个图像并重新创建被成像的样本的一部分的形貌图像。

对于由处理器170实现的形貌成像技术，使入射的倾斜光相对于物镜圆周的定位与特定图像相关联通常是有必要的或至少是有用的。由倾斜光产生的阴影取决于入射光相对于圆周的位置，并且建立零位置有助于自动化用于获取多个图像和基于这些多个图像来计算拓扑图的过程。一旦建立零位置，处理器和相关联硬件和/或固件和/或软件可以执行以下自动化过程：从围绕圆周第一位置提供倾斜照射，获取图像并收集图像数据并使图像数据与来自第一位置的照射相关联，然后从围绕圆周的第二位置提供倾斜照射，获取图像并收集图像数据并使图像数据与来自第二位置的位置数据的照射相关联；根据需要重复该过程，以从期望数量的照射位置获得期望数量的成像数据集。在一些实施例中，传感器156是光学接近传感器，其中当传感器156和参考元件158对准时，由传感器156照射的光被挡光板140上的参考元件158阻挡。在其他实施例中，传感器156为磁位置传感器，其通过感测用作参考元件的磁体来工作。机械限位开关和霍尔效应传感器是其他示例。

在一些实施例中，诸如图7的实施例，挡光板140具有线轴状形状，其具有带有分离侧壁164的两个相对的壁160、162。皮带诸如皮带154(或传动装置或其他驱动机构)可以接合侧壁164以驱动挡光板140。

在一些实施例中，诸如图8A和8B所示的实施例，挡光板240具有在暗场开口244a和244b处表示的多个开口，但是考虑到明显的大小限制，可以利用任何数量的开口。暗场开口244a、244b结合到挡光板的主体242的周边，使得可移动插塞245a和245b可用于选择性地阻挡相应的暗场开口244a、244b。在图8A的实施例中，暗场开口244a和244b彼此相对，并且可移动插塞245a和245b结合，从而形成插塞单元247，使得当可移动插塞245b阻挡暗场开口244b时，可移动插塞245a从暗场开口244a(如图8A中所示)移除，反之亦然(如图8B所示)。这允许光通过期望的暗场开口244a、244b，从而提供弧形照射光124*，并且还允许通过切换插塞单元247的定位来快速切换弧形照射光124*的定位。可以理解，可以采用多个狭缝和可移动插塞，并且每个插塞可以具有它自己的与在图8A和8B的本示例性实施例中建立的共同控制相反的控制。

在另一实施例中，诸如图9A和9B所示的实施例，挡光板340具有围绕挡光板的主体242的圆周间隔60度的六个暗场开口344a、344b、344c、344d、344e和344f。可以替代地使用任何期望的数量和位置。暗场开口344a至344f结合到挡光板340的主体342的周边，使得可移动插塞345a、345b、345c、345d、345e和345f可用于选择性地阻挡相应的暗场开口344a至344f。在该实施例中，可移动插塞345a至345f可以各自独立地致动以阻挡相应的开口。为可视地表示选择性运动，所示插塞345a从其在图9A中的开口344a移除，但所有其他插塞就位以阻挡它们相应的开口，而在图9B中，所示插塞345b从其开口344b移除，其中所有其他插塞就位以阻挡它们相应的开口。

在一些实施例中，此类插塞可以通过线性致动器、螺线管、偏心件或任何其他已知的运动控制方法来移动。使用线性致动器349a、349b、349c、349d、349f。

在任何实施例中，弧形照射光124*的大小可以基于实现的结果和期望的结果根据需要而变化。这需要选择暗场开口144(或244a、244b)的尺寸。在一些实施例中，弧形照射光124*的范围为从1度或更大至180度或更小(60弧分或更大至10,800弧分或更小)。在其他实施例中，弧形照射光124*的范围为从45度或更大至120度或更小(2,700弧分或更大至7,200弧分或更小)，在其他实施例中，为从30度或更大至45度或更小(1,800弧分或更大至2,700弧分或更小)，在其他实施例中，为从10度或更大至30度或更小(600弧分或更大至1,800弧分或更小)，在其他实施例中，为从5度或更大至10度或更小(300弧分或更大至600弧分或更小)，并且在其他实施例中，为从2度或更大至5度或更小(120弧分或更大至300弧分或更小)。弧形照射光的大小取决于暗场开口144相对于与其连通的环形暗场通道126的弧的大小。

本发明的另一方面是使用上述倾斜照明的BD显微镜来通过使用挡光板140从围绕BD物镜120的360度圆周的不同位置获取用弧形照射光124*倾斜照射的样本1的多个图像，并且根据形貌图像技术处理来自那些图像的数据来创建3D形貌。形貌成像技术的选择不限于任何特定的技术，而是在一些实施例中，选自从明暗恢复形状、光度立体技术和傅立叶重叠关联调制技术。处理器170从相机112接收成像数据，并且通过一种或多种形貌成像技术编程，以生成用于创建被成像的样本1的区域的形貌表示的数据。这在输出172处被表示。在已知弧形照射光的大小、数量和位置，倾斜照射的角度的情况下，使用已知技术诸如从明暗恢复形状、光度立体算法和傅里叶重叠关联调制算法可以生成3D形貌。

在一些形貌成像技术诸如从明暗恢复形状(SFS)中，从在单个位置处的弧形照射光生成的单个倾斜照射的样本图像可以足以生成形貌数据和图像。在其他形貌成像技术诸如光度立体技术中，从两个位置处的弧形照射光生成的至少两个倾斜照射的样本图像可以足以生成形貌数据和图像。在其他形貌成像技术诸如傅立叶重叠关联调制中，需要从两个位置处的弧形照射光生成的至少两个倾斜照射样本图像加上来自明场照射的图像来生成形貌数据，并且10个或更多个倾斜照射的样本图像将提供甚至更好的数据用于傅里叶重叠关联调制。该领域中的现有算法和尚未开发的算法将为普通技术人员提供有关所需图像类型的数量的知识。本发明不发明或改变算法，而是提供允许算法实现的方法和设备。

应当理解，在一些实施例中，处理器170(其再次表示任何数量的适当处理器、硬件、软件、固件)使对挡光板、照射、图像采集和形貌数据和/或图像的生成的控制自动化。

因此，本发明提供了使用成像系统对样本成像的方法，成像系统利用具有暗场通道和明场通道的BD物镜，并且围绕待成像的样本限定圆周。该方法包括：使用第一弧形照射光通过暗场通道倾斜地照射样本，第一弧形照射光遍布圆周的第一弧倾斜地照射样本；并且从样本的表面反射出来的第一弧形照射光获取提供样本的第一图像数据集的第一图像。在一些实施例中，该方法进一步包括通过形貌图像技术处理第一数据来生成样本的3D形貌。在一些实施例中，如上所述为弧形照射光124*选择弧的大小。

在其他实施例中，该方法包括：用第二弧形照射光通过暗场通道倾斜照射样本，该第二弧形照射光遍布BD物镜的圆周的不同于所述第一弧的第二弧倾斜地照射样本；并且从样本的表面反射出来的第二弧形照射光获取提供样本的第二图像数据集的第二图像。在其他实施例中，该方法进一步包括用明场照射光通过明场通道照射样本，并从样本表面反射出来的明场照射光获取样本的第三图像。在其他实施例中，该方法进一步包括对于产生n个图像数据集的任何n个图像，重复所述倾斜照射步骤和所述获取图像步骤。在其他实施例中，n为从2至12，在其他实施例中从为3至9，在其他实施例中为从4至7，并且在其他实施例中为6。

在其他实施例中，所述倾斜照射步骤包括：在暗场通道中提供挡光板，挡光板具有不允许光从中通过的主体，以及允许光从中通过的在主体中的暗场开口；并且将到暗场通道中的照射光输送到挡光板并通过暗场开口，以提供倾斜照射样本的弧形照射光。

在其他实施例中，该方法包括控制任何所述倾斜照射步骤的倾斜照射并控制任何所述图像获取步骤的处理器和关联硬件和/或固件和/或软件。在其他实施例中，相同或不同的处理器和关联硬件和/或固件和/或软件控制生成3D形貌的所述步骤。

在一些实施例中，挡光板140可以保持静止以允许从单个位置捕获图像。在一些实施例中，挡光板140可以旋转以允许在暗场开口144的已知的、特定位置处捕获多个图像。在一些实施例中，挡光板(诸如挡光板240)将具有多个开口和插塞，其中插塞被顺序地操纵以打开用于弧形照射光124*的路径。在一些实施例中，这些位置通常是对称的，诸如间隔180度捕获两个图像；间隔120度捕获的三个图像，间隔60度捕获六个图像等。应当理解，这些测量将使每个弧形照射的每个弧的中点作为参考点，并且从中点到中点进行测量。应当理解，本发明允许使用暗场倾斜光捕获一个或多个图像，并且仍然允许以90度捕获明场图像。

鉴于上述内容，应当理解，本发明通过提供以多种方式在结构和功能上改进的成像系统和形貌成像方法显著地促进了本领域的技术。尽管在本文中已经详细公开了本发明的具体实施例，但是应当理解，本发明不限于此，因为本领域普通技术人员容易地理解本发明的变型。从随附权利要求可以理解本发明的范围。

Claims (14)

1.一种用于使用成像系统对样本的表面进行成像的方法，所述成像系统利用具有暗场通道和明场通道的BD物镜，所述BD物镜具有圆周，所述方法包括以下步骤：

使用第一弧形照射光通过所述暗场通道倾斜地照射所述样本，所述第一弧形照射光遍布所述圆周的第一弧倾斜地照射所述样本，所述第一弧形照射光从所述样本的所述表面反射出来；以及

从所述样本的所述表面反射出来的所述第一弧形照射光来记录所述样本的第一图像；以及

通过形貌成像技术处理所述第一图像来生成所述样本的3D形貌。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一弧为从1度或更大到180度或更小。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一弧为从2度或更大到5度或更小。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤：

使用第二弧形照射光通过所述暗场通道倾斜地照射所述样本，所述第二弧形照射光遍布所述圆周的与所述第一弧不同的第二弧倾斜地照射所述样本，所述第二弧形照射光从所述样本表面反射出来；以及

从所述样本表面反射出来的所述第二弧形照射光来记录所述样本的第二图像，其中生成3D形貌的所述步骤包括通过形貌成像技术处理所述第二图像。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所有所述倾斜照射步骤包括：

在所述暗场通道中提供挡光板，所述挡光板具有不允许光从中通过的主体，以及允许光从中通过的在所述主体中的暗场开口，以及

将到所述暗场通道中的照射光输送到所述挡光板并通过所述暗场开口，以提供倾斜照射所述样本的所述弧形照射光。

6.根据权利要求5所述的方法，其包括处理器控制任何所述倾斜照射步骤的所述倾斜照射并控制任何所述图像记录步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述处理器控制生成3D形貌的所述步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括以下步骤：

使用明场照射光通过所述明场通道正交地照射所述样本，所述明场照射光从所述样本的所述表面反射出来；以及

从所述样本的所述表面反射出来的所述明场照射光记录所述样本的第三图像，其中生成3D形貌的所述步骤包括通过形貌图像技术处理所述第三图像。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述形貌成像技术选自从明暗恢复形状、光度立体技术和傅里叶重叠关联调制技术。

10.在一种用于对样本表面进行成像的成像设备中，所述成像设备利用具有暗场通道和明场通道的BD物镜，所述BD物镜具有圆周，所述改进包括：

在所述暗场通道中设置挡光板，所述挡光板具有不允许光从中通过的主体，以及允许光从中通过的在所述主体中的暗场开口，使得所述主体阻挡照射光通过所述暗场通道朝向所述样本行进，并且所述开口限定用于通过所述暗场通道朝向所述样本行进的所述照射光的通道，所述开口因此限定了从仅遍布所述圆周的弧的离散方向通过所述暗场通道倾斜地照射样本的弧形照射光。

11.根据权利要求10所述的成像设备，其中所述弧为从1度或更大到180度或更小。

12.根据权利要求11所述的成像设备，其中所述弧为从2度或更大至5度或更小。

13.根据权利要求12所述的成像设备，其进一步包括对由所述成像设备获取的图像利用形貌成像技术的处理器。

14.根据权利要求10所述的成像设备，其中所述挡光板旋转，以便允许所述开口放置在所述圆周周围的可变位置处。