CN1781049A - 用于在样品成像时确定焦点位置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在样品(4)成像时确定焦点位置的方法，其中将视场光阑成像到样品上，这个成像借助于相对于视场光阑倾斜的、对位置灵敏的接收装置来检测，并且依照在接收装置上的亮度分布来确定焦点位置。此外，本发明涉及一种用于实施根据本发明的方法的装置。根据本发明，在文章开始处提到的类型的方法中，视场光阑到样品(4)上的成像至少部分地由光栅的成像来叠加；借助于对位置灵敏的接收装置，得到由样品反射的光的强度值；这些强度值被分配给在接收装置上的位置；由此确定关于位置的反差值；依照这些反差值，确定作为当前焦点位置的等价的、在接收装置上反差重心的位置。

Description

用于在样品成像时确定焦点位置的方法和装置

本发明涉及一种用于在样品成像时确定焦点位置的方法，其中将视场光阑成像到样品上，借助于相对于视场光阑倾斜的、对位置灵敏的接收装置来检测这个成像，并且依照在接收装置上的亮度分布来确定焦点位置。此外，本发明涉及用于实施根据本发明的方法的装置。

为了借助于成像光学系统准确地获取样品或样品段的成像，需要的是，将样品精确地放置到成像光学装置的焦点位置。如果成像不清晰，则重要的是知道，以多少量和以哪个方向来改变样品相对于成像光学装置的位置，并且在必要时导出相应的调节命令，这些命令能够用于后续的聚焦。

在这个方面，主要已知三角方法、具有反差分析的成像方法和借助于倾斜设置的共焦的狭缝光阑的定位。

在三角方法中，经准直的激光束被反射进成像物镜的光圈面，并且根据这个激光束相对于成像光路的曲线走向而闭合到由样品反射的激光的Z位置。

这种处理方法的主要缺点在于，通过在不同深度的样品面中的激光成像而出现像差，并且由此所检测的关于给定景深的信号变化较大。

在确定焦点位置时，精度不利地依赖于，是否得到检测器接收区域的中心的测量结果或者外围的测量结果。为了补偿这种效应，必须在多个迭代步骤中确定焦点位置，这导致，这种处理方法需要较多时间。

在利用反差分析的成像方法中，通过以下方式以栅形的强度分布照射样品，即将光栅设置到照明光路的视场光阑面中。这样照射的样品被成像到接收装置上。以这种方式拍摄一组具有在成像光学系统和样品之间的不同距离的图像，并且从中确定具有最高反差的图像。配属于这个图像的、在成像光学系统和样品之间的距离作为最佳聚焦距离。

其缺点在于，为了拍摄该组图像，必须以高的精度使用许多不同的Z位置，从而这种处理方法也需要相当长的时间。

在借助于倾斜设置的共焦的狭缝光阑的定位中，将狭缝光阑设置到照明光路的视场光阑中。在此由样品反射的光线射向相对于狭缝光阑倾斜设置的CCD行，并且在CCD行上确定这样的位置，在该位置上发射光具有最大值。因为在这种处理方法中能够利用在CCD行上唯一的成像来计算焦点位置，所以较短时间的焦点确定的结果。

当然存在缺点，因为在样品上的杂质或者在样品表面的干扰结构引起强度变化，该强度变化能够导致错误的测量结果。这种处理方法的主要问题是在将狭缝成像到CCD行上时很高的调整花费，因为狭缝(或行)必须很窄，以便能够达到较高的精度。此外，需要严格校准的成像光学系统。

特别在芯片制作中，力求越来越细微的结构和越来越薄的层，这导致，对用于检验制造精度的检查方法的要求也越来越高。相应地，要求尽可能不中断制造流程的、越来越快和越来越精确的聚焦。

以此为出发点，本发明所基于的任务是，进一步提供在确定焦点位置时的精度，并且还说明这样的装置，该装置能够实施这样一种更精确的方法。

本发明属于借助于倾斜设置的狭缝光阑确定位置的主题范围。

根据本发明，在文章开始处提到的类型的方法中，在所述方法中将视场光阑成像到样品上并将这个成像至少部分地与光栅的成像相叠加，借助于相对于视场光阑倾斜的对位置灵敏的接收装置来获取由样品所反射的光线的强度值。这些强度值配属于在接收装置上的位置。由关于位置的强度值确定关于位置的反差值，并根据这些反差值确定作为当前焦点位置的等价的、在接收装置上反差重心的位置。

不同于按照现有技术的相关方法，不是作为在接收装置上强度最大量的等价来获取焦点位置，而是将光阑成像与光栅成像相叠加，这使得能够，确定关于位置的反差值，并基于这些反差值来确定当前焦点位置。

相对于迄今已知的方法，这具有以下主要优点，即大大降低校正工作。此外，在确定焦点位置时的结果不再同样受本底噪声、样品上的杂质或干扰的样品结构歪曲。在这方面，利用本发明提供一种快速的方法，该方法相比于现有技术保证显著更高的精度。

在本发明方法的一个优选的扩展方案中设置，按照以下函数来确定关于位置的反差值I(y_i)，即

i  I(y_i)：＝|I(x_i)-I(x_i+n)|其中，I(x_i)表示强度值，该强度值配属于在接收装置上的位置x_i，而I(x_i+n)是这样的强度值，该强度值配属于邻近的位置x_i+n。在此，n优先地在1和20之间来选择。

在确定关于位置的反差值之后，按照以下函数确定位置作为当前焦点位置P_f的等价，即

$P_f:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}$

其中，涉及所有大于预定最小值I_min的反差值I(y_i)。

由此，在许多应用情况下，已经在减少校正工作的同时实现相比于现有技术更高的精度。

对于对精度更高的要求，首先在第一步中针对所有大于预定最小值I_min的反差值I(y_i)按照以下函数确定位置P_f′，即

$P_f:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}$

并且，随后在第二步中针对所有这样的反差值I(y_i)按照以下函数确定位置作为当前焦点位置的等价，即

${P_f}^{\′}:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}$

所述反差值I(y_i)大于预定的最小值I_min′，并且所述反差值I(y_i)到位置P_f′的间距不超过预定的间距a。

在此，分别针对第一步和针对第二步所确定的最小值I_min或I_min′可以相等或者也可以不相等。

优选地，使用狭缝光阑作为光阑，使用以条形遮掩形式的吸收栅作为光栅，并且使用CCD行作为接收装置。在这种情况下，通过在CCD行上传感器元素(下面称为像素)的连续编号来表征位置x_i。若CCD行例如具有2400个像素，则利用x₁至x₂₄₀₀来定义其位置。因而，利用一定数量的像素来说明在CCD行上在两个像素之间的间距a，其中优选地在10至1000的范围预定a。

在另一扩展方案中，所述扩展方案可以特别地用于自动生产检验，根据在接收装置上所测量的间距b来生成用于自动聚焦的调节信号，所述间距b是对应在接收装置上的理想焦点位置P_f″的、在接收装置上的位置与对应当前焦点位置P_f的位置之间的距离。

在此，所述调节信号优选地用于改变在样品和成像光学系统之间的间距Δz，直到成像到CCD行上的位置P_f与依照设备校准预定的位置P_f″相重合。

根据现有技术，这类调节装置是公知的，因此在这里不必详细说明。作为这样的调节装置的驱动器，特别地选择步进电机，该步进电机被耦合到样品台。

本发明的又一扩展方案不仅适合用于确定当前焦点位置，而且还用于确定焦平面相对于接收装置中的检测器的接收面的倾斜。

在这方面规定，使用长方形的光阑作为光阑，使用CCD矩阵作为接收装置，以及光栅由两个在栅面相互倾斜的栅掩(Gitter Masken)组成，所述栅掩的每一个具有多个平行的条形遮掩物。其中规定，由每个条形遮掩物产生在样品上的成像，并且如它在前面或也在权利要求2至4所描述，借助于CCD矩阵针对每个成像的遮掩物按照处理方法来确定反差重心的位置。

在这样情况下，在每个被成像的遮掩物上的反差重心的位置是当前焦点位置的等价。根据本发明，确定经过反差重心的两条连接直线的走向和倾斜度，并由此确定焦平面与CCD矩阵的接收面的倾斜角，如在下面还进一步详细说明的。

在这里也可以考虑，由这样确定的焦平面与CCD矩阵的接收面的倾斜角来获得调节信号，这个调节信号经由调节装置被用于补偿倾斜角，所述调节装置影响样品相对于成像光路的光轴的倾斜度。

在本发明的前面提到的每一个实施变型方案中，依赖于所选样品段的反射能力和/或依赖于散射的或反射的和因此干扰的光线的强度，设置光栅的间隙宽度。为了在确定反差重心时提高精度，样品段的反射能力越微弱或者干扰的散射的或反射的光线越强，间隙宽度应设置为越小。

此外，如果需要，证明有利的是，为了将强度值进一步处理为关于位置的反差值，首先确定在被成像的栅周期上相邻像素的强度值，然后确定在此所得的强度信号I_ist与预定强度信号I_soll之间的偏差，最后依赖于在此得到的差进行反差值的校正。

由此必须有利地首先确定强度值、亦即被平均的强度信号I_ist。基于这个强度信号I_ist与所期望的强度信号I_soll之间的偏差，这样校正反差值，从而补偿干扰，所述干扰由在光路上的杂质或者由不均匀反射的样品所引起。

在此，可以按照以下函数来求取相邻像素的强度值的平均值，即

$I\left(x_i\right):=\frac{1}{n}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}J\left(x_{i+j-\frac{n}{2}}\right).$

针对所有具有n＝2...100的x_i，其中n优选地对应每个栅周期的像素数量。

此外，本发明涉及一种用于实施迄今说明的方法步骤的装置，所述装置尤其可以被构建为显微镜装置，所述装置包括：用于产生照明光路的光源，成像光学系统，和配置在成像光路中的照相机，通过所述成像光学系统将成像光路对准样品，其中

-与栅掩相叠加的缝隙被放置在照明光路中，

-从成像光路中分出来的检测光路对准CCD行，

-CCD行与检测光路的光轴成角度α≠90°，

-CCD行连接有用于确定关于位置的强度值I(x_i)和关于位置的反差值I(y_i)的分析装置，和

-构建有用于确定CCD行上反差重心的位置作为当前焦点位置的等价的分析装置。

有利地，将所述缝隙与光阑孔一起放置在所述装置的视场光阑面中，所述光阑孔限定在样品上图像截面的范围和大小，其中光阑孔位于相对于照明光路的光轴中心的位置，而缝隙位于照明光路的外围。

在本发明装置的一个扩展变型中，所述扩展变型特别适合用于观察和研究具有较强散射表面的样品，所述光阑孔应垂直于照明光路的光轴，而所述缝隙与光轴成这样的角度，该角度对应CCD行与检测光路的光轴之间的角度，其中在样品和缝隙之间的光学路径长度同样等于在样品和CCD行之间的光学路径长度。

在此，分析装置可以例如包括差分生成器，该差分生成器按照以下函数来确定关于位置的反差值I(y_i)，即

i  I(y_i)：＝|I(x_i)-I(x_i+n)|分别利用配属于位置x_i和x_i+n的强度值I(x_i)和I(x_i+n)，和其中分析装置此外配置有计算电路，该计算电路按照以下函数来确定作为当前焦点位置的等价的反差重心，即

$P_f:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}$

对于所有大于预定最小值I_min的反差值I(y_i)。

在此，值n确定在CCD行上相邻位置的间距。在这方面，n是变量并且依照应用被预定为n＝1...20。

特别针对与用于自动生产生物芯片的装置一起的应用，在所述用于自动生产生物芯片的装置中也独立进行生产精度的检验，在分析装置中设置有这样的计算电路，该计算电路被构建用于确定间距b，所述间距b是对应在CCD行上的当前焦点位置P_f的位置与对应在CCD行上的理想焦点位置P_f″的位置之间的距离。由此得到偏离理想焦点位置的量度。

随后，此外有利的是，这样配置分析装置，从而它根据到理想焦点位置的偏差确定调节信号，并且连接有用于校正焦点位置的调节装置，该调节装置例如改变在样品和成像光学系统之间的间距Δz。由此可以影响在当前焦点位置和理想焦点位置之间的间距，其中如此长时间地和如此频繁地进行调整，直到间距b为0并由此调到理想焦点位置。

为了在确定当前焦点位置时或在确定到理想焦点位置的偏差时能够达到最佳结果，有利的是，将分别用于成像到样品上的栅的频率匹配于成像光学系统的分辨率界限。在此，优选地CCD行的每五个像素对应一个栅周期。

在成像平的样品表面时，根据本发明的方法或迄今说明的装置也可以通过以下方式用于水准仪目的，即确定样品表面相对于物镜光路的光轴的倾斜度，并且将该倾斜度校正到预定的值、优选地校正到相对光轴为90°的角度。

为此目的，所述装置配有样品台，该样品台能够垂直于光轴沿坐标方向X和Y上移动。由此能够聚焦到不处于直线上的、样品表面的三个不同的点。针对这三个点中的每一个，确定在CCD行上的当前焦点位置，并且分别确定到理想焦点位置的偏差和/或焦点间距。

根据所述偏差或焦点间距的几何关系，计算样品表面相对于物镜光路的光轴的倾斜度，和/或通过借助于调节装置调整样品来这样改变样品表面的倾斜度，从而在当前焦点位置和理想焦点位置之间的偏差或焦点间距针对所有三个点是相等的，从而样品表面垂直于物镜光路的光轴。

所述调节装置可以例如作为三点线性调节或两轴旋转调节来实施，该调节装置依赖于当前倾斜度和由此生成的调节命令来控制，直到不期望的倾斜角得到校正。

下面应依照实施例来说明本发明。在附图中：

图1示出用于实施本发明方法的装置的基本原理，

图2示出图1的单个单元、在相关视场光阑面中的光阑装置，

图3示出用作接收装置的CCD行的符号化描述，

图4示出示意性的沿着CCD行得到的强度曲线，

图5示出依赖于图4的强度曲线所得到的反差值的曲线，

图6示出具有分析装置和用于自动聚焦的调节装置的、根据本发明的装置的布置，

图7示出在将玻璃/水界面成像到CCD行上时的、典型的强度曲线，

图8示出依赖于图7的强度曲线所得到的反差值的曲线，

图9示出具有倾斜的接收装置和倾斜的缝隙的、根据本发明的装置的实施，

图10示出根据本发明的装置的变型方案，其中除了精确确定焦点位置，还作出用于在接收装置中相对于接收表面将样品面倾斜的结论，

图11示出图10的光阑装置的放大的描述，

图12示出在按照图10的装置的CCD矩阵的像素行中的反差重心

图13示出通过反差重心的连接直线的例子。

在图1中描述成像光学系统、例如显微镜，该显微镜应用于拍摄生物芯片。在借助于显微镜检测生物芯片时、特别是在荧光显微镜上，找到准确的聚焦位置是特别有问题的。

按照图1的显微镜装置主要具有照明光源1和物镜3，所述照明光源1产生具有光轴2的照明光路，通过所述物镜3将照明光源成像到样品4、在这种情况下是生物芯片的表面。由样品表面反射或者散射的光线作为拥有光轴5的成像光路到达接收装置6、例如CCD照相机。

在此，借助于由物镜3和镜筒透镜组成的成像光学系统，将样品表面成像到接收装置6的接收面，并且因而能够对其进行观察或者评估。

在分光器9的分光面8上，将照明光路和成像光路引开或隔开。

根据本发明，将光阑装置11设置到照明光路的光阑面10中，所述光阑装置11在图2中放大示出。

由图2可以看出，光阑装置11具有例如方形的光阑孔12，该缝隙12确定图像区域。然而，除了光阑孔12，在由圆形界限13标识的照明光路内设置有狭缝光阑的缝隙14，该缝隙14与条纹光栅15相叠加。

在照射样品4时，与条纹光栅15的结构相叠加的缝隙14被成像到样品4的表面。在此，由样品4放射或散射的光线沿成像光路返回到分光器9，并且在那里在分光面8上又被折射到进入的照明光路的方向，在此通过镜筒透镜16，在另一个分光器18的分光面17上从照明光路中被输出耦合，并且折射到CCD行19上。

在此，物镜3和镜筒透镜16被用作成像系统，并将与栅结构叠加的缝隙14成像到CCD行19上。CCD行19相对于光阑装置11是倾斜的。包括缝隙14的光阑装置11垂直于照明光路的光轴2，CCD行19与检测光路的光轴33的夹角不等于90°，最好为45°。

图3大致示出CCD行19。明显的是，CCD行19具有许多配置在线上的接收元素，在下面称为像素20。在CCD行19上给每个像素20分配固定位置x_i。若CCD行例如具有2400个像素20，那么假定，在CCD行19的一端分配位置x_i＝1；在CCD行相对的一端相对地分配像素20的位置x_i＝2400。

在每个像素20的输出端上，可提供强度信号I(x_i)，也就是说，每个像素20给出关于在分配给它的位置x_i上的成像光线强度。因为包括条纹光栅15的缝隙14被成像到倾斜设置的CCD行19上，所以在CCD行上存在这样的位置，在该位置上条纹光栅15被清晰地成像。这个位置对应当前的焦点位置P_f，能够根据一个或多个分配的像素20来确定。

利用下面说明的根据本发明的方法，比现有技术能够更精确地确定当前的焦点位置。

根据本发明，首先针对每个像素位置x_i确定所接受的光线的强度值I(x_i)。在此，沿着CCD行19得到如图4所示的强度曲线。根据图4可以看出，在像素x₇₀₀至像素x₁₂₀₀的区域中成像光线的强度比在其余区域中的更高。

然而，不是如同在现有技术中找出具有最大强度的位置并定义为当前焦点位置，而是将强度值I(x_i)首先进一步处理为关于位置的反差值。关于位置的反差值I(y_i)例如按照以下函数来确定，即

        i  I(y_i)：＝|I(x_i)-I(x_i+n)|.也就是说，分别形成位置x_i的强度值I(x_i)与相邻的位置x_i+n的强度值I(x_i+n)之差。在此n是变量，并且应当优先地在1和20之间来选择。

每个这样得到的差值作为反差值I(y_i)被分配给位置x_i。在此得到如图5所示的反差值I(y_i)的曲线。

由图5可以看出，在y₆₀₀至y₁₁₀₀的区域的反差值I(y_i)基本上比在CCD行19的其余区域中的更大。

根据本发明，现在在下一步中，针对所有大于预定最小值I_min的反差值I(y_i)，按照以下函数来确定反差重心，即

$P_f:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}$

在目前情况下，给I_min例如预先设定数值，如图5所示。

这个反差重心能够被分配给在CCD行19上的一个位置，该位置在所选的例子中大约处于位置y₈₅₀处。由此，根据本发明确定当前的焦点位置P_f。

在本发明一个有利的扩展方案中，在下一步中，将在CCD行19上的当前焦点位置P_f与理想焦点位置P_f″进行比较，所述理想焦点位置P_f″已经依照显微镜装置、例如借助于光滑的样品表面被确定，并且这里应假定，所述理想焦点位置P_f″位于位置y₁₂₀₀处。

在所描述的根据图5的实例中，在位置P_f和P_f″之间得到350个像素的间距。CCD行19具有分别在两个像素20之间的确定的间距；由此推出，在这种情况下当前焦点位置P_f到理想焦点位置P_f″的距离大约为间距d的350倍，为了将样品表面清晰地成像到接收装置6上，必须将焦点位置校正。

通常，通过改变在样品4和物镜3之间的间距Δz来实现校正。

在实践中，出于精度的考虑，在所用CCD行上的单个像素之间的间距d通过测量加以确定，而所述装置依赖于测量结果而加以校准，并在校准的状态中被用于样品评估。

出于以上述方式处理强度值I(x_i)的目的，并且为了自动聚焦，显微镜装置还配置有分析装置21和调节装置22，如图6所示，其中CCD行19与分析装置21经由信号路径相连接，而且分析装置21与调节装置22经由信号路径相连接。

分析装置21包括用于确定关于位置的反差值I(y_i)的差分生成器和用于确定作为当前焦点位置P_f的等价的反差重心的计算电路。此外，分析装置21拥有用于预先设定值n＝1...20和最小值I_min的装置。

此外，在根据图6的实例所对应的分析装置21中，设置有计算电路，以确定当前焦点位置P_f和在CCD行19上的对应于理想焦点位置P_f″的位置之间的距离b。在此，这个计算电路同时能够生成调节命令，该调节命令引起在样品4和物镜3之间的间距Δz在预定方向R上改变等价于间距b的量。

若当前焦点位置P_f应当在CCD行19上在方向R上移动，则必须生成这样的调节命令，该调节命令负责提高在物镜3和样品4之间的间距。反之，若当前焦点位置与方向R相反移动，则调节命令必须减小这个间距。若在执行调节命令之后当前焦点位置P_f与理想焦点位置P_f″重合，则自动聚焦结束。

在按照权利要求4的特殊的变型方法中(所述权利要求4对自动聚焦的精度提出更高要求)规定，分析装置21首先在顾及所有大于预定最小值I_min的反差值I(y_i)情况下确定在CCD行19上的位置P_f′，然后才在下一步中在顾及所有这样的反差值I(y_i)的情况下确定当前焦点位置P_f，所述反差值I(y_i)大于预定的最小值I_min，并且所述反差值I(y_i)到位置P_f′的间距不超过预定的间距a。

利用这种两级方法，通过以下方式在聚焦时避免干扰的影响，即确定校正的反差重心，并且基于这个反差重心来确定当前焦点位置。

若焦点位置的确定涉及在样品上或在样品中的界面，所述样品属于具有多个界面的分层系统，则可以采取措施，以便提供针对在图4中所示的最大量和最小量的反差。这例如通过对栅缝宽度的匹配来实现。

因而，可以由栅缝的宽度来改变最大量的宽度。若栅缝很窄，则强度分布也更窄。由此，达到“共焦”条件，并且由其他界面所反射的光线不抵达CCD行19。以这种方式，可以将成像到CCD行19上的条纹光栅的反差提高到这样的程度，从而能够对在玻璃/空气界面附近的、更微弱反射的玻璃/水界面进行精确聚焦，并由此在其相互间距方面进行精确测量。

在这方面，图7示出在将玻璃/水界面成像到CCD行19上时的强度曲线。在此，在x₅₀₀至x₁₁₀₀的区域中需要识别的干扰来源于相邻的散射的界面，所述界面相互距离大约150μm。

在所述方式对在图7中所示的强度值I(x_i)的进一步处理导出关于位置的反差值I(y_i)，如图8所示。

在迄今说明的本发明装置的实施中，不仅光路孔径12而且作为光阑装置11的组成部分的缝隙14垂直于照明光路的光轴2。由此，在评估仅仅微弱散射的样品4时能够获得很好的测量结果。

与之相反，在图9中描述这样布置的根据本发明的装置，所示布置适合研究具有较强散射表面的样品4。

如在先前已经说明的实施例，在根据图9的实施中，位于视场光阑面10中的光阑装置11也具有缝隙14和光阑孔12，其中在这里缝隙14也用于确定焦点位置，而光阑孔12规定在样品4上图像截面的范围和大小。

在此，光阑孔12对准相对于照明光路的光轴2中心，而缝隙14位于照明光路的外围。

特别地，在这里缝隙14与光轴2形成这样的角度，该角度等于CCD行19与检测光路的光轴33之间的倾斜角，而光阑孔12仍然垂直于照明光路的光轴2。

此外，在样品4和缝隙14之间的光的路径与在样品4和CCD行19之间的光的路径一样长。

这类光阑装置11能够在技术上例如通过以下方式来实现，即分离地制造具有缝隙14的分光阑11.1和具有光阑孔12的分光阑11.2，然后将其相互连接。

一方面在样品4和缝隙14之间的光的路径与另一方面在样品4和CCD行19之间的光的路径一样长在所述情况下满足前提：光轴2、光轴33和分光器18的分光面17的交点，距离光轴2与缝隙14的交点和距离光轴33与CCD行19的交点一样远。

在图10中示出用于实施本发明方法的另一变型的装置。这个装置适合于这样的应用，在所示应用中除了确定焦点位置还作出样品面相对于接收装置的接收面6倾斜的结论。

出于清晰的原因，在图10中尽可能针对同一组件再次使用与图1相同的附图标记。

根据图10的装置与根据图1的装置的不同之处在于，设置第二照明光源23，从该第二照明光源23中射出照明光路24，并且将其成像到样品4上。在附加的分光器26的分光层25上将照明光路24折射到样品4的方向，并且照明光路24在分光器9中与从照明光源1射出的照明光路的光轴2聚集在一起。

在视场光阑面27中有光阑装置28，该光阑装置28在图11中被放大示出。光阑装置28由两个分光阑28.1和28.2组合而成，这两个分光阑28.1和28.2相邻地配置在照明光路24中，并且将设置用于成像到样品上的图像区域完全填满。

交替地驱动照明光源1和23，也就是说，利用照明光源1，以便出于观察和评估的目的将样品表面成像到接收装置6的CCD照相机上，而照明光源23仅仅用于确定当前焦点位置和用于确定样品4相对于接收装置6的接收面的倾斜角。

两个分光阑28.1和28.2中的每一个由多个平行的缝隙29和30组成，这些缝隙中的每一个同样如在图1的装置中的缝隙14与栅结构相叠加。在此，分光阑28.1的缝隙29垂直于分光阑28.2的缝隙30。

栅结构分别垂直于缝隙29或30，也就是说，栅向量分别与缝隙29或30平行。

在这里不需要如在图1的装置中的、倾斜设置的CCD行19。在来自样品4的成像光线穿过物镜3、分光器9、镜筒透镜7和分光器26之后，光阑装置28被成像到在接收装置6中的CCD矩阵上。

在图12中，符号化地描述具有通过缝隙29和30的成像所使用的像素行31或32的CCD矩阵。

包括栅结构的缝隙29被成像到在CCD矩阵的像素行31上，并产生强度信号I(x_i)，所述强度信号I(x_i)能够在每一个像素的信号输出端上加以量取。以同样的方式适用于缝隙30，所示包括栅结构的缝隙30分别被成像到在CCD矩阵上的像素行32。

如前面针对图1的单个的CCD行19已经描述的，在这个方法的变型中，将所确定强度值I(x_i)与关于位置的反差值I(y_i)联系到一起，其中以完全相同的方式如已经说明的，在像素行31或32中的每一行上能够确定反差重心，该反差重心分别说明当前焦点位置P_f。

所示反差重心能够针对每个被成像的分光阑28.1和28.2由直线来连接，如在图13中特别描述的。这两根直线通过相应的直线方程y₁＝m₁*x₁+n₁或y₂＝m₂*x₂+n₂来定义。

在此，在校准状态中的量n₁和n₂给出当前焦点位置的量度。如果n₁或n₂对应预定的间距值，则成像光学系统被聚焦。

此外，基于数学关系，根据量m₁来确定焦平面与样品4的平面之间的第一倾斜角和根据量m₂来确定焦平面与样品4的面之间的第二倾斜角，所述量m₁说明直线y₁＝m₁*x₁+n₁的斜率并由此说明平行方向与像素行31或32的方向之间的偏差。

在此，以此为出发点，即在装置的校准状态中，量m₁或m₂正比于在焦平面和样品4的面之间的倾斜角。

若样品4的面被倾斜，直到两个量m₁或m₂对应给定值、优选为值“零”，则所述倾斜被校正。

附图标记

1                照明光源

2                照明光路的光轴

3                物镜

4                样品

5                成像光路的光轴

6                接收装置

7                镜筒透镜

8                 分光面

9                 分光器

10                视场光阑面

11                光阑装置

12                光路孔径

13                界限

14                缝隙

15                条纹光栅

16                镜筒透镜

17                分光面

18                分光器

19                CCD行

20                像素

21                分析装置

22                调节装置

23                照明光源

24                照明光路

25                分光面

26                分光器

27                光阑面

28                光阑装置

28.1，28.2        分光阑

29，30            缝隙

31，32            像素行

33                检测光路的光轴

Claims (17)

1.用于在样品(4)成像时确定焦点位置的方法，其中

-将视场光阑成像到所述样品(4)上并将在所述样品(4)上的视场光阑的成像至少部分地与光栅的成像相叠加，

-借助于相对于视场光阑倾斜的、对位置灵敏的接收装置来获取由所述样品(4)所反射的光线的强度值I(x_i)，并将所述强度值I(x_i)配属给在所述接收装置上的位置，

-由所述强度值I(x_i)确定关于位置的反差值，和

-根据这些反差值I(y_i)，确定所述接收装置上的反差重心的位置作为当前焦点位置的等价。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，分别根据配属于在所述接收装置上位置i的强度值I(x_i)和配属于邻近位置i+n、优选地具有n＝1...20的强度值I(x_i+n)之差，按照以下函数来确定关于位置的反差值I(y_i)，即

i I(y_i)：＝|I(x_i))-I(x_i+n)|

。

3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，针对所有大于预定最小值I_min的反差值I(y_i)，按照以下函数确定一个位置作为当前焦点位置的等价，即

$P_f:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}.$

4.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，

-首先在第一步中针对所有大于预定最小值I_min的反差值I(y_i)按照以下函数确定位置P_f′，即

$P_f:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}$

-并且，在第二步中针对所有这样的反差值I(y_i)按照以下函数确定一个位置作为当前焦点位置的等价，即

所述反差值I(y_i)大于预定的最小值I_min′，并且所述反差值I(y_i)到位置

${P_f}^{\′}:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}$

P_f′的间距不超过预定的间距a。

5.按照上述权利要求之一的方法，其特征在于，

-使用具有缝隙(14)的视场光阑，使用以条形遮掩形式的条纹光栅(15)作为光栅，并且使用CCD行(19)作为接收装置，

-通过对所述CCD行(19)上的像素(20)的连续编号来表征位置i，和

-预先给定具有在范围a＝10...1000内的多个像素(20)的间距a。

6.按照上述权利要求之一的方法，其特征在于，根据在所述接收装置上所测量的间距b来生成用于自动聚焦的调节信号，所述间距b是所述位置P_f与对应于理想焦点位置的位置P_f″之间的距离，优选地通过改变在所述样品(4)和成像光学系统之间的间距Δz。

7.按照上述权利要求之一的方法，其特征在于，

-使用长方形的光阑作为视场光阑

-使用CCD矩阵作为接收装置，和

-所述光栅由两个在栅面相互倾斜的条纹光栅遮掩组成，所述条纹光栅遮掩中的每一个具有多个相互平行的条形遮掩，其中

-由每个条形遮掩产生在样品上的成像，并且在所述CCD矩阵上针对每个成像的遮掩，如在权利要求2至4中所描述，确定反差重心的位置作为当前焦点的等价，

-确定经过所述反差重心的两条连接直线的走向和倾角，和

-由此确定焦平面与所述CCD矩阵的接收面之间倾斜角。

8.按照权利要求7的方法，其特征在于，由所述在焦平面与所述CCD矩阵的接收面之间的倾斜角来获得用于补偿所述倾斜角的调节信号。

9.按照上述权利要求之一的方法，其特征在于，依赖于所选样品段的反射能力和/或依赖于干扰的散射或反射的光线的强度，确定光栅的间隙宽度，其中为了在确定反差重心和由此确定当前焦点位置时提高精度，所述样品段的反射能力越微弱或者干扰的散射或反射的光线越强，所述间隙宽度被预先设定为越小。

10.按照上述权利要求之一的方法，其特征在于，

-在成像的栅的周期上对所述接收装置上的相邻像素(20)的强度值求平均，

-确定在此所获得的强度信号I_ist与预定强度信号I_sol1之间的偏差，和

-为了补偿由在所述光路中的杂质或其他方面所引起的干扰，进行反差值I(y_i)的校正，所述校正补偿所述偏差。

11.按照权利要求10的方法，其特征在于，按照以下函数来求取相邻像素(20)的强度值的平均值，即

$I\left(x_i\right):=\frac{1}{n}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}J\left(x_{i+j-\frac{n}{2}}\right)$

针对所有具有n＝2...100的x_i，其中n优选地对应每个栅周期的像素数量。

12.用于按照上述方法步骤、特别是在显微镜上确定焦点位置的装置，包括

-用于产生照明光路的照明光源(1)，

-成像光学系统，通过所述成像光学系统将所述照明光路对准样品(4)，和

-配置在成像光路中的照相机，

其特征在于

-与栅遮掩相叠加的缝隙(14)被放置在照明光路中

-从成像光路中分出来的检测光路对准CCD行(19)，所述CCD行(19)与检测光路的光轴所成角度为α≠90°，

-所述CCD行(19)连接有用于确定关于位置的强度值I(x_i)和关于位置的反差值I(y_i)的分析装置(21)，和

-构建有用于确定CCD行(19)上的反差重心的位置作为当前焦点位置等价的分析装置(21)。

13.按照权利要求12的装置，其特征在于，

-将所述缝隙(14)与光阑孔(12)一起放置在视场光阑面(10)中，所述光阑孔(12)限定了样品上图像截面的范围和大小，其中

-所述光阑孔(12)位于相对于所述照明光路的光轴(2)中心的位置，而所述缝隙(14)位于所述照明光路的外围。

14.按照权利要求13的装置，其特征在于，

-所述光阑孔(12)垂直于所述照明光路的光轴(2)，而

-所述缝隙(14)与光轴成这样的角度，所述角度对应于CCD行(19)与检测光路的光轴(33)之间的夹角，其中

-在所述样品(4)和所述缝隙(14)之间的光学路径长度等于在所述样品(4)和所述CCD行(19)之间的光学路径长度。

15.按照权利要求12至14之一的装置，其特征在于，所述分析装置(21)包括

-差分生成器，该差分生成器按照以下函数来确定关于位置的反差值I(y_i)，即

i I(y_i)：＝|I(x_i)-I(x_i+n)|

分别根据配属于在CCD行(19)上位置i的强度值I(x_i)和配属于邻近位置i+n的强度值I(x_i+n)之差，优选地具有n＝1...20，和

-计算电路，所述计算电路按照以下函数确定所述反差重心作为当前焦点位置的等价，即

$P_f:=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·I\left(y_i\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}I\left(y_i\right)}$

对于所有大于预定最小值I_min的反差值I(y_i)。

16.按照权利要求12-15的装置，其特征在于，

-在所述分析装置中设置有计算电路，用于确定在位置P_f和对应于在CCD行(19)上理想焦点位置的位置P_f″之间的距离b，和

-所述分析装置(21)连接有调节装置(22)，所述调节装置(22)用于改变在所述样品(4)和所述成像光学系统之间的间距Δz。

17.按照权利要求12至16之一的装置，其特征在于，所述栅的频率匹配于所述成像光学系统的分辨率极限，其中优选地，所述CCD行(19)的每五个像素(20)对应一个栅周期。

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