DD250785A1 - Anordnung zur automatischen fokussierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Fokussierung eines optischen Geraetes, insbesondere eines Mikroskopes. Sie findet Anwendung in Mikroskopen fuer die manuelle und automatische Kontrolle oder Analyse auf dem Gebiet der Halbleiterindustrie, der Metallographie, Biologie und anderen Gebieten, insbesondere in Systemen zur automatischen Bildanalyse. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, eine Anordnung zur automatischen Fokussierung zu schaffen, bei der die Unebenheiten eines repraesentativen definierten Objektoberflaechengebietes fuer die Einstellung eines mittleren Fokus beruecksichtigt wird. Die Aufgabe loest die besagte Anordnung erfindungsgemaess dadurch, dass die punktfoermige Austrittsoeffnung einer Strahlungsquelle ausseraxial mit optischen Einrichtungen in die Austrittspupille eines Objektives abgebildet und ein paralleles, schraeg aufs Objekt gerichtetes Strahlenbuendel erzeugt wird und die von einer Defokussierung richtungsabhaengige relative Verschiebung des auf die Objektoberflaeche ausgeleuchteten Flecks ueber einen otpoelektronischen Sensor, der in einer zur als scharf definierten Objektebene konjugierten Ebene vorgesehen ist, aufgenommen und mittels einer elektronischen Auswerteeinheit das entsprechende Signal fuer eine Steuereinheit gebildet wird.

Description

Die Aufgabe löst eine Anordnung zur automatischen Fokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 dargestellt.

Das Wesen der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß mindestens das aus einer punktförmigen Öffnung einer Strahlungsquelle austretende Strahlenbündel zur Fokussierung über optisch wirkende Mittel in den bildseitigen Strahlengang eines abbildenden Objektives derart eingeleitet ist, daß das Strahlenbündel außeraxial, sein Hauptstrahl vorzugsweise parallel zur optischen Achse verläuft und die punktförmige Öffnung der Strahlungsquelle in der Austrittspupille des Objektives fokussiert ist, so daß das Strahlenbündel mit parallel zueinander verlaufenden Strahlen schräg auf die Oberfläche des abzubildenden in der Objektebene befindlichen Objektes fällt, daß eine zweite optische Einrichtung, bestehend aus mindestens einer Linse, vorgesehen ist, die das von der Oberfläche des Objektes reflektierte Strahlenbündel auf einen optoelektronischen Empfänger lenkt, der in einer zum Fokus des Objektives konjugierten Ebene angeordnet ist.

Vorteilhafte Ausgesta(tungsformen bestehen darin, daß eine erste optische Einrichtung, bestehend aus mindestens zwei Linsen und einer Blende, vorgesehen ist, daß eine Linse der ersten optischen Einrichtung gemeinsam mit einer zweiten optischen Einrichtung axial in Verstellrichtung verschiebbar ist und daß die Distanz zwischen dem das Strahlenbündel aussendenden Teil und dem das Strahlenbündel empfangende Teil der Anordnung symmetrisch einstellbar ist.

Vorteilhaft ist es, daß die genannte Blende in Form eines Ringstufenfilters ausgebildet ist, der Ringe unterschiedlicher Transmission aufweist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß zur Fokussierung zwei Strahlenbündel alternierend arbeiten und daß zur Führung der Strahlenbündel in einem optischen Gerät zwei Strahlungsquellen, zwei optoelektronische Empfänger und zwei optische Einrichtungen vorgesehen sind und daß die optischen Einrichtungen jeweils aus einer ersten optischen Einrichtung ergänzt um einen Strahlenteiler bestehen, oder zur Führung der Strahlenbündel zwei Strahlungsquellen eine dritte optische Einrichtung, bestehend aus mindestens einer Linse und einer zweiten Linse, und ein Strahlenteiler im bildseitigen Strahlengang angeordnet sind und daß eine zweite optische Einrichtung und ein optoelektronischer Empfänger außerhalb des Strahlenganges des optischen Gerätes vorgesehen sind und die vom Objekt reflektierten Strahlenbündel mittels dem Strahlenteiler in Richtung der zweiten optischen Einrichtung gelenkt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1: die Anordnung zur automatischen Fokussierung in ihrer Grundvariante,

Fig. 2 und 3: Beispiele der Gestaltung und Anordnung von optischen Mitteln zur Beeinflussung des für die Fokussierung

verwendeten Strahlenbündels,

Fig. 4 und 5: Ausführungsbeispiele, in denen zur Fokussierung zwei Strahlenbündel alternierend arbeiten,

Fig. 6,7 und 8: Ausführungsbeispiele, in denen die erfindungsgemäße Anordnung in einem optischen Gerät mit Durchlichtund/oderAuflichtbeleuchtungseinrichtung angeordnet ist.

In Fig. 1 ist die Anordnung zur automatischen Fokussierung schematisch in ihrer Grundvariante dargestellt. Sie zeigt einen Teil des Beobachtungsstrahlenganges eines optischen Gerätes mit der optischen Achse 0-0. Bildseitig von einem Objektiv 6 sind in Richtung des Objektives 6 aufeinanderfolgend, außeraxial jeweils im äußeren Wirkbereich des Objektives 6, in einer Hälfte eine Strahlungsquelle 1 und eine erste optische Einrichtung 2, bestehend mindestens aus zwei Linsen 3, 4 und in der anderen Hälfte ein optoelektronischer Empfänger 9 und eine zweite optische Einrichtung 8, bestehend aus mindestens einer Linse, angeordnet.

Vorteilhafterweise liegt der optoelektronische Emfpänger 9 in einer zur als scharf definierten Objektebene 7, dem Fokus des Objektives 6, konjugierten Ebene 35. Des weiteren sind eine elektronische Auswerteeinheit 10, verbunden mit dem optoelektronischen Empfänger 9, eine Stelleinrichtung 12, verbunden mit der elektronischen Auswerteeinheit 10, sowie ein elektronischer Synchronisator 11, verbunden mit der Strahlungsquelle 1, dem optoelektronischen Empfänger 9 und der elektronischen Auswerteeinheit 10, vorgesehen.

Das aus einer punktförmigen Öffnung der Strahlungsquelle 1 austretende Strahlenbündel 14 wird mittels der Linsen 3, 4 der ersten optischen Einrichtung 2 in die Objektivaustrittspupille 5 abgebildet. Der Hauptstrahl 14a des Strahlenbündels 14 verläuft parallel zur optischen Achse 0-0. Nach Passieren des Objektives 6 sind die Strahlen des Strahlenbündels 14 parallel zueinander gerichtet und treffen schräg auf die Oberfläche eines in der Objektebene 7 befindlichen Objektes. Von dieser werden sie gemäß dem Reflexionsgesetz reflektiert, treten in der anderen Hälfte, im äußeren Wirkbereich wieder in das Objektiv 6 ein und werden von diesem in seiner Objektivaustrittspupille 5 fokussiert.

Das auf die Objektoberfläche gerichtete und das von dort reflektierte Strahlenbündel 14 durchdringen jeweils gegenüberliegende Aperturbereiche des Objektives 6.

Mittels der zweiten optischen Einrichtung 8 gelangt das reflektierte Strahlenbündel 14 zu dem optoelektronischen Empfänger 9.

Dieser optoelektronische Empfänger 9 ist vorzugsweise ein positionsempfindlicher Empfänger.

Durch das derart auf eine Objektoberfläche gerichtete Strahlenbündel 14, wird im Gegensatz zu den bisher bekannten technischen Lösungen statt eines Punktes eine Fläche, ein Fleck wirksam.

Damit wird der Informationsgehalt des für die Fokussierung genutzten Teiles einer Objektoberfläche erhöht und ist für die Einstellung eines mittleren Fokus repräsentativer.

Eine Abweichung einer Objektoberfläche von der als scharf definierten Objektebene 7, dem Fokus des Objektives 6, in der Höhe wirkt sich am optoelektronischen Empfänger 9 in Form von seitlichen Abweichungen der Strahlen des Strahlenbündels 14 aus.

Die Höhenabweichung der Objektoberfläche von der als scharf definierten Objektebene 7 können durch eine Ablage der Objektoberfläche an sich, aber auch durch Unebenheiten in der Objektoberfläche hervorgerufen werden.

Der positionsempfindliche optoelektronische Empfänger 9 bildet aus den Abweichungen der reflektierten Strahlen des Strahlenbündels 14, die je nach Strahl vor allem bei Unebenheiten der Objektoberfläche unterschiedlich sind, unter Berücksichtigung des lichtenergetischen Schwerpunktes Signale. Diese werden in der elektronischen Auswerteeinheit 10 mit einem Sollwert verglichen. Aus diesem ist-/Sollwertvergleich werden entsprechende Steuersignale gebildet und der Stelleinrichtung 12 zugeführt, die daraufhin eine entsprechende Änderung der Distanz 13 vornimmt. Dieser Regelvorgang läuft bis zur Erreichung des Sollwertes ab.

Bei Verwendung eines nichtpositionsempfindlichen optoelektronischen Empfängers 9, zum Beispiel CCD-Bauelemente, sind die von diesem gebildeten Signale, durch eine zusätzlich in der elektronischen Auswerteeinheit 10 anzuordnenden Auswerteschaltung, nach dem lichtelektrischen oder geometrischen Schwerpunkt auszuwerten und der dabei entstehende Istwert ist dann mit dem Sollwert zu vergleichen.

In Figur 2 und 3 sind Beispiele der Gestaltung und Anordnung der ersten optischen Einrichtung 2 und der zweiten optischen Einrichtung 8 gezeigt. So zeigt Fig. 2, daß zwischen derLinse3und der Linse 4 der ersten optischen Einrichtung 2eineBiende31 vorgesehen ist. Mittels dieser Blende 31 wird eine Einstellung des vom Strahlenbündel 14 erzeugten Flecks in seiner Größe vorgenommen.

Die Linse 4 und die zweite optische Einrichtung 8 sind gemeinsam verschiebbar angeordnet. Durch Verschieben entlang der Verstellrichtung 33 wird eine Anpassung auf eine veränderte Lage der Objektivaustrittspupille 5, 5' ermöglicht, die bei Auswechslung des Objektives 6 auftreten kann. Weiterhin ist die Distanz 32 zwischen dem das Strahlenbündel 14 aussendenden Teil und dem das reflektierte Strahlenbündel 14 empfangenden Teil der erfindungsgemäßen Anordnung einstellbar.

Fig.3 zeigt eine vorteilhafte Gestaltung einer Blende 31, sie ist hier als Ringstufenfilter, mit Ringen unterschiedlicher Transmission, ausgebildet.

In Fig.4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele gezeigt, in denen zur Fokussierung mit zwei Strahlenbündeln 14,14' alternierend gearbeitet wird. Der grundsätzliche Aufbau und die Arbeitsweise entsprechen dem Beispiel nach Fig. 1. In Fig. 4 sind ergänzend zu Fig. 1 eine weitere Strahlungsquelle 1' und ein weiterer optoelektronischer Empfänger 9' vorgesehen. Anstelle der ersten optischen Einrichtung 2 und der zweiten optischen Einrichtung 8 ist jeweils eine modifizierte optische Einrichtung 16,16' vorgesehen. Die modifizierten optischen Einrichtungen 16,16' bestehen jeweils aus einer ersten optischen Einrichtung 2 ergänzt um einen Strahlenteiler 15 beziehungsweise 15'. Die Strahlenteiler 15,15' sind so gestaltet und angeordnet, daß das von den Strahlungsquelien 1,1' ausgesandte Strahlenbündel 14,14' diese verlustarm passieren und die von der Objektoberfläche reflektierten Strahlenbündel 14,14' in Richtung der entsprechenden optoelektronischen Empfänger 9, 9' eingelenkt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind eine weitere Strahlungsquelle V, eine dritte optische Einrichtung 17, bestehend aus zwei Linsen 19, 20 und ein Strahlenteiler 18 im bildseitigen Strahlengang angeordnet. Die zweite optische Einrichtung 8 und der optoelektronische Empfänger 9 sind seitlich außerhalb des Strahlenganges dem Strahlenteiler 18 zugewandt angeordnet.

Fig. 6,7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele, in denen die erfindungsgemäße Anordnung in einem optischen Gerät mit Durchlicht- und/oder Auflichtbeleuchtungseinrichtung angeordnet ist.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel, bei dem das zur Fokussierung verwendete Strahlenbündel 14 mit einem Strahlenteiler 21, der zwischen einer Tubuslinse 22 und einem Strahlenteiler 29 angeordnet ist, in den Strahlengang des optischen Gerätes ein-und ausgelenkt

Fig.7 zeigt ein Beispiel, bei dem das Strahlenbündel 14 mit einem Strahlenteiler 24, der in der Auflichtbeleuchtungseinrichtung (BE', L, 29) vor der Linse L angeordnet ist, und dem Strahlenteiler 29 in den Strahlengang des optischen Gerätes ein- und ausgelenkt wird. Zwischen den Strahlenteilern 24 und 29 ist eine Linsengruppe 30 vorgesehen.

In Figur 8 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Modulschieber 28 angeordnet sind. Ergänzend zu den in Fig. 1 genannten Elementen sind eine Feldlinse 26 und ein Strahlenteiler 25 vorgesehen.

Der Modulschieber 28 ist so angeordnet, daß sich in Arbeitsstellung der Strahlenteiler 25 im Strahlengang des optischen Gerätes zwischen der Zwischenbildebene 23 und der Tubuslinse 22 befindet. Mittels des Strahlenteilers wird das Strahlenbündel 14 in den Strahlengang des optischen Gerätes ein- und ausgelenkt.

Die Feldlinse 26 dient der Fokussierung des Strahlenbündels auf die Objektivaustrittspupille 5.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   1. Anordnung zur automatischen Fokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines unsichtbaren Strahlenbündels, einer Einrichtung zum Empfang des unsichtbaren Strahlenbündels, einem elektronischen Synchronisator, einer Stelleinrichtung, und einer elektronischen Auswerteeinheit, deren Signale bei Auswanderung der Objektebene aus der Fokusebene des Objektives die Stelleinrichtung erregt, die die Objektebene in die Fokusebene zurückführt, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens das aus einer punktförmigen Öffnung einer Strahlungsquelle (1,1') austretende Strahlenbündel (14,14') zur Fokussierung über optisch wirkende Mittel (2,16,16', 17,21,24,25,26, 30) in den bildseitigen Strahlengang eines abbildenden Objektives (6) derart eingeleitet ist, daß das Strahlenbündel (14,14') außeraxial, sein Hauptstrahl (14a, 14a') vorzugsweise parallel zur optischen Achse (0-0) verläuft und die punktförmige Öffnung der Strahlungsquelle (1,1') in der Austrittspupille (5) des Objektives (6) fokussiert ist, so daß das Strahlenbündel (14,14') mit parallel zueinander verlaufenden Strahlen schräg auf die Oberfläche des abzubildenden in der Objektebene (7,7') befindlichen Objektes fällt, daß eine zweite optische Einrichtung (8), bestehend aus mindestens einer Linse, vorgesehen ist, die das von der Oberfläche des Objektes reflektierte Strahlenbündel (14,14') auf einen optoelektronischen Empfänger (9, 9') lenkt, der in einer zum Fokus des Objektives (6) konjugierten Ebene (35) angeordnet ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine optische Einrichtung (2), bestehend aus mindestens zwei Linsen (3,4) und einer Blende (31), vorgesehen ist, daß eine Linse (4) der optischen Einrichtung (2) gemeinsam mit der optischen Einrichtung (8) axial in Verstellrichtung (33) verschiebbar ist und daß die Distanz (32) zwischen dem das Strahlenbündel (14,14') aussendenden Teil und dem das Strahlenbündel (14,14') empfangende Teil der Anordnung symmetrisch einstellbar ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Blende (31) in Form eines Ringstufenfilters ausgebildet ist, der Ringe unterschiedlicher Transmission aufweist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß zur Fokussierung zwei Strahlenbündel (14,14') alternierend arbeiten und daß zur Führung der Strahlenbündel (14,14') in einem optischen Gerät zwei Strahlungsquellen (1,1'),zwei optoelektronische Empfänger (9, 9') und zwei optische Einrichtungen (16,16') vorgesehen sind und daß die optischen Einrichtungen (16,16') jeweils aus einer optischen Einrichtung (2) ergänzt um einen Strahlenteiler (15,15') bestehen.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß zur Fokussierung zwei Strahlenbündel (14,14') alternierend arbeiten und daß zur Führung der Strahlenbündel (14,14') in einem optischen Gerät zwei Strahlungsquellen (1,1'), eine optische Einrichtung (17), bestehend aus mindestens einer Linse (19) und einer Linse (20), und ein Strahlenteiler (18) im bildseitigen Strahlengang angeordnet sind und daß eine optische Einrichtung (8) und ein optoelektronischer Empfänger (9) außerhalb des Strahlenganges des optischen Gerätes vorgesehen sind und die vom Objekt reflektierten Strahlenbündel (14,14') mittels des Strahlenteilers (18) in Richtung der optischen Einrichtung (8) gelenkt werden.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß in einem optischen Gerät mit Durchlicht- und/oder Auflichtbeleuchtungseinrichtung ein Strahlenteiler (21) im bildseitigen Strahlengang zwischen einem Strahlenteiler (29) und einer Tu buslinse (22) vorgesehen ist und daß die Bauteile (1, 2,8, 9) der Anordnung außerhalb des Strahlenganges im Wirkbereich des Strahlenteilers (21) angeordnet sind.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß in einem optischen Gerät mit Durchlicht- und/oder Auflichtbeleuchtungseinrichtung in der Auflichtbeleuchtungseinrichtung (BE', L, 29) zwischen der Linse (L) und dem Strahlenteiler (29) von der Linse (L) beginnend ein Strahlenteiler (24) und eine Linsengruppe (30) vorgesehen sind und daß die Bauteile (1,2,8,9) der Anordnung außerhalb der Auflichtbeleuchtungseinrichtung (BE', L, 29) im Wirkbereich des Strahlenteilers (24) angeordnet sind.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß in einem optischen Gerät mit Durchlicht- und/oder Auflichtbeleuchtungseinrichtung ein Modulschieber (28), enthaltend die Strahlungsquelle (1), die optische Einrichtung (2), die optische Einrichtung (8), den optoelektronischen Empfänger (9), eine Feldünse (26) und einen Strahlenteiler (25), angeordnet ist derart, daß sich der Strahlenteiler (25) bei Arbeitsposition des Modulschiebers (28) im bildseitigen Strahlengang desoptischen Gerätes zwischen einerTubuslinse (22) und einerZwischenbildebene (23) befindet.
9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahlungsquelle (1,1') eine kohärente Lichtquelle, vorzugsweise ein Halbleiterlaser ist.
10. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahlungsquelle (1,1') eine inkohärente Lichtquelle in Verbindung mit einer kleinen Blende ist.

    Hierzu 7 Seiten Zeichnungen

    Anwendungsgebiet der Erfindung

    Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Fokussierung optischer Geräte, insbesondere von Mikroskopen. Sie findet Anwendung in Mikroskopen für die manuelle und automatische Kontrolle beziehungsweise Analysen auf dem Gebiet der Halbleiterindustrie, der Metallographie, Biologie, Medizin und anderen Gebieten, insbesondere in Systemen zur automatischen Bildanalyse.

    Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

    Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem auf das scharf abzubildende Objekt eine punktförmige Lichtquelle über die halbe Apertur eines Objektives abgebildet wird und die Verschiebung des Bildes der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Defokussierung für eine Autofokusregelung zugrunde gelegt wird (DE-OS 3219503). Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß Objektinformationen, insbesondere über reliefartige Ausnehmungen der Objektoberfläche, die für eine mittlere Fokuseinstellung entscheidend sind, nicht berücksichtigt werden und daß diese Einstellmethode nur für einen eng begrenzten Objektpunkt repräsentativ ist. Bei einem weiteren Verfahren werden Marken, Gitter oder Muster auf die Objektoberfläche projeziert und in der Zwischenbildebene ein Vergleich mit einer äquivalenten Blende vorgenommen (DE-OS 2447663). Eine mittlere Fokuseinstellung ist mit dieser Lösung möglich. Ihr haftet jedoch der Nachteil an, daß die für die Fokuseinstellung notwendigen Objektinformationen nur an den Blendenkanten erfolgt. Weiterhin wirkt nachteilig, daß die für die Fokuseinstellung notwendige Weglängenmodulation als dynamische Variante für anspruchsvolle Geräte wegen auftretenden Schwingungen ungeeignet ist.

    Es ist auch eine Lösung bekannt, bei der Marken mittels unsichtbarer Strahlen, zum Beispiel infraroten Strahlen, in das Beleuchtungsstrahlenbündel eingespiegelt, von dem Objekt reflektiert wieder durch das Objektiv verlaufend in einer zum Zwischenbild konjugierten Ebene mit geeigneten Marken durch fotoelektrische Einrichtungen verglichen werden und mittels den Ausgangssignalen der fotoelektrischen Einrichtungen ein Servokreis zur Tischverstellung angesteuert wird (DE-OS 2102922). Der Nachteil dieser Lösung ist der, daß vom betrachteten Objektfeld nur ein punktförmiger Teil für die Fokussierung herangezogen wird und somit je nach Unebenheit der Objektoberfläche nur eine mehr oder weniger repräsentative mittlere Fokuseinstellung möglich ist.

    Ziel der Erfindung

    Das Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur automatischen Fokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen zu schaffen, die gewährleistet, daß die Informationen für die Fokuseinstellung aus einem repräsentativen definierten Objektoberflächengebiet herangezogen werden und ein diesem Gebiet entsprechender mittlerer Fokus eingestellt wird.

    Darlegung des Wesens der Erfindung

    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur automatischen Fokussierung von optischen Geräten, insbesondere von Mikroskopen zu schaffen, bei der die U η ebenheit ei η es repräsentativen definierten Objektoberflächengebietes für die Einstellung eines mittleren Fokus berücksichtigt wird.