DE10008073B4

DE10008073B4 - Polarisationsinterferometrisches Mikroskop

Info

Publication number: DE10008073B4
Application number: DE2000108073
Authority: DE
Inventors: Christian Hendrik Frans Velzel
Original assignee: Nanofocus Materialtechnik GmbH
Current assignee: Nanofocus Materialtechnik GmbH
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: DE10008073A1

Abstract

Polarisationsinterferometrisches Mikroskop, mit wenigstens einer Lichtquellenanordnung und einer zugehörigen Beleuchtungsoptik, der ein Polarisator und nach Wechselwirkung des Lichtes mit einem Objekt ein Objektiv und ein Bilddetektor nachgeschaltet sind, wobei im Lichtweg zwischen dem Polarisator und dem Objektiv ein Kompensator angeordnet und dem Objekt ein Analysator nachgeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquellenanordnung (1) aus vier monochromatischen Teillichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge und vorgebbarer Polarisation besteht,
daß auf der Beleuchtungsseite des Kompensators (5) ein Kreuzgitter vorgesehen ist und
daß die Beleuchtungsstrahlen der vier Teillichtquellen durch das Kreuzgitter zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl zusammengeführt werden, wobei der Polarisationszustand des gemeinsamen Beleuchtungsstrahls durch Variation der Polarisationen der vier Teillichtquellen einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein polarisationsinterferometrisches Mikroskop, mit wenigstens einer Lichtquellenanordnung und einer zugehörigen Beleuchtungsoptik, der ein Polarisator und nach Wechselwirkung des Lichtes mit einem Objekt ein Objektiv und ein Bilddetektor nachgeschaltet sind, wobei im Lichtweg zwischen dem Polarisator und dem Objektiv ein Kompensator angeordnet und dem Objekt ein Analysator nachgeschaltet ist.
Polarisationsinterferometrische Mikroskope sind bekannt, beispielsweise beim Einsatz des von Nomarski und von Francon gefundenen Differentialkontrastverfahrens (Francon and Mallick, Polarization Interferometers, Wiley, New York 1971).

Die klassische Polarisationsmikroskopie wird beispielsweise im Handbuch der Mikroskopie, VEB Verlag Technik, Berlin 1988, Kapitel 6.1.4 und 6.2.6, beschrieben.

Eine neue Entwicklung wurde von Oldenburg in Biophysical Journal, Vol. 74, Seite 645 bis 654, 1998 beschrieben. In dieser Entwicklung wurde eine Methode entwickelt, um kleine Doppelbrechungen mit willkürlichem Azimuth zu messen. Diese Methode wurde angewandt auf biologische Muster (Mikrotubules).

Totzeck hat polarisationsinterferometrische Methoden angewandt bei der Messung von feinen, zweidimensionalen Strukturen, wie sie z. B. in der Halbleitertechnologie vorkommen (Totzeck, Jacobsen, Tiziani, SPIE Proceedings, 3897–54, 1999).

Die Methode von Oldenburg ist beschränkt auf kleine Doppelbrechungen. Die Methode nach Totzeck beschränkt sich auf Strukturen mit bekannten Vorzugsrichtungen.

Die DE 197 08 036 A1 beschreibt ein ellipsometrisches Mikroskop, bei dem das Objekt durch einen Polarisator mit nachgeschaltetem Kompensator hindurch beleuchtet wird und zwischen Objektiv und dem Detektor ein Analysator eingebracht ist, wobei zudem das Mikroskop als Auflichtmikroskop mit einem Strahlenteiler ausgebildet ist. In der Druckschrift DE 694 06 563 T2 ist ein kontrastverstärkendes Mikroskop offenbart, bei dem das Objekt durch einen Polarisator mit nachgeschaltetem Kompensator hindurch beleuchtet wird und zwischen Objektiv und dem Detektor ein Analysator eingebracht ist, wobei zudem das Mikroskop als Auflichtmikroskop mit einem Strahlenteiler ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, mit dem willkürliche optische Anisotropien gemessen werden können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein polarisationsinterferometrisches Mikroskop mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Mikroskop können optische Anisotropien mit einem Bilddetektor gemessen werden. Dadurch ist vorteilhaft eine universelle Meßmethode ausgebildet. Dabei wird nur ein Kompensator angewendet, der der Beleuchtungsoptik zugeordnet ist. Es ist nicht vorgesehen, einen Kompensator auf der Bildseite anzuordnen. Die Zuordnung des Kompensators zu der Beleuchtungsoptik hat den Vorteil, daß an die Homogenität geringere Anforderungen gestellt werden können.

Der Kompensator kann nach klassischen Prinzipien wie nach Semarmont oder nach Berek ausgeführt sein.

Mit dem Mikroskop werden Phasenunterschiede durch Wellenlängenänderung der Lichtquelle erzeugt. Dazu ist vorrichtungsseitig nach einer ersten Alternative vorgesehen, daß das, Mikroskop eine Lichtquelle aufweist, die Licht verschiedener Wellenlängen erzeugt. Eine derartige Lichtquelle kann beispielsweise ein stimmbarer Laser sein, mit dem verschiedene Wellenlängen einstellbar sind.

Für das Material Quarz ist beispielsweise n_e – n_o circa 0,000.

Durch eine Änderung δλ der Wellenlänge wird der Phasenunterschied um π geändert, wenn

Bei λ = 0,5 μm und d = 1 mm ergibt sich

Mit Kalkspat wäre n_e – n_o ~ 0,17 und

Da bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop keine kontinuierliche Phasenverschiebung erforderlich ist, sondern nur Δφ = – π/2, 0, π/2 und π, sind auch mehrere Lichtquellen einsetzbar, die Lichter mit voneinander verschiedenen Wellenlängen erzeugen. Als Lichtquellen sind beispielsweise Leuchtdioden einsetzbar, wobei jede Leuchtdiode ein Licht mit einer abweichenden Wellenlänge erzeugt. Die Leuchtdioden werden in dem Mikroskop vorzugsweise nacheinander eingeschaltet.

Für die Durchführung eines Meßverfahrens mit dem erfindungsgemäßen Mikroskop gilt folgender Algorithmus:
Der Azimut des Komperators wird auf 0° eingestellt. Der Polarisationsvektor des Lichtstrahls bestimmt sich danach wie folgt:

Wird φ₀ = 0, π/4, π/2, –π/4 eingestellt, ergeben sich:

Bei der Untersuchung eines Objektes kann die Jones-Matrix dieses Objektes die Form

haben. Der Polarisationsvektor nach dem Durchgang des Lichtes durch das Objekt wird zu

Während der Durchführung der Messungen werden die Analysator-Azimute 0° und 90° eingestellt. Zu diesen Azimuten werden die Signale I0 = |Aa + Bb|2 (9) und I90 = |Ca + Db|2 (10)erhalten.

Bei einer Festlegung von ν auf 45° und einer Veränderung von φ₀ in Schritten von π/4 werden die beiden Fälle |A|, |B| und φAB (11) und |C|, |D| und φCD (12)gefunden. Die Phase von |A| kann auf 0 eingestellt werden. In diesem Fall kann nur eine von sieben Unbekannten gemessen werden, beispielsweise φ_AC. Dies wird durch die folgende Prozedur erreicht:

Der Analysator wird auf 45° und –45° eingestellt und der Polarisator, wird auf 0° und 90° eingestellt. Der Kompensator in gleicher Weise, wobei φ₀ = 0 ist. In vier Messungen werden jetzt die Größen |A + C|², |A – C|², |B + D|², |B – D|² gefunden.

Aufgrund der Kenntnis von |A|, |B|, |C| und |D| können die Größen cos φ_AC und cos φ_BD gefunden werden.

Dadurch werden vier Lösungen gefunden, die sich, wie nachstehend in einem Vektordiagramm, darstellen lassen.

Aufgrund der Kenntnis von φ_CD ist prüfbar, welche der vier folgenden Lösungen [C, D], [C*, D], [C, D*] und [C*, D*] die richtige ist. Wenn φ_CD 0 ist, ist keine Entscheidung zwischen [C, D] und [C*, D*] möglich, wenn zugleich φ_AB 0 ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines polarisationsinterferometrischen Mikroskopes nach dem Durchlichtverfahren,
2: eine schematische Darstellung eines polarisationsinterferometrischen Mikroskopes nach dem Auflichtverfahren und
3: eine schematische Darstellung von zwei Lichtquellen des Mikroskopes gemäß 1 oder 2.
Das Mikroskop in 1 weist eine Lichtquelle 1 auf. Die von dieser Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen sind mit Linien 2 dargestellt. Das Licht wird ausgehend von der Lichtquelle 1 zunächst durch eine Beleuchtungsoptik geführt, die eine Linse 3 umfaßt. Der Linse 3 ist ein Polarisator 4 und ein Kompensator 5 nachgeschaltet. Nach Durchgang des Lichtes durch diese Bauteile 4, 5 wird das Licht durch das zu untersuchende Objekt 6 geführt. Nach Durchgang durch das Objekt wird das Licht durch ein Objektiv 7 gebündelt. Das Licht tritt dann durch einen Analysator 8 hindurch, wobei in einer Ebene 9 ein Zwischenbild entsteht. Der Zwischenbildebene 9 ist eine Nachvergrößerungsoptik 10 nachgeschaltet, durch die das Licht hindurchtritt und anschließend auf einen Bilddetektor 11 trift.
Bei dem Mikroskop nach 2 ist als weiteres Bauteil ein Strahlenteiler 12 vorgesehen. Durch diesen wird das von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht zunächst dem Objekt 6 zugeführt. Das vom Objekt ausgehende Licht wird anschließend durch diesen Strahlenteiler 12 hindurchgeführt und über eine zusätzlich vorhandene Tubuslinse 13 dem Bilddetektor 11 zugeleitet.
3 zeigt, daß als Lichtquellen 1 erfindungsgemäß zwei Leuchtdioden vorgesehen sind. Das Licht wird durch zwei Beleuchtungseinheiten geführt, die jeweils eine Linse 3 umfassen. Die Wellenlängen beider Lichter sind voneinander verschieden. Die Lichter werden einem Beugungsgitter 14 zugeführt. Anschließend werden die zusammengefaßten Lichter durch eine doppelbrechende Platte 15 geführt. Mit dieser doppelbrechenden Platte, zwei gekreuzten Gittern, können vier Lichter mit vier voneinander verschiedenen Wellenlängen zu einem Bündel vereinigt werden.

Claims

Polarisationsinterferometrisches Mikroskop, mit wenigstens einer Lichtquellenanordnung und einer zugehörigen Beleuchtungsoptik, der ein Polarisator und nach Wechselwirkung des Lichtes mit einem Objekt ein Objektiv und ein Bilddetektor nachgeschaltet sind, wobei im Lichtweg zwischen dem Polarisator und dem Objektiv ein Kompensator angeordnet und dem Objekt ein Analysator nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellenanordnung (1) aus vier monochromatischen Teillichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge und vorgebbarer Polarisation besteht, daß auf der Beleuchtungsseite des Kompensators (5) ein Kreuzgitter vorgesehen ist und daß die Beleuchtungsstrahlen der vier Teillichtquellen durch das Kreuzgitter zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl zusammengeführt werden, wobei der Polarisationszustand des gemeinsamen Beleuchtungsstrahls durch Variation der Polarisationen der vier Teillichtquellen einstellbar ist.
Polarisationsinterferometrisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bilddetektor (11) eine Vergrößerungsoptik vorgeschaltet ist.
Polarisationsinterferometrisches Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellenanordnung (1) als Laser, insbesondere als verstimmbarer Laser, ausgebildet ist.
Polarisationsinterferometrisches Mikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillichtquellen als Laser, vorzugsweise als Leuchtdioden, ausgebildet sind.
Polarisationsinterferometrisches Mikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellenanordnung (1) das Objekt (6) über einen Strahlteiler (12) beleuchtet.