DE10122607A1

DE10122607A1 - Verfahren und Anordnung zur direkten Fourierabbildung von Proben

Info

Publication number: DE10122607A1
Application number: DE2001122607
Authority: DE
Inventors: Johann Engelhardt
Original assignee: Leica Microsystems Heidelberg GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: DE10122607B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Fourieranalyse von Proben (9). Dazu ist eine Lichquelle (1) in einem Beleuchtungsstrahlengang (2) vorgesehen. Ebenso ist ein Detektor (13) in einem Detektionsstrahlengang angeordnet. Der Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang (2, 10) sind in einem zumindest in Bereich einer Strahlenablenkrichtung (4) koaxial. Die zu untersuchende Probe (9) wird ohne die übliche Optik sowohl beleuchtet als auch detektiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Fourierabbildung von Proben. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Fourieranalyse oder direkten Fourierabbildung von Proben mit einem konfokalen Scanmikroskop.

Aus dem Abbild eines Objekts kann man (regelmäßige) Strukturen manchmal nur schwer erkennen, da andere Bildinformationen überlagert sind. Es ist bekannt, dass durch Fouriertransformation diesem Problem oft abgeholfen werden kann. Insbesondere eine quantitative Analyse von Objektcharakteristika, beispielsweise die Vermessung von Gitterstrukturen, wird im Fourierraum vereinfacht.

Insbesondere in der Mineralogie wird die Konoskopie verwendet, um die Struktur von Mineralien, beispielsweise hinsichtlich Kristallgitterabständen oder Doppelbrechung, zu untersuchen.

Aus der DE 196 02 862 ist ein Messgerät zur blickwinkelabhängigen Kontrastermittlung von transmissiv betriebenen Flüssigkristallanzeigen, das einen einfacheren Aufbau der konoskopischen Messgeräte erlaubt. Ein Flächenelement wird von einem konischen Lichtbündel durchstrahlt aus deren konoskopischer Interferenzfigur mittels opto-elektronischer Detektoren betrachtungsrichtungsabhängige Kontrastwerte gewinnbar sind. Ferner sind Lichtleiter vorgesehen, die das von den Flächenelementen ausgehende Licht auf unterschiedliche Detektoren zur Auswertung richtet. Die oben beschriebene Vorrichtung erlaubt nicht die Untersuchung von beliebigen mikroskopischen Objekten. Die Vorrichtung ist auf die Untersuchung von Flüssigkristallanzeigen bzw. Anzeigeelemente beschränkt.

Aus der Patentschrift US 5,703,686 ist ein Messgerät zur kalorimetrischen Vermessung eines Bildschirms vorgestellt. Mit optischen Mitteln wird das Bild der Fouriertransformierten der zu untersuchenden Oberfläche erzeugt. Mittels einer zweiten Optik wird das Bild der Fouriertransformierten auf eine Anordnung aus mehreren Detektoren, die die spektrale Zusammensetzung der Elemente eines Displays bestimmen, abgebildet. Ferner ist vor den Detektoren eine Strahlteilerplatte vorgesehen, die einen Teil des Lichts zur visuellen Betrachtung auf eine Mattscheibe lenkt. Die hier beschriebene Vorrichtung ist nicht zur Abtastung von Probenbereichen beliebiger mikroskopischer Proben geeignet.

Alle Anordnungen des Standes der Technik eröffnen dem Benutzer nicht die Möglichkeit zur Untersuchung beliebiger mikroskopischer Proben und/oder Werkstücke. Dabei ist es unerheblich, ob die Proben eine regelmäßige Mikrostruktur besitzen oder nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, das auf schnelle und einfache Art und Weise eine Aussage über eine regelmäßige mikroskopische Struktur einer Probe ermöglicht.

Die objektive Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 beinhaltet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die es erlaubt, auf einfache und kostengünstige Weise Aussagen und/oder Informationen über regelmäßige Strukturen einer Probe oder eines Werkstücks zu liefern.

Die objektive Aufgabe wird durch eine Anordnung gelöst, die die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 6 beinhaltet.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit dem Verfahren bzw. der Anordnung, mittels der Fouriertransformierten einer Probe weitere Bildinformationen erschlossen werden, die aus dem herkömmlichen Abbild einer Probe oft schwer zu erkennen sind. Bei den weiteren Bildinformationen handelt es sich z. B. um Korngrößen von Schüttungen, Gitterstrukturen oder Rauhigkeiten, die qualitativ und vor allem quantitativ untersucht werden. Um die Untersuchung zu vereinfachen, wird die Fouriertransformation optisch vorgenommen, was somit den Rechenaufwand erheblich reduziert, wenn nicht gar überflüssig macht.

Besonders vorteilhaft sind die folgenden Verfahrensschritte:

- punkt- und zeilenweises Beleuchten der Probe, in einem durch eine Lichtquelle und optische Mittel definierten Beleuchtungsstrahlengang, mit einem Lichtstrahl,
- punkt- und zeilenweises Detektieren des Lichts in einem durch einen Detektor und den optischen Mitteln festgelegten Detektionsstrahlengang, wobei weder im Beleuchtungs- noch im Detektionsstrahlengang ein Objektiv vorgesehen ist, und
- Darstellen des durch den Detektor aufgenommenen Fourierbildes der Probe auf einem Display.

Zum punkt- bzw. zeilenweisen Beleuchten ist im Beleuchtungs- und im Detektionsstrahlengang eine Strahlablenkeinrichtung vorgesehen, mit der die Probe durch den Lichtstrahl der Lichtquelle punkt- und zeilenweise beleuchtet wird, und mit der das von der Probe ausgehende Licht punkt- und zeilenweise detektiert wird, wobei die optischen Mittel mindestens eine erste und zweite Optik und ein Linearpolarisationsfilter sind.

Ferner ist mindestens ein Detektor zum Detektieren des von der Probe ausgehenden Lichts vorgesehen. Der Detektor ist über einem Computer mit dem Display verbunden, das die vom Detektor aufgenommenen Signale dargestellt. Das auf dem Display dargestellte Fourierbild wird hinsichtlich der Intensitätsverteilung untersucht, woraus sich dann Rückschlüsse auf die Struktur, Korngrößen etc. ziehen lassen. Für das optische Vornehmen der Fouriertransformation ist es wichtig, dass die Probe und der Detektor im Wesentlichen in zueinander konjugierten Fourierebenen vorgesehen werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung lässt sich in einem hierzu besonders ausgestalteten Scanmikroskop erkennen. Das konfokale Scanmikroskop legt einen Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang fest, wobei das Licht des Beleuchtungsstrahlengangs ohne Objektiv über die Probe führbar und das von der Probe ausgehende Licht im Detektionsstrahlengang ohne Objektiv detektierbar ist. Das konfokale Scannmikroskop ist mit einer Strahlablenkeinrichtung und mindestens einer Lichtquelle versehen, wobei die Lichtquelle und die Strahlablenkeinrichtung im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet sind. Mindestens ein Detektor ist im Detektionsstrahlengang angeordnet, wobei der Detektionsstrahlengang zumindest teilweise mit dem Beleuchtungsstrahlengang koaxial ist. Zur Steigerung der Empfindlichkeit der Vorrichtung sind optische Mittel zur Vermeidung von unerwünschtem Reflexionslicht und/oder zur Unterdrückung von unerwünschtem Reflexionslicht vorgesehen. Die kann zum einen eine Antireflexbeschichtung sein. Zu anderen kann ebenso zur Unterdrückung des unerwünschten Reflexionslichts vor der Lichtquelle ein Linearpolarisationsfilter angebracht sein. Zur Unterdrückung von unerwünschtem Reflexionslicht im Detektionsstrahlengang ist eine Lochblende vorgesehen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Anordnung, und

Fig. 2 die optische Anordnung mit dem Fourierbild eines Kreuzgitters, das mit der erfindungsgemäßen Anordnung aufgenommen worden ist.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung zur Fourieranalyse des Emissionslichts. Der Haupterfindungsgedanke beruht darauf, die Fouriertransformation des Emissionslichts optisch vorzunehmen, um somit auf rechenaufwendige Transformationen zu verzichten. Die Anordnung umfasst eine Lichtquelle 1, die zur Beleuchtung eines Objekts in Form einer Probe 9 dient. Die Lichtquelle 1 kann z. B. als Laser ausgestaltet sein, der einen feinen punktförmigen Laserstrahl aussendet, mit dem die zu untersuchende Probe bzw. zu untersuchende Probenbereich abgerastert wird. Die Lichtquelle 1 definiert einen Beleuchtungsstrahlengang 2, in dem ein Linearpolarisationsfilter 7 angeordnet ist. Der Linearpolarisationsfilter 7 zwischen der Lichtquelle 1 und einem Strahlteiler 3, der das Licht des Beleuchtungsstrahlengangs 2 in Richtung der Probe 9 lenkt. Vom Strahlteiler 3 aus gelangt das Licht des Beleuchtungsstrahlengangs 2 zu einer Strahlablenkeinrichtung 4, das Licht des Beleuchtungsstrahlengangs 2 punktweise über die Probe 9 führt bzw. scannt. Zwischen der Strahlablenkeinrichtung 4 und der Probe ist eine erste und eine zweite Optik 5 und 6 sowie eine λ/4-Platte 8 vorgesehen. Die Bewegung der Strahlablenkeinrichtung ist in Fig. 1 und in Fig. 2 schematisch durch Doppelpfeile 17 dargestellt.

Die oben beschriebene Anordnung zur optischen Aufnahme eines Fourierbildes der Probe 9 besteht aus einem Rastermikroskop, vorzugsweise aus einem konfokalen Rastermikroskop, bei dem das Objektiv (nicht dargestellt) weggelassen ist. Die Probe 9 ist vorzugsweise an der Stelle positioniert, an der sich üblicherweise die Objektivpupille befindet. Das Fourierbild, das diese einfache Anordnung liefert, ist jedoch oft vom Reflexlicht der ersten Optik 5, der zweiten Optik 6 und anderer optischer Bauteile überlagert. Um dieses Reflexlicht zu unterdrücken, ist eine Möglichkeit, an allen reflektierenden Schichten des Beleuchtungsstrahlenganges 2 eine besondere (dielektrische) Antireflexbeschichtungen anzubringen.

Eine weiter Möglichkeit zur Reflexionslichtunterdrückung beruht darauf, zur Beleuchtung der Probe 9 linear polarisiertes Licht zu verwenden und möglichst zwischen dem letzten potentiell reflektierenden optischen Bauteil, welches die zweite Optik 6 ist, und der Probe 9 die λ/4-Platte 8 anzuordnen. Das auf die Probe fallende Licht wird von der λ/4-Platte 8 zirkular polarisiert.

Das von der Probe 9 ausgehende Licht definiert einen Detektionsstrahlengang 10. Das Licht des Detektionsstrahlengangs 10 gelangt über den Linearpolarisationsfilter 8 die zweite und die erste Optik 6 und 5 und die Strahlablenkeinrichtung 4 zum Strahlteiler 3 und passiert diesen geradlinig. Hinter dem Strahlteiler 3 sind im Detektionsstrahlengang 10 ein Linearpolarisationsfilter 11, eine Detektorblende 12 und ein Detektor 13 angeordnet.

Das von der Probe 9 ausgehende Licht wird im Detektionsstrahlengang 10 durch den Linearpolarisationsfilter 8 wieder linear polarisiert, wobei nun die Linearpolarisationsebene des Detektionslichtes senkrecht auf der des Beleuchtungslichtes steht. Mit Hilfe des Linearpolarisationsfilter 11 im Detektionsstrahlengang 10 vor dem Detektor 13 lässt sich das unerwünschte Reflexionslicht, das dieselbe Polarisationsrichtung aufweist, wie das Beleuchtungslicht, vom Detektionslicht separieren. Zusätzlich verhindert die Detektorblende 12 eines konfokalen Rastermikroskops fast vollständig, dass das Reflexionslicht der ersten Optik 5 zum Detektor 13 gelangt. Der Beleuchtungsstrahlengang 2 ist als durchgezogene Linie und der Detektionsstrahlengang 10 ist als gepunktete Linie dargestellt

Fig. 2 zeigt die Anordnung ein aufgenommenes Fourierbild eines Kreuzgitters 15, das mit der erfindungsgemäßen Anordnung aufgenommen worden ist. An der Stelle der Probe 9 ist nun das Kreuzgitter 15 in den Beleuchtungsstrahlengang 2 eingebracht. Alle Elemente, die mit den Elementen aus Fig. 1 übereinstimmen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In Fig. 2 gelangt das Licht des Detektionsstrahlengangs 10 über die λ/4-Platte 8 und die erste und zweite Optik 5 und 6 zu der Strahlablenkeinrichtung 4. Ausgehend von der Strahlablenkeinrichtung 4, passiert das Licht den Strahlteiler 3 und trifft auf den Detektor 13, der z. B. als Photomultiplier ausgebildet sein kann. Wie bereits oben erwähnt ist vor dem Photomultiplier ein Linearpolarisationsfilter 11 und die Detektorblende 12 vorgesehen. Die vom Detektor 13 aufgenommenen Signale werden einem Computer 14 zugeführt, die Signale in entsprechender Weise aufbereitet bzw. in digitale Signale wandelt. Die Signale werden vom Computer 14 einem Display 16 zugeführt, das zur Darstellung der aufgenommenen Signale und zum Teil auch zur Benutzerführung dient. Auf dem Display 16 erscheint in diesem Fall das Fourierbild des Kreuzgitters 15.

Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Lichtquelle

2

Beleuchtungsstrahlengang

3

Strahlteiler

4

Strahlablenkeinrichtung

5

erste Optik

6

zweite Optik

7

Linearpolarisationsfilter

8

λ/4-Platte

9

Probe

10

Detektionsstrahlengang

11

Linearpolarisationsfilter

12

Detektorblende

13

Detektor

14

Computer

15

Kreuzgitter

16

Display

17

Doppelpfeil

Claims

1. Verfahren zur direkten Fourierabbildung von Proben (9) gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- punkt- und zeilenweises Beleuchten der Probe (9), in einem durch eine Lichtquelle (1) und optische Mittel definierten Beleuchtungsstrahlengang (2), mit einem Lichtstrahl,
- punkt- und zeilenweises Detektieren des Lichts in einem durch einen Detektor (13) und den optischen Mitteln festgelegten Detektionsstrahlengang (10), wobei weder im Beleuchtungs- noch im Detektionsstrahlengang (2, 10) ein Objektiv vorgesehen ist, und
- Darstellen des durch den Detektor (13) aufgenommenen Fourierbildes der Probe (9) auf einem Display.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Beleuchtungs- und im Detektionsstrahlengang (2, 10) eine Strahlablenkeinrichtung (4) vorgesehen ist, mit der die Probe (9) durch den Lichtstrahl der Lichtquelle (1) punkt- und zeilenweise beleuchtet, und mit der das von der Probe (9) ausgehende Licht punkt- und zeilenweise detektiert wird, wobei die optischen Mittel mindestens eine erste und zweite Optik (5, 6) und ein Linearpolarisationsfilter (7) sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (13) zum Detektieren des von der Probe (9) ausgehenden Lichts vorgesehen ist, und dass der Detektor (13) über einem Computer (14) mit dem Display (16) verbunden ist, wobei die vom Detektor (13) aufgenommenen Signale auf dem Display (16) dargestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fourierbild hinsichtlich der Intensitätsverteilung untersucht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (9) und der Detektor (13) im Wesentlichen in zueinander konjugierten Fourierebenen vorgesehen werden.

6. Anordnung zur direkten Fourierabbildung von Proben (9) mit einem konfokalen Scanmikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Scanmikroskop einen Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang (2, 10) festlegt, und dass das Licht des Beleuchtungsstrahlengangs (2) ohne Objektiv über die Probe (9) führbar und das von der Probe (9) ausgehende Licht im Detektionsstrahlengang (10) ohne Objektiv detektierbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Scanmikroskop mit einer Strahlablenkeinrichtung und mindestens einer Lichtquelle (1) versehen ist, wobei die Lichtquelle (1) und die Strahlablenkeinrichtung (4) im Beleuchtungsstrahlengang (2) angeordnet sind, und mit mindestens einem Detektor (13), der im Detektionsstrahlengang (10) angeordnet ist, wobei der Detektionsstrahlengang (10) zumindest teilweise mit dem Beleuchtungsstrahlengang (2) koaxial ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (9) und der Detektor (13) im Wesentlichen in zueinander konjugierten Fourierebenen angeordnet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass optische Mittel zur Vermeidung von unerwünschtem Reflexionslicht und/oder zur Unterdrückung von unerwünschtem Reflexionslicht vorgesehen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von unerwünschtem Reflexionslicht auf den optischen Mitteln mindestens eine Antireflexbeschichtung vorgesehen ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung von unerwünschtem Reflexionslicht vor der Lichtquelle (1) ein Linearpolarisationsfilter (7) vorgesehen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung von unerwünschtem Reflexionslicht im koaxial verlaufenden Teil von Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengangs (2, 10), vorzugsweise unmittelbar vor der Probe (1), eine λ/4-Platte (8) angeordnet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Detektionsstrahlengang (10) ein Linearpolarisationsfilter (11) vorgesehen ist, wobei der Linearpolarisationsfilter (11) vor dem Detektor (13) vorgesehen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearpolarisationsfilter (11) so ausgerichtet ist, dass unerwünschtes Reflexionslicht nicht passiert.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung von unerwünschtem Reflexionslicht im Detektionsstrahlengang (10) eine Lochblende (12) vorgesehen ist.