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Einleitung
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Gegenstand
dieser Anmeldung sind eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur dreidimensionalen
optischen Abtastung einer Probe.
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In
der industriellen Prozess- und Qualitätskontrolle sowie in der biomedizinischen
Bildgebung ist es oft notwendig, dreidimensionale Daten von Objekten
zu gewinnen. Somit können
Qualitätsprobleme
erkannt oder biomedizinische Strukturen analysiert werden.
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Für die Lösung dieser
Aufgabe sind eine Vielzahl von optischen Verfahren und Vorrichtungen bekannt,
wie zum Beispiel Interferometrie, Triangulationsverfahren, Konfokale
Mikroskopie, strukturierte Beleuchtung, Weisslichtinterferometrie
und Fokusvariation. Jedes dieser Verfahren hat besondere Vor- und
Nachteile.
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Der
Vorteil der hier vorgeschlagenen Lösung, welche auf einer Art
der strukturierten Beleuchtung basiert, liegt in einer hohen Abtastgeschwindigkeit
und einem relativ einfachen optischen Aufbau. Als Nachteil kann
der begrenzte axiale Messbereich genannt werden.
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Stand der Technik
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Da
es sich um ein optisches Abtastverfahren handelt, soll im Folgenden
kurz auf die wichtigsten Verfahren zur optischen dreidimensionalen
Abtastung eingegangen werden. Ein Überblick befindet sich in [1].
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Bei
der optischen Triangulation sind Beleuchtung und Detektion aus unterschiedlichen
Richtungen auf das Objekt gerichtet. Die Höhe der Probe macht sich durch
einen seitlichen Versatz der Beleuchtungsverteilung bemerkbar, welcher
detektiert und in eine Höheninformation
umgesetzt wird. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren und Anordnungen
der strukturierten Beleuchtung, welche auf Triangulation basieren.
Diese werden manchmal auch als Streifenprojektion bezeichnet und
haben getrennte Optiken für
Beleuchtung und Detektion ([1] ab S. 220). Auf Triangulation basierende
Verfahren der strukturierten Beleuchtung müssen klar vom hier beschriebenen Verfahren
unterschieden werden, da sie auf einem anderen physikalischen Prinzip
beruhen.
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Die
Literaturstellen [2, 3, 4, 5] beziehen sich auf strukturierte Beleuchtung,
welche keine Triangulation verwendet. Hier werden Projektion der
Beleuchtungsverteilung sowie Detektion durch die gleiche Optik vorgenommen.
Die in die Probe abgebildete periodische Lichtverteilung wird hier
im typischen Fall durch Abbildung einer Gittermaske realisiert.
Die modulierte Lichtverteilung markiert sozusagen die Fokusebene.
Man macht sich hier zu Nutze, dass die Modulationstiefe der Lichtverteilung
am Ort des Fokus am höchsten
ist. Nach Aufnahme einer Sequenz bestehend aus mehreren Beleuchtungsmustern
mit verschiedenen Phasenlagen der periodischen Gitterstruktur kann
durch mathematische Verfahren die Modulationstiefe bestimmt und
die Gitterstruktur aus den Bildern heraus gerechnet werden. Als
Ergebnis erhält
man eine Abbildung, einen optischen Schnitt, welcher mit der Abbildung
eines Konfokalmikroskopes vergleichbar ist. Informationen von Außerhalb der
Fokusebene werden hier unterdrückt.
Der Vorteil der Strukturierten Beleuchtung besteht darin, dass man
im Vergleich zum etablierten Konfokalmikroskop keinen Laser benötigt und
es sich um ein schnelles Weitfeldverfahren handelt.
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Es
sind verschiedene Ausführungen
der nicht triangulierenden strukturierten Beleuchtung in der Literatur
beschrieben, auf welche im Folgenden näher eingegangen werden soll.
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In
[2] und [3] wird ein Gitter, welches sich in einer zur Probe konjugierten
Ebene liegt, durch einen Piezoaktuator bewegt und somit die Phase
der projizierten Lichtstruktur geändert. Die in [4] offenbarte Anordnung
nutzt für
die gleiche Aufgabe der Änderung
der Phase der projizierten periodischen Lichtverteilung eine planparallele
Platte, welche durch Verkippung das Bild des Gitters seitlich verschiebt.
In [5] werden die verschiedenen Phaseneinstellungen der Beleuchtungsverteilung
auf der Probe durch das elektronische Schalten von Lichtwegen erzeugt. Grundsätzlich wird
in allen genannten Anordnungen nur eine Fokusebene senkrecht zur
optischen Achse abgetastet und die Anordnung weist einen zweiten Aktuator
für die
Fokussierung auf (neben dem Aktuator zur Verstellung der Phasenlage
der projizierten Struktur). Der Fokusaktuator kann dabei die Probe selbst
oder aber das Objektiv bewegen.
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Beschreibung der Erfindung
und Ausführungsbeispiel
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Die
in diesem Dokument vorgestellte Lösung basiert auf einer Art
der strukturierten Beleuchtung. Es wird eine einzige Optik für die Beleuchtung
des zu untersuchenden Objektes sowie die Aufnahme des vom Objekt
zurückgesendeten
Lichtes verwendet. Die offenbarte Methode fällt deshalb nicht in die Kategorie
der triangulierenden Verfahren.
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Bei
dem vom Objekt detektierten Licht kann es sich zum Beispiel im reflektiertes
Licht, gestreutes Licht, Fluoreszenzlicht oder Lumineszenzlicht
handeln.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Verfahren entsprechend dem Stand der
Technik [2, 3, 4, 5] ist jedoch nur ein einziger Aktuator notwendig,
um Phasenlage der projizierten Struktur, Fokussierung sowie die
laterale Objektabtastung durchzuführen. Dadurch ergibt sich eine
deutliche Vereinfachung der Gesamtanordnung. Zusätzlich ermöglicht die Anordnung die schnelle
3D-Abtastung in einem kontinuierlichen Scanprozeß.
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Im
Folgenden soll das Prinzip an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Eine erfindungsgemäße Anordnung
ist in 1 dargestellt. Eine periodische Struktur (1)
befindet sich in einer konjugierten Ebene zu einem Detektor (3),
welcher ein Zeilen- oder Flächendetektor,
wie zum Beispiel ein CCD Array oder ein CMOS Sensor-Array sein kann.
Falls es sich um einen Zeilensensor handelt, ist seine längere Achse
in Abtastrichtung (23) orientiert. Die periodische Struktur
(1) kann eine Periodizität in einer oder mehreren Richtungen
aufweisen, wobei Periodizität in
Abtastrichtung (23) existiert. Im typischen Fall ist (1)
ein Substrat mit Bereichen verschiedener Transparenz für das Licht
der Lichtquelle (5). Die Lichtquelle (5) beleuchtet
die periodische Struktur (1), hierzu kann eine Beleuchtungsoptik
(7) genutzt werden. Die Lichtquelle (5) kann die
periodische Struktur (1) während des Scanvorgangs konstant
oder stroboskopisch (gepulst, mit dem Abtastvorgang synchronisiert)
beleuchten. Bei (5) kann es sich ebenfalls um den Ausgang
einer Lichtleitoptik handeln, welche mit einer Lichtquelle verbunden
ist. Das Objektiv (9) bildet die periodische Struktur (1)
in die dazu konjugierte Probenebene (15) ab. Das von der
Probe ausgesendete Licht wird über
das Objektiv (9) sowie den Strahlteiler (13) auf
den Detektor abgebildet, wobei Sensorebene des Detektors (3),
die Probenebene (11) sowie die ebene der periodischen Struktur
(1) zueinander konjugiert sind. Der Strahlteiler (13)
kann zu Beispiel ein dichroitischer Spiegel oder ein halbtransparenter
Teilerspiegel sein. Die optische Achse der Anordnung ist mit (11)
gekennzeichnet.
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Die
Probenebene (15) innerhalb des Objektraumes (17),
welche die Probe (21) enthält, wird auf den Detektor (3)
abgebildet. Die Elemente (1) bis (13) bilden den
Scankopf (25), wobei sich die Probe (21) und der
Scankopf (25) relativ zueinander in Abtastrichtung (23)
bewegen. Dies kann durch eine Bewegung des Scankopfes (25)
und/oder der Probe (21) realisiert werden. Wichtig ist
hierbei, dass die Abtastrichtung (23) und die abgetastete
Probenebene (15) in einem Winkel (19) zueinander
stehen, welcher ungleich Null Grad ist.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Anordnung
ist in 2 dargestellt. Die Anordnung wurde im Vergleich
zu 1 dahingehend modifiziert, dass die optische Achse
(11) senkrecht zur Abtastrichtung steht. Dafür sind die
periodische Struktur (1) sowie der Detektor (3)
in Bezug auf die optische Achse geneigt, woraus sich ebenfalls eine
erfindungsgemäße Neigung
(19) der Probenebene (15) in Bezug auf die Abtastrichtung
(23) ergibt. In 2 steht die optische Achse des
Objektivs (9) im Wesentlichen senkrecht zur Abtastrichtung
(23).
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Der
Abtastvorgang unter Nutzung der strukturierten Beleuchtung soll
im Folgenden näher
anhand von 3 erläutert werden. Während des
Abtastvorgangs wird eine Relativbewegung zwischen Scankopf (25)
und der Probe (21) durchgeführt, welche sich im Objektraum
(17) befindet. Diese Relativbewegung kann in Form von Schritten
oder als kontinuierliche Bewegung ausgeführt sein. Die Ebenen (27)
bzw. (29) markieren diejenigen Positionen im Objektraum,
an welchen sich die zum Detektor (3) konjugierte Probenebene
(15) während
der Aufzeichnung von Daten durch den Detektor (3) befand.
Die Ebenen (27) bzw. (29) müssen sich dabei nicht in äquidistanten
Abständen
entlang der Abtastrichtung (23) befinden.
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Eine
Relativbewegung des Scankopfes (25) in Abtastrichtung (23)
in Bezug auf die Probe (21) verändert die lokale Phase der
auf die Probe projizierten periodischen Struktur (1) innerhalb
des Koordinatensystems der Probe (21). Gleichzeitig, mit
der Abtastbewegung einhergehend, wird die laterale Position der
Probe (21) im Koordinatensystem des Detektors (3)
geändert.
Der Abtastvorgang wird erfindungsgemäß derart abgestimmt, dass innerhalb
von Gruppen von Aufnahmen des Detektors jeweils eine durch die Abtastschrittweite
bestimmte Phasenbeziehung der projizierten periodischen Struktur
(1) im Koordinatensystem der Probe (21) zueinander
existiert. In 3 besteht eine solche Gruppe
von Aufnahmen aus zwei Elementen (27) und (29),
welche durch ihre Linienarten in der Figur unterscheidbar sind.
Es können
jedoch auch mehr Elemente in einer Gruppe enthalten sein. Ein Verfahren
zur strukturierten Beleuchtung, welches mit einer Beleuchtungssequenz
bestehend aus zwei Phasenschritten einer periodischen Struktur arbeitet,
ist in [5] zu finden, während
die Literaturstellen [2, 3, 4] mit mindestens je drei Phasenschritten
arbeiten.
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Die
Schrittweite der Abtastschritte kann innerhalb einer Aufnahmegruppe
klein gegenüber
den Schrittweiten zwischen den einzelnen Gruppen sein. Durch diese
Konfiguration wird erreicht, dass sich die Einzelaufnahmen innerhalb
der Gruppe im Wesentlichen durch ihre Phasenlage der projizierten
periodischen Struktur unterscheiden, während die axiale Abweichung
(Richtung senkrecht zur Abtastrichtung (23)) zwischen den
Einzelaufnahmen vernachlässigt werden
kann.
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Im
weiteren Verlauf der Betrachtung soll der Vorgang zur Gewinnung
dreidimensionaler Daten aus den entsprechend der bisherigen Beschreibung aufgenommenen
Daten erläutert
werden. In 4 ist der Prozess der Berechnung
von optischen Schnittbildern illustriert. Die aufgenommenen Daten
werden zu einer Sequenz aus Einzelbildern mit verschiedenen Phasenlagen
gruppiert. Eine solche Gruppe besteht im oberen Teil von 4 dabei
jeweils aus den Elementen 27 und 29.
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Da
die Phasenverschiebung der periodischen Struktur im Koordinatensystem
der Probe gleichzeitig auch zu einem seitlichen Versatz der Probenabbildung
im Detektorkoordinatensystem führt, wird
dieser Versatz durch eine Translationstransformation im Detektorkoordinatensystem
innerhalb jeder Gruppe von Einzelbildern rückgängig gemacht.
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In
einem folgenden Rechenschritt (31), welcher zum Beispiel
auf einem in [2, 3, 4, 5] Rechenverfahren basieren kann, werden
die der Translationstransformation unterzogenen Daten weiter verarbeitet.
Aus einer Gruppe von transformierten Teilbildern wird jeweils ein
optischer Schnitt (33) erzeugt. Die Optischen Schnitte
sind im Objektraum (17) wie im unteren Teil von 4 dargestellt
angeordnet. In einem optischen Schnitt sind Bildinformationen von Außerhalb
der Fokusebene unterdrückt.
Der Stapel optischer Schnitte hat ähnliche Eigenschaften wie ein Bildstapel,
der von einem Konfokalmikroskop erzeugt wurde und kann dementsprechend
weiter verarbeitet werden.
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Die
Gewinnung von Höhendaten
(einem Oberflächenprofil
der Probe) aus dem im unteren Teil von 4 dargestellten
Stapel optischer Schnitte (33) soll für die Anwendung in der Profilometrie
mit Hilfe von 5 an einem Beispiel erläutert werden. Aus
dem Stapel der optischen Schnitte (33) wird entlang der
Linie (37), welche senkrecht zur Abtastrichtung (23)
liegt, eine Intensitätsverlaufsfunktion
(35) extrahiert. Da das Signal in den optischen Schnitten am
Ort der Objektoberfläche
maximal wird, kann die Höhe
durch Bestimmung der Position des Peaks (39) ermittelt
werden. Durch Wiederholung dieser Operation und mehrfache Extraktion
von Intensitätsverlaufsfunktionen
an verschiedenen Orten des Stapels optischer Schnitte und Peak-fitting
kann ein Höhenprofil
der Probe erzeugt werden.
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Literaturverweise
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- [1] Handbuch zur Industriellen Bildverarbeitung, Fraunhofer
Allianz Vision, 2007, ISBN 978-3-8167-7386-3
- [2] M. A. A. Neil, Rimas Juskaitis and T. Wilson: "Method
of obtaining optical sections using structured light in a conventional
microscope",
Optics Letters, Vol. 22, No. 24, p. 1905, 1997
- [3] Wilson et al., US 6376818 (2002), ”Microscopy Apparatus
and Method”
- [4] Gerstner et al., WO
02/12945 (2002), ”Assembly for
Increasing the Depth Discrimination of an Optical Imaging System”
- [5] Schwertner, DE 10
2007 018 048 (2007), „Verfahren
und Anordnung zur optischen Abbildung mit Tiefendiskriminierung”