DE10319182A1

DE10319182A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Fokusposition bei der Abbildung einer Probe

Info

Publication number: DE10319182A1
Application number: DE10319182A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Bublitz; Dieter GRÄFE; Peter Dr. Westphal
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2003-04-29
Filing date: 2003-04-29
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: WO2004097493A1; JP2006524831A; EP1618426A1; US7488924B2; US20070102620A1; CN1781049A; ATE500531T1; EP1618426B1; DE10319182B4; DE502004012258D1; CN100353204C; KR20060004963A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Fokusposition bei der Abbildung einer Probe (4), bei dem eine Feldblende auf die Probe abgebildet wird, diese Abbildung mittels einer relativ zur Feldblende geneigten positionsempfindlichen Empfangseinrichtung detektiert und die Fokusposition anhand der Intensitätsverteilung auf der Empfangseinrichtung bestimmt wird. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Abbildung der Feldblende auf die Probe (4) zumindest teilweise durch die Abbildung eines optischen Gitters überlagert; mittels der positionsempfindlichen Empfangseinrichtung werden Intensitätswerte für das von der Probe reflektierte Licht gewonnen; diese Intensitätswerte werden Positionen auf der Empfangseinrichtung zugeordnet; aus den positionsbezogenen Intensitätswerten werden positionsbezogene Kontrastwerte ermittelt; anhand dieser Kontrastwerte wird die Position des Kontrastschwerpunktes auf der Empfangseinrichtung als Äquivalent für die aktuelle Fokusposition bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Fokusposition bei der Abbildung einer Probe, bei dem eine Feldblende auf die Probe abgebildet wird, diese Abbildung mittels einer relativ zur Feldblende geneigten posititonsempfindlichen Empfangseinrichtung detektiert wird und die Fokusposition anhand der Intensitätsverteilung auf der Empfangseinrichtung bestimmt wird. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Um mittels einer Abbildungsoptik präzise Abbildungen einer Probe bzw. eines Probenabschnitts zu erhalten, ist es erforderlich, die Probe exakt in die Fokusposition der Abbildungsoptik zu stellen. Ist die Abbildung unscharf, ist es wichtig zu erfahren, um welchen Betrag und in welcher Richtung eine Lageveränderung der Probe relativ zur Abbildungsoptik zu veranlassen ist und ggf. entsprechende Stellbefehle abzuleiten, die zu einer Nachfokussierung genutzt werden können.

In diesem Zusammenhang sind im wesentlichen Triangulationsverfahren, abbildende Verfahren mit Kontrastauswertung und die Positionsbestimmung mittels schräg gestellter konfokaler Spaltblende bekannt.

Bei den Triangulationsverfahren wird ein kollimierter Laserstrahl in die Pupillenebene eines Abbildungsobjektivs eingespiegelt und aus dem Verlauf dieses Laserstrahls relativ zum Abbildungsstrahlengang auf die Z-Position des von der Probe reflektierten Laserlichts geschlossen.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, daß durch die Abbildung des Laserlichts in unterschiedlich tief gelegene Ebenen der Probe Bildfehler auftreten und dadurch das detektierte Signal über einen gegebenen Tiefenschärfebereich stark variiert.

Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Fokusposition ist nachteiligerweise davon abhängig, ob das Meßergebnis vom Zentrum oder an der Peripherie des Fangbereiches eines Detektors ermittelt wird. Um diesen Effekt zu kompensieren, muß die Fokusposition in mehreren iterativen Schritten bestimmt werden, was dazu führt, daß diese Verfahrensweise verhältnismäßig viel Zeit erfordert.

Bei abbildenden Verfahren mit Kontrastauswertung wird die Probe mit einer gitterförmigen Intensitätsverteilung beleuchtet, indem in die Feldblendenebene des Beleuchtungsstrahlengangs ein Gitter gestellt wird. Die so beleuchtete Probe wird auf eine Empfangseinrichtung abgebildet. Auf diese Weise wird eine Serie von Bildern mit unterschiedlichen Abständen zwischen der Abbildungsoptik und der Probe aufgenommen und aus dieser Serie das Bild mit dem höchsten Kontrast bestimmt. Der Abstand zwischen Abbildungsoptik und Probe, der diesem Bild zugeordnet ist, gilt als optimaler Fokusabstand.

Der Nachteil besteht darin, daß zur Aufnahme der Bildserie viele verschiedene Z-Positionen mit hoher Genauigkeit angefahren werden müssen, wodurch auch für diese Verfahrensweise verhältnismäßig viel Zeit erforderlich ist.

Bei der Positionsbestimmung mittels schräg gestellter konfokaler Spaltblende wird in die Feldblendenebene des Beleuchtungsstrahlengangs eine Spaltblende gestellt und auf die Probe abgebildet. Das dabei von der Probe reflektierte Licht wird auf eine relativ zur Spaltblende geneigt angeordnete CCD-Zeile gerichtet, und es wird die Position auf der CCD-Zeile bestimmt, an dem das reflektierte Licht ein Maximum hat. Da bei dieser Verfahrensweise die Fokusposition mit einer einzigen Abbildung auf die Zeile berechnet werden kann, liegt das Ergebnis der Fokusbestimmung in verhältnismäßig kurzer Zeit vor.

Nachteile bestehen allerdings insofern, als Verunreinigungen auf der Probe oder störende Strukturen auf der Probenoberfläche Intensitätsschwankungen verursachen, die zu fehlerhaften Meßergebnissen führen können. Das Hauptproblem bei dieser Verfahrensweise ist der sehr hohe Justieraufwand bei der Abbildung des Spaltes auf die CCD-Zeile, denn die Spalte (oder die Zeile) muß sehr schmal sein, um eine hohe Genauigkeit erreichen zu können. Außerdem ist eine sehr gut korrigierte Abbildungsoptik erforderlich.

Insbesondere bei der Chipherstellung werden immer feinere Strukturen und dünnere Schichten angestrebt, was dazu führt, daß auch die Anforderungen an die Inspektionsverfahren, mit denen die Herstellungsgenauigkeit überprüft wird, immer höher werden. Dementsprechend wird eine immer schnellere und genauere Fokussierung möglichst ohne Unterbrechung des Fertigungsablaufs gefordert.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit bei der Bestimmung der Fokusposition weiter zu erhöhen und auch Anordnungen anzugeben, welche die Ausführung eines solchen genaueren Verfahrens ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung ist dem Sachgebiet der Positionsbestimmung mittels schräg gestellter Spaltblende zuzuordnen.

Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem eine Feldblende auf die Probe abgebildet und diese Abbildung zumindest teilweise durch die Abbildung eines optischen Gitters überlagert wird, mittels einer relativ zur Feldblende geneigten positionsempfindlichen Empfangseinrichtung Intensitätswerte für das von der Probe reflektierte Licht gewonnen. Diese Intensitätswerte werden Positionen auf der Empfangseinrichtung zugeordnet. Aus den positionsbezogenen Intensitätswerten werden positionsbezogene Kontrastwerte ermittelt und anhand dieser Kontrastwerte wird die Position des Kontrastschwerpunktes auf der Empfangseinrichtung als ein Äquivalent für die aktuelle Fokusposition bestimmt.

Im Unterschied zu den einschlägigen Verfahren nach dem Stand der Technik wird die Fokusposition nicht als Äquivalent des Intentsitätsmaximums auf der Empfangseinrichtung gewonnen, sondern die Überlagerung der Blendenabbildung auf der Probe mit der Abbildung eines optischen Gitters macht es möglich, positionsbezogene Kontrastwerten zu ermitteln und diese der Bestimmung der aktuellen Fokusposition zugrunde zu legen.

Dies hat gegenüber dem bisher bekannten Verfahren den wesentlichen Vorteil, daß der Justieraufwand bedeutend reduziert ist. Außerdem sind die Ergebnisse bei der Bestimmung der Fokusposition nicht mehr so sehr durch Untergrundlicht, Verunreinigungen auf der Probe oder störende Probenstrukturen verfälscht. Insofern ist mit der Erfindung ein schnelles Verfahren geschaffen, das im Vergleich zum Stand der Technik eine wesentlich höhere Genauigkeit gewährleistet.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß positionsbezogene Kontrastwerte I(y_i) nach der Funktion ∀i I(yi):=|I(xi) – I(xi+n)|ermittelt werden. Hierin bedeuten I(x_i) Intensitätswerte, die einer Position x_i auf der Empfangseinrichtung zugeordnet sind, während I(x_i+n) Intensitätswerte sind, die einer benachbarten Position x_i+n zugeordnet sind. Dabei wird n bevorzugt im Bereich von 1...20 gewählt.

Anschließend an die Ermittlung der positionsbezogenen Kontrastwerte wird als ein Äquivalent für die aktuelle Fokusposition P_f ein Ort ermittelt nach der Funktion

Hier werden alle die Kontrastwerte I(y_i) einbezogen, die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert I_min.

Damit wird in vielen Anwendungsfällen bereits eine im Vergleich zum Stand der Technik hohe Genauigkeit bei verringertem Justageaufwand erzielt.

Für noch höhere Anforderungen an die Genauigkeit wird zunächst in einem ersten Schritt ein Ort P_f' ermittelt nach der Funktion

für alle Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert I_min, und hieran anschließend in einem zweiten Schritt als das Äquivalent für die aktuelle Fokusposition P_f ein Ort ermittelt nach der Funktion

für alle Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als ein Mindestwert I'_min und die nicht weiter von dem Ort P_f' entfernt sind als um einen vorgegebenen Abstand a.

Dabei können die für den ersten Schritt und für den zweiten Schritt jeweils festgelegten Mindestwerte I_min bzw. I'_min gleich groß oder auch verschieden groß sein.

Bevorzugt wird als Blende eine Spaltblende genutzt, als optisches Gitter ein Absorptionsgitter in Form einer streifenförmigen Maske und als Empfangseinrichtung eine CCD-Zeile. Die Positionen x_i sind in diesem Falle charakteri siert durch die fortlaufende Numerierung der Sensorelemente auf der CCD-Zeile, im Folgenden als Pixel bezeichnet. Hat die CCD-Zeile beispielsweise 2400 Pixel, sind deren Positionen mit x₁ bis x₂₄₀₀ definiert. Der Abstand a zwischen zwei Pixeln auf der CCD-Zeile wird dann mit einer Anzahl Pixel angegeben, wobei a bevorzugt im Bereich von 10 bis 1000 vorgegeben wird.

In einer weiterführenden Ausgestaltung, die insbesondere bei der automatischen Fertigungskontrolle Anwendung finden kann, wird aus dem auf der Empfangseinrichtung gemessenen Abstand b zwischen einem Ort auf der Empfangseinrichtung, welcher der idealen Fokusposition P_f'' auf der Empfangseinrichtung entspricht, und dem Ort, welcher der aktuellen Fokusposition P_f entspricht, ein Stellsignal zur automatischen Fokussierung generiert.

Dabei wird das Stellsignal bevorzugt zur Änderung des Abstandes Δz zwischen der Probe und der Abbildungsoptik genutzt, bis sich die auf die CCD-Zeile abgebildeten Orte P_f mit dem anhand einer Gerätekalibrierung vorgegebenen Ort P_f'' decken.

Derartige Stelleinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und müssen deshalb hier nicht näher erläutert werden. Als Antriebe für solche Stelleinrichtungen haben sich insbesondere Schrittmotoren bewährt, die an einen Probentisch gekoppelt sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist nicht nur dazu geeignet, die aktuelle Fokusposition zu bestimmen, sondern dient auch zur Ermittlung einer Verkippung der Fokusebene in Bezug auf die Empfangsfläche eines Detektors in der Empfangseinrichtung.

Diesbezüglich ist vorgesehen, daß als Blende eine Rechteckblende und als Empfangseinrichtung eine CCD-Matrix verwendet werden und das optische Gitter aus zwei in der Gitterebene gegeneinander geneigten Gittermasken besteht, von denen jede mehrere parallel zueinander verlaufende streifenförmige Masken aufweist. Dabei ist vorgesehen, daß von jeder der streifenförmigen Masken eine Abbildung auf der Probe erzeugt wird und mittels der CCD-Matrix für jede abgebildete Maske die Position des Kontrastschwerpunktes nach der Verfahrensweise bestimmt wird, wie sie weiter oben bzw. auch in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben ist.

In diesem Falle sind die Positionen des Kontrastschwerpunktes auf jeder abgebildeten Maske das Äquivalent einer aktuelle Fokusposition. Erfindungsgemäß werden der Verlauf und die Neigung der beiden Verbindungsgeraden durch die Kontrastschwerpunkte und daraus der Verkippungswinkel der Fokusebene in Bezug auf die Empfangsfläche der CCD-Matrix bestimmt, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.

Auch hier ist es denkbar, daß aus dem so ermittelten Verkippungswinkel der Fokusebene in Bezug auf die Ebene der Empfangsfläche der CCD-Matrix ein Stellsignal gewonnen und dieses über eine Stelleinrichtung, welche die Neigung der Probe relativ zur optischen Achse des Abbildungsstrahlengangs beeinflußt, zur Kompensation des Verkippungswinkels genutzt wird.

Bei jeder der vorgenannten Ausführungsvarianten der Erfindung wird die Spaltbreite der optischen Gitter in Abhängigkeit vom Reflektionsvermögen eines ausgewählten Probenabschnitts und/oder von der Intensität von gestreutem oder reflektiertem und deshalb störendem Licht vorgegeben. Zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Kontrastschwerpunktes sollte die Spaltbreite um so kleiner vorgegeben werden, je geringer das Reflektionsvermögen des Probenabschnitts oder je intensiver störendes gestreutes oder reflektiertes Licht ist.

Weiterhin erweist es sich unter Umständen als vorteilhaft, zur Weiterverarbeitung der Intensitätswerte zu positionsbezogenen Kontrastwerten zunächst die Intensitätswerte benachbarter Pixel über eine Periode des abgebildeten Gitters zu mitteln, dann die Abweichungen des dabei gewonnenen Intensitätssignals I_ist von einem vorgegebenen Intensitätssignal I_soll zu bestimmen und schließlich in Abhängigkeit von der sich dabei ergebenden Differenz eine Korrektur der Kontrastwerte vorzunehmen.

Hierdurch muß vorteilhaft zunächst nur ein Intensitätswert, nämlich das gemittelte Intensitätssignal I_ist bestimmt werden. Unter Zugrundelegung der Abweichung dieses Intensitätssignals I_ist von einem zu erwartenden Intensitätssignal I_soll werden dann die Kontrastwerte so korrigiert, daß Störungen, die durch Schmutzpartikel im optischen Strahlengang oder durch eine nicht gleichmäßig reflektierende Probe verursacht werden, kompensiert sind.

Dabei kann die Mittelung der Intensitätswerte benachbarter Pixel vorgenommen werden nach der Funktion

für alle x_i mit n=2 . . . 1 0 0 , wobei bevorzugt n der Anzahl der Pixel je Gitterperiode entspricht.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anordnung zur Durchführung der bisher beschriebenen Verfahrensschritte, die insbesondere als Mikroskopanordnung ausgebildet sein kann, umfassend: eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs, eine Abbildungsoptik, durch die der Beleuchtungsstrahlengang auf die Probe gerichtet ist und eine im Abbildungsstrahlengang angeordnete Kamera, wobei

– in den Beleuchtungsstrahlengang eine durch eine Gittermaske überlagerte Spaltöffnung gestellt ist,
– ein aus dem Abbildungsstrahlengang abgezweigter Detektionsstrahlengang auf eine CCD-Zeile gerichtet ist,
– die CCD-Zeile mit der optischen Achse des Detektionsstrahlengangs einen Winkel α≠90° einschließt,
– die CCD-Zeile mit einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung von positionsbezogenen Intensitätswerten I(x_i) und von positionsbezogenen Kontrastwerten I(y_i) in Verbindung steht, und
– die Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Position des Kontrastschwerpunktes auf der CCD-Zeile als ein Äquivalent für die aktuelle Fokusposition ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist die Spaltöffnung gemeinsam mit einer Blendenöffnung, die den Umfang und die Größe eines Bildaus schnitts auf der Probe definiert, in der Feldblendenebene der Anordnung positioniert, wobei die Blendenöffnung zentrisch zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet ist und sich die Spaltöffnung an der Peripherie des Beleuchtungsstrahlengangs befindet.

Bei einer Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung, die insbesondere zur Beobachtung und Untersuchung von Proben mit stark streuenden Oberflächen geeignet ist, sollte die Blendenöffnung senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet sein, während die Spaltöffnung mit der optischen Achse einen Winkel einschließt, der dem Winkel entspricht, um den die CCD-Zeile gegen die optische Achse des Detektionsstrahlengangs geneigt ist, wobei die optische Weglänge zwischen der Probe und der Spaltöffnung ebenso groß ist wie die optische Weglänge zwischen der Probe und der CCD-Zeile.

Dabei kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise einen Differenzbildner umfassen, der positionsbezogene Kontrastwerte I(y_i) nach der Funktion ∀i I(yi):=|I(xi) – I(xi+n)|ermittelt, mit jeweils den Intensitätswerten I(x_i) und I(x_i+n), die den Positionen x_i und x_i+n zugeordnet sind, und wobei die Auswerteeinrichtung weiterhin ausgestattet ist mit einer Rechenschaltung, die den Kontrastschwerpunkt als Äquivalent für die aktuelle Fokusposition ermittelt nach der Funktion

für alle Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert I_min.

Dabei bestimmt der Wert n den Abstand benachbarter Positionen auf der CCD-Zeile zueinander. Insofern ist n variabel und wird je nach Anwendung vorgegeben mit n = 1...20.

Insbesondere für die Anwendung im Zusammenhang mit Einrichtungen zur automatischen Biochip-Fertigung, bei denen auch die Kontrolle der Fertigungsgenauigkeit selbständig abläuft, ist in der Auswerteeinrichtung eine Rechenschaltung vorgesehen, die zur Ermittlung des Abstandes b ausgebildet ist zwischen dem Ort, welcher der aktuellen Fokusposition P_f auf der CCD-Zeile entspricht, und einem Ort, welcher der idealen Fokusposition P_f'' auf der CCD-Zeile entspricht. Damit erhält man ein Maß für die Abweichung von der idealen Fokusposition.

Demzufolge ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Auswerteeinrichtung so konfiguriert ist, daß sie aus der Abweichung von der idealen Fokusposition ein Stellsignal ermittelt und mit einer Stelleinrichtung zur Korrektur der Fokusposition in Verbindung steht, die beispielsweise eine Änderung des Abstandes Δz zwischen der Probe und der Abbildungsoptik bewirkt. Damit kann der Abstand zwischen der aktuellen Fokusposition und der idealen Fokusposition beeinflußt werden, wobei die Verstellung so lange und so oft vorgenommen wird, bis der Abstand b gegen 0 geht und damit die ideale Fokusposition eingestellt ist.

Um optimale Ergebnisse bei der Bestimmung der aktuellen Fokusposition sowie bei der Ermittlung der Ablage zur idealen Fokusposition erzielen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Frequenz des jeweils zur Abbildung auf die Probe genutzten Gitters der optischen Auflösungsgrenze der Abbildungsoptik angepaßt ist. Bevorzugt sollten dabei jeweils fünf Pixel der CCD-Zeile einer Gitter-Periode entsprechen.

Bei der Abbildung ebener Probenoberflächen kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die bisher beschriebene Anordnung auch zu Nivellierzwecken genutzt werden, indem die Neigung der Probenoberfläche relativ zur optischen Achse des Objektivstrahlengangs ermittelt und auf einen vorgegebenen Wert, bevorzugt auf einen Winkel von 90° zur optischen Achse, korrigiert wird.

Zu diesem Zweck ist die Anordnung mit einem Probentisch auszustatten, der in den Koordinatenrichtungen X und Y senkrecht zur optischen Achse verschiebbar ist. Damit ist es möglich, auf drei verschiedene Punkte der Probenoberfläche zu fokussieren, die nicht auf einer Geraden liegen. Für jeden dieser drei Punkte wird die aktuelle Fokusposition auf der CCD-Zeile ermittelt und jeweils die Ablage von der idealen Fokusposition und/oder der Fokusabstand bestimmt.

Aus der goemetrischen Verknüpfung der Ablagen bzw. der Fokusabstände wird die Neigung der Probenoberfläche gegenüber der optischen Achse des Objektivstrahlengangs errechnet und/oder durch Verkippung der Probe mittels einer Stelleinrichtung die Neigung der Probenoberfläche so verändert, daß die Ablagen zwischen aktueller und idealer Fokusposition bzw. die Fokusabstände für alle drei Punkte gleich groß sind und damit die Probenoberfläche senkrecht zur optischen Achse des Objektivstrahlengangs ausgerichtet ist.

Die Stelleinrichtung, die beispielsweise als Drei-Punkt-Linearverstellung oder Zwei-Achsen-Drehverstellung ausgeführt sein kann, wird in Abhängigkeit von der aktuellen Neigung und einem daraus zu generierenden Stellbefehl angesteuert, bis die unerwünschte Neigung korrigiert ist.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 das Grundprinzip einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine Einzelheit aus 1, die Blendenanordnung in der Feldblendenebene betreffend,
3 die symbolische Darstellung einer als Empfangseinrichtung genutzten CCD-Zeile,
4 einen beispielhaft sich über die CCD-Zeile hinweg ergebenden Intensitätsverlauf,
5 den sich in Abhängigkeit vom Intensitätsverlauf aus 4 ergebenden Verlauf von Kontrastwerten,
6 die Ausstattung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Auswerteeinrichtung und einer Zustelleinrichtung für eine automatische Fokussierung,
7 den typischen Intensitätsverlauf bei der Abbildung einer Glas-/Wasser-Grenzfläche auf die CCD-Zeile, 8 den sich in Abhängigkeit vom Intensitätsverlauf aus
7 ergebenden Verlauf von Kontrastwerten,
9 die Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung mit geneigter Empfangseinrichtung und geneigter Spaltöffnung,
10 eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der neben der genauen Bestimmung der Fokusposition auch eine Aussage zur Verkippung der Probenebene relativ zur Empfangsfläche in der Empfangseinrichtung getroffen wird,
11 eine vergrößerte Darstellung einer Blendenanordnung aus 10,
12 die Andeutung der Kontrastschwerpunkte in den Pixelzeilen einer CCD-Matrix der Anordnung nach 10,
13 ein Beispiel für die Verbindungsgeraden durch die Kontrastschwerpunkte
In 1 ist ein abbildendes optisches System dargestellt, beispielsweise eine Mikroskopanordnung, die zur Aufnahme von Biochips genutzt werden soll. Bei der Biochip-Detektion mit Hilfe von Mikroskopen, insbesondere bei der Fluoreszenzmikroskopie, ist das Auffinden der genauen Fokusposition besonders problembehaftet.
Die Mikroskopanordnung nach 1 umfaßt im wesentlichen eine Beleuchtungsquelle 1, die einen Beleuchtungsstrahlengang mit der optischen Achse 2 erzeugt, und ein Objektiv 3, durch das die Beleuchtungsquelle 1 auf die Oberfläche einer Probe 4, in diesem Fall die Oberfläche eines Biochips, abgebildet wird. Das von der Probenoberfläche reflektierte oder auch gestreute Licht gelangt als Abbildungsstrahlen gang, der eine optische Achse 5 hat, zu einer Empfangseinrichtung 6, beispielsweise einer CCD-Kamera.
Dabei wird die Probenoberfläche mittels einer Abbildungsoptik, die aus dem Objektiv 3 und einer Tubuslinse 7 besteht, auf die Empfangsfläche der Empfangseinrichtung 6 abgebildet und kann so beobachtet bzw. bewertet werden.
Beleuchtungsstrahlengang und Abbildungsstrahlengang werden an der Teilerfläche 8 eines Strahlteilers 9 abgelenkt bzw. aufgespaltet.
Erfindungsgemäß ist in die Blendenebene 10 des Beleuchtungsstrahlengangs eine Blendenanordnung 11 gestellt, die in 2 vergrößert dargestellt ist.
Aus 2 ist ersichtlich, daß die Blendenanordnung 11 eine beispielsweise quadratische Blendenöffnung 12 aufweist, die das Bildfeld festgelegt. Außerhalb der Blendenöffnung 12, jedoch innerhalb des durch die kreisförmige Begrenzung 13 gekennzeichneten Beleuchtungsstrahlengangs, ist die Spaltöffnung 14 einer Spaltblende positioniert, die mit einem Strichgitter 15 überlagert ist.
Bei der Beleuchtung der Probe 4 wird die mit der Struktur des Strichgitters 15 überlagerte Spaltöffnung 14 auf die Oberfläche der Probe 4 abgebildet. Dabei gelangt das von der Probe 4 reflektierte bzw. gestreute Licht im Abbildungsstrahlengang zurück zum Strahlteiler 9 und wird dort an der Teilerfläche 8 wieder in die Richtung des ankommenden Beleuchtungsstrahlengangs abgelenkt, passiert dabei ei ne Tubuslinse 16, wird an der Teilerfläche 17 eines weiteren Strahlteilers 18 aus dem Beleuchtungsstrahlengang ausgekoppelt und auf eine CCD-Zeile 19 gelenkt.
Objektiv 3 und Tubuslinse 16 wirken dabei als Abbildungsoptik und bilden die mit der Gitterstruktur überlagerte Spaltöffnung 14 auf die CCD-Zeile 19 ab. Die CCD-Zeile 19 ist relativ zur Blendenanordnung 11 geneigt. Während die Blendenanordnung 11 einschließlich der Spaltöffnung 14 senkrecht zur optischen Achse 2 des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet ist, schließt die CCD-Zeile 19 mit der optischen Achse 33 des Detektionsstrahlengangs einen Winkel ungleich 90°, bevorzugt von 45° ein.
In 3 ist die CCD-Zeile 19 symbolisch dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die CCD-Zeile 19 eine Vielzahl von in Linie angeordneten Empfangselementen aufweist, im folgenden als Pixel 20 bezeichnet. Jedem Pixel 20 ist auf der CCD-Zeile 19 eine feste Position x_i zugeordnet. weist die CCD-Zeile 19 beispielsweise eine Anzahl von 2400 Pixeln 20 auf, so sei angenommen, daß an einem Ende der CCD-Zeile 19 die Position x_i=1, am gegenüberliegenden Ende der CCD-Zeile 19 dagegen die Position x_i=2400 von einem Pixel 20 besetzt ist.
Am Ausgang jedes Pixels 20 ist ein Intensitätssignal I(x_i) verfügbar, d.h. jedes Pixel 20 gibt Auskunft über die Intensität der Abbildungsstrahlung an der ihm zugeordneten Position x_i. Da die Spaltöffnung 14 einschließlich des Strichgitters 15 auf die schräg gestellte CCD-Zeile 19 abgebildet wird, gibt es auf der CCD-Zeile genau eine Positi on, bei der das Strichgitter 15 scharf abgebildete wird. Diese Position, die der aktuellen Fokusposition P_f entspricht, läßt sich anhand eines oder mehrerer zugeordneter Pixel 20 ermitteln.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das nachfolgend erläutert wird, kann die aktuelle Fokusposition genauer ermitteln, als dies nach bisherigem Stand der Technik möglich ist.
Erfindungsgemäß wird zunächst für jede Position x_i eines Pixels 20 ein Intensitätswert I(x_i) der aufgenommenen Strahlung bestimmt. Dabei ergibt sich über die CCD-Zeile 19 hinweg ein Intensitätsverlauf wie in 4 dargestellt. Aus 4 ist ersichtlich, daß die Intensität der Abbildungsstrahlung im Bereich der Pixel x₇₀₀ bis x₁₂₀₀ wesentlich stärker ist als in den übrigen Bereichen.
Es wird jedoch nicht wie im Stand der Technik die Position mit der maximalen Intensität gesucht und als aktuelle Fokusposition definiert, sondern die Intensitätswerte I(x_i) werden zunächst zu positionsbezogenen Kontrastwerten weiterverarbeitet. Die positionsbezogenen Kontrastwerte I(y_i) werden beispielsweise nach der Funktion ermittelt ∀i I(yi):= |I(xi) – I(xi+n)|.
Das heißt, es wird jeweils die Differenz des Intensitätswertes I(x_i) einer Position x_i und eines Intensitätswertes I(x_i+n) einer dazu benachbarten Position x_i+n gebildet. Dabei ist n variabel und sollte vorteilhaft zwischen 1 und 20 gewählt werden.
Jede so gewonnene Differenz wird als Kontrastwert I(y_i) einer Position x_i zugeordnet. Dabei ergibt sich ein Verlauf der Kontrastwerte I(y_i) wie in 5 dargestellt.
Aus 5 ist ersichtlich, daß die Kontrastwerte I(y_i) im Bereich y₆₀₀ bis y₁₁₀₀ wesentlich größer sind als in den übrigen Bereichen der CCD-Zeile 19.
Erfindungsgemäß wird nun in einem nächsten Schritt aus den Kontrastwerten I(y_i) der Kontrastschwerpunkt bestimmt nach der Funktion
für alle Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert I_min. Im vorliegenden Fall wurde I_min beispielsweise mit einem Betrag vorgegeben wie in 5 eingezeichnet.
Dieser Kontrastschwerpunkt läßt sich einem Ort auf der CCD-Zeile 19 zuordnen, der im ausgewählten Beispiel etwa bei der Position y₈₅₀ liegt. Damit ist erfindungsgemäß die aktuelle Fokusposition P_f bestimmt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem nächsten Schritt die aktuelle Fokusposition P_f auf der CCD-Zeile 19 verglichen mit einer idealen Fokusposition P_f'', die anhand einer Kalibrierung der Mikroskopanordnung, beispielsweise mittels einer glatten Probenoberfläche, bestimmt worden ist und von der hier angenommen werden soll, daß sie sich an der Position y₁₂₀₀ befindet.
Im dargestellten Beispiel nach S ergibt sich zwischen den Positionen P_f und P_f'' ein Abstand von 350 Pixeln. Die CCD-Zeile 19 weist einen bestimmten Abstand d zwischen jeweils zwei Pixeln 20 auf; daraus läßt sich ableiten, daß in diesem Falle die aktuelle Fokusposition P_f um etwa das 350-fache des Abstandes d von der idealen Fokusposition P_f'' entfernt ist und, um eine scharfe Abbildung der Probenoberfläche auf die Empfangseinrichtung 6 zu erhalten, die Fokusposition korrigiert werden muß.
Diese Korrektur erfolgt in der Regel durch die Veränderung des Abstandes Δz zwischen der Probe 4 und dem Objektiv 3.
In der Praxis werden aus Gründen der Genauigkeit die Abstände d zwischen den einzelnen Pixeln auf der verwendeten CCD-Zeile durch Messungen ermittelt, und die Anordnung wird in Abhängigkeit von dem Meßergebnis kalibriert und im Kalibrierten Zustand für die Probenbewertung genutzt.
Zum Zweck der Verarbeitung der Intensitätswerte I(x_i) in der vorbeschriebenen Weise und auch zur automatischen Fokussierung ist die Mikroskopanordnung wie in 6 dargestellt noch mit einer Auswerteeinrichtung 21 und einer Zustelleinrichtung 22 ausgestattet, wobei die CCD-Zeile 19 mit der Auswerteeinrichtung 21 und die Auswerteeinrichtung 21 mit der Zustelleinrichtung 22 über Signalwege verbunden sind.
Die Auswerteeinrichtung 21 umfaßt einen Differenzbildner zur Ermittlung der positionsbezogenen Kontrastwerte I(y_i) sowie eine Rechenschaltung zur Ermittlung des Kontrastschwerpunktes als Äquivalent für die aktuelle Fokusposition P_f. Weiterhin verfügt die Auswerteeinrichtung 21 über Mittel zur Vorgabe eines Wertes n = 1...20 und eines Mindestwertes I_min Außerdem ist in der Auswerteeinrichtung 21, dem Ausführungsbeispiel nach 6 entsprechend, eine Rechenschaltung vorgesehen zur Ermittlung des Abstandes b zwischen der aktuellen Fokusposition P_f und dem Ort auf der CCD-Zeile 19, welcher der idealen Fokusposition P_f'' entspricht. Dabei ist diese Rechenschaltung zugleich auch in der Lage, einen Stellbefehl zu generieren, der über die Stelleinrichtung 22 eine Veränderung des Abstandes Δz zwischen der Probe 4 und dem Objektiv 3 um einen zu dem Abstand b äquivalenten Betrag in einer vorgegebenen Richtung R veranlaßt.
Soll die aktuelle Fokusposition P_f auf der CCD-Zeile 19 in Richtung R verschoben werden, muß ein Stellbefehl generiert werden, der dafür sorgt, daß der Abstand zwischen Objektiv 3 und Probe 4 erhöht wird. Umgekehrt müssen Stellbefehle diesen Abstand verringern, wenn die aktuelle Fokusposition P_f entgegengesetzt zur Richtung R zu verschieben ist. Überdeckt sich nach Ausführung der Stellbefehle die aktuelle Fokusposition P_f mit der idealen Fokusposition P_f'', ist die automatische Fokussierung abgeschlossen.
In einer besonderen Verfahrensvariante nach Anspruch 4, die einer höheren Anforderung an die Genauigkeit der automati schen Fokussierung gerecht wird, ist vorgesehen, daß die Auswerteeinrichtung 21 zunächst unter Berücksichtigung aller Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert I_min, einen Ort P_f' auf der CCD-Zeile 19 ermittelt, und erst dann in einem nachfolgenden Schritt die aktuelle Fokusposition P_f ermittelt wird unter Berücksichtigung aller Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als der vorgegebene Mindestwert I_min, und die außerdem nicht weiter als um einen vorgegebenen Abstand a von dem Ort P_f' entfernt sind.
Mit diesem zweistufigen Verfahren wird der Einfluß von Störungen bei der Fokussierung vermieden, indem ein korrigierter Kontrastschwerpunkt ermittelt und dieser der Bestimmung der aktuellen Fokusposition P_f zugrunde gelegt wird.
Soll die Fokusposition in Bezug auf eine Grenzfläche auf oder in der Probe bestimmt werden, die zu einem Schichtsystem mit mehreren Grenzflächen gehört, so können Maßnahmen ergriffen werden, um den Kontrast für die in 4 dargestellten Maxima und Minima zu erhöhen. Dies wird beispielsweise durch Anpassung der Gitterspaltbreite erreicht.
So kann die Breite des Maximums durch die Breite des Gitterspaltes verändert werden. Wird ein sehr schmaler Gitterspalt gewählt, wird auch die Intensitätsverteilung schmaler. Dadurch werden „konfokale" Bedingungen erzielt und das Licht, das von anderen Grenzflächen reflektiert wird, gelangt nicht auf die CCD-Zeile 19. Auf diese Weise kann der Kontrast der auf die CCD-Zeile 19 abgebildeten Gitterstreifen so weit erhöht werden, daß auch viel schwächer reflek tierende Glas-/Wasser-Grenzflächen in der Nähe von Glas-/Luft-Grenzflächen genau fokussiert und dadurch auch bezüglich ihres Abstandes zueinander genau vermessen werden können.
Diesbezüglich zeigt 7 den Intensitätsverlauf bei der Abbildung einer Glas-/Wasser-Grenzfläche auf die CCD-Zeile 19. Dabei sind die im Bereich x₅₀₀ bis x₁₁₀₀ zu erkennenden Störungen durch benachbarte streuende Grenzflächen verursacht, die einen Abstand von ca. 150 μm zueinander haben.
Die weitere Verarbeitung der in 7 dargestellten Intensitätswerte I(x_i) in der beschriebenen Weise führt zu positionsbezogenen Kontrastwerten I(y_i), wie in 8 dargestellt.
Bei den bisher erläuterten Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind sowohl die Blendenöffnung 12 als auch die Spaltöffnung 14 als Bestandteile der Blendenanordnung 11 senkrecht zu der optischen Achse 2 des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet. Damit lassen sich bei der Bewertung von Proben 4, die eine nur in geringem Maße streuende Oberfläche haben, sehr gute Meßergebnisse erzielen.
In 9 dagegen ist die erfindungsgemäße Anordnung in einer Ausgestaltung dargestellt, die insbesondere zur Untersuchung von Proben 4 mit verhältnismäßig stark streuenden Oberflächen geeignet ist.
Wie in den bereits vorher erläuterten Ausgestaltungsbeispielen weist auch in der Ausführung nach 9 die in der Feldblendenebene 10 positionierte Blendenanordnung 11 eine Spaltöffnung 14 und eine Blendenöffnung 12 auf, wobei auch hier die Spaltöffnung 14 der Bestimmung der Fokusposition dient und die Blendenöffnung 12 den Umfang und die Größe eines Bildausschnittes auf der Probe 4 definiert.
Dabei ist die Blendenöffnung 12 etwa zentrisch zur optischen Achse 2 des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet, und die Spaltöffnung 14 befindet sich an der Peripherie des Beleuchtungsstrahlengangs.
Als Besonderheit schließt hier die Spaltöffnung 14 mit der optischen Achse 2 einen Winkel ein, der denselben Betrag hat, um den die CCD-Zeile 19 gegen die optische Achse 33 des Detektionsstrahlengangs geneigt ist, während die Blendenöffnung 12 nach wie vor senkrecht zur optischen Achse 2 des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet ist.
Außerdem ist der optische Weg zwischen der Probe 4 und der Spaltöffnung 14 ebenso lang wie der optische Weg zwischen der Probe 4 und der CCD-Zeile 19.
Eine derartige Blendenanordnung 11 läßt beispielsweise sich technisch realisieren, indem ein Blendenteil 11.1 mit der Spaltöffnung 14 und ein Blendenteil 11.2 mit der Blendenöffnung 12 getrennt hergestellt und dann miteinander verbunden werden.
Die Voraussetzung gleicher optischer Weglängen zwischen der Spaltöffnung 14 und der Probe 4 einerseits und der Probe 4 und der CCD-Zeile 19 andererseits ist im dargestellten Fal le erfüllt, wenn der Schnittpunkt, in dem sich optische Achse 2, optische Achse 33 und Teilerfläche 17 des Strahlteilers 18 treffen, vom Schnittpunkt der optischen Achse 2 mit der Spaltöffnung 14 ebenso weit entfernt ist wie der Schnittpunkt der optischen Achse 33 mit der CCD-Zeile 19.
Eine Anordnung zur Ausübung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 10 dargestellt. Diese Anordnung ist für Anwendungen geeignet, bei denen neben der genauen Bestimmung der Fokusposition auch eine Aussage zur Verkippung der Probenebene relativ zur Empfangsfläche der Empfangseinrichtung 6 zu treffen ist.
Der Übersichtlichkeit halber werden in 10 soweit möglich wieder dieselben Bezugszeichen für dieselben Baugruppen verwendet wie in l.
Der Unterschied der Anordnung nach 10 zu der Anordnung nach 1 besteht darin, daß eine zweite Beleuchtungsquelle 23 vorgesehen ist, von der ein zweiter Beleuchtungsstrahlengang 24 ausgeht und auf die Probe 4 gerichtet ist. Der Beleuchtungsstrahlengang 24 wird an der Teilerschicht 25 eines zusätzlichen Strahlteilers 26 in Richtung zur Probe 4 umgelenkt und im Strahlteiler 9 mit der optische Achse 2 des Beleuchtungsstrahlengangs zusammengeführt, der von der Beleuchtungsquelle 1 ausgeht.
In der Feldblendenebene 27 befindet sich eine Blendenanordnung 28, die in 11 vergrößert dargestellt ist. Die Blendenanordnung 28 ist aus zwei Teilblenden 28.1 und 28.2 zusammengesetzt, die beide im Beleuchtungsstrahlengang 24 nebeneinander angeordnet sind das Bildfeld, das zur Abbildung auf die Probe 4 vorgesehen ist, komplett ausfüllen.
Die Beleuchtungsquellen 1 und 23 werden alternativ betrieben, d.h. die Beleuchtungsquelle 1 wird genutzt, um die Probenoberfläche zwecks Beobachtung und Bewertung auf die CCD-Kamera der Empfangseinrichtung 6 abzubilden, während die Beleuchtungsquelle 23 lediglich zur Bestimmung der aktuellen Fokusposition und zur Bestimmung des Verkippungswinkels der Probe 4 gegen die Empfangsfläche der Empfangseinrichtung 6 genutzt wird.
Jede der beiden Teilblenden 28.1 und 28.2 besteht aus einer Anzahl parallel verlaufender Spaltöffnungen 29 und 30, von denen jede ebenso wie die Spaltöffnung 14 in der Anordnung nach 1 mit einer Gitterstruktur überlagert ist. Dabei sind die Spaltöffnungen 29 der Teilblende 28.1 senkrecht zu den Spaltöffnungen 30 der Teilblende 28.2 ausgerichtet.
Die Gitterstrukturen sind jeweils senkrecht zu den Spaltöffnungen 29 bzw. 30 ausgerichtet, d.h. die Gittervektoren verlaufen parallel zur jeweiligen Spaltöffnung 29 bzw. 30.
Eine schräg gestellte CCD-Zeile 19, wie in der Anordnung nach 1, ist hier nicht erforderlich. Die Blendenanordnung 28 wird auf eine CCD-Matrix in der Empfangseinrichtung 6 abgebildet, nachdem das von der Probe 4 kommende Abbildungslicht das Objektiv 3, den Strahlteiler 9, die Tubuslinse 7 und den Strahlteiler 26 passiert hat.
In 12 ist symbolisch die CCD-Matrix dargestellt mit den durch die Abbildung der Spaltöffnungen 29 bzw. 30 in Anspruch genommenen Pixelzeilen 31 bzw. 32.
Es wird jede der Spaltöffnungen 29 einschließlich der Gitterstruktur auf eine Pixelzeile 31 auf der CCD-Matrix abgebildet und verursacht Intensitätssignale I(x_i), die am Signalausgang eines jeden Pixels abgreifbar sind. Das trifft in derselben Weise zu für die Spaltöffnungen 30, die einschließlich der Gitterstruktur auf je eine Pixelzeile 32 auf der CCD-Matrix abgebildet werden.
Wie bereits weiter oben für eine einzelne CCD-Zeile 19 anhand 1 beschrieben, werden auch bei dieser Verfahrensvariante die ermittelten Intensitätswerte I(x_i) zu positionsbezogenen Kontrastwerten I(y_i) verknüpft, wobei sich in genau derselben Weise wie bereits beschrieben auf jeder der Pixelzeilen 31 bzw. 32 ein Kontrastschwerpunkt bestimmen läßt, der jeweils die aktuelle Fokusposition P_f angibt.
Die Kontrastschwerpunkte lassen sich für jede abgebildete Teilblende 28.1 bzw. 28.2 durch Geraden verbinden, wie in 13 gesondert dargestellt. Die beiden Geraden sind durch die entsprechenden Geradengleichungen y₁=m₁·x₁+n₁ bzw. y₂=m₂·x₂+n₂ definiert.
Dabei ergeben die Größen n₁ und n₂ im kalibrierten Zustand ein Maß für die aktuelle Fokusposition. Entsprechen n₁ bzw. n₂ einem vorgegebenen Abstandswert, ist die Abbildungsoptik fokussiert.
Des weiteren wird unter Zugrundelegung der mathematischen Beziehungen aus der Größe ml, welche die Steigung der Geraden y₁=m₁·x₁+n₁ und damit die Abweichung von der Parallelausrichtung zur Richtung der Pixelzeilen 31 bzw. 32 beschreibt, der erste Kippwinkel und aus m₂ der zweite Kippwinkel der Fokusebene in Bezug auf die Ebene der Probe 4 bestimmt.
Dabei wird davon ausgegangen, daß im kalibrierten Zustand der Anordnung die Größen ml bzw. m₂ proportional sind zu einem Kippwinkel der Fokusebene in Bezug auf die Ebene der Probe 4.
Wird die Ebene der Probe 4 gezielt so lange verkippt, bis die beiden Größen ml bzw. m₂ einem Sollwert entsprechen, bevorzugt dem Wert „Null", ist die Verkippung korrigiert.

1: Beleuchtungsquelle
2: optische Achse des Beleuchtungsstrahlengangs
3: Objektiv
4: Probe
5: optische Achse des Abbildungsstrahlengangs
6: Empfangseinrichtung
7: Tubuslinse
8: Teilerfläche
9: Strahlteiler
10: Feldblendenebene
11: Blendenanordnung
12: Blendenöffnung
13: Begrenzung
14: Spaltöffnung
15: Strichgitter
16: Tubuslinse
17: Teilerfläche
18: Strahlteiler
19: CCD-Zeile
20: Pixel
21: Auswerteeinrichtung
22: Zustelleinrichtung
23: Beleuchtungsquelle
24: Beleuchtungsstrahlengang
25: Teilerfläche
26: Strahlteiler
27: Blendenebene
28: Blendenanordnung
28.1, 28.2: Teilblenden
29, 30: Spaltöffnungen
31, 32: Pixelzeilen
33: optische Achse eines Detektionsstrahlengangs

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Fokusposition bei der Abbildung einer Probe (4), bei dem – eine Feldblende auf die Probe (4) abgebildet und die Abbildung der Feldblende auf der Probe (4) zumindest teilweise durch die Abbildung eines optischen Gitters überlagert wird, – mittels einer relativ zur Feldblende geneigten positionsempfindlichen Empfangseinrichtung Intensitätswerte I(x_i) für das von der Probe (4) reflektierte Licht gewonnen und Positionen auf der Empfangseinrichtung zugeordnet werden, – aus den Intensitätswerten I(x_i) positionsbezogene Kontrastwerte ermittelt werden und – anhand dieser Kontrastwerte I(y_i) die Position des Kontrastschwerpunktes auf der Empfangseinrichtung als Äquivalent für die aktuelle Fokusposition ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß positionsbezogene Kontrastwerte I(y_i) nach der Funktion ∀i I(yi):=|I(xi) – I(xi+n)|ermittelt werden aus jeweils der Differenz eines Intensitätswertes I(x_i), der einer Position i auf der Empfangseinrichtung zugeordnet ist, und einem Intensitätswert I(x_i+n), der einer benachbarten Position i+n zugeordnet ist, bevorzugt mit n = 1...20.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Äquivalent für die aktuelle Fokusposition P_f ein Ort ermittelt wird nach der Funktion
für alle Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert I_min.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß – in einem ersten Schritt ein Ort P_f' ermittelt wird nach der Funktion
für alle Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert I_min und – in einem zweiten Schritt als Äquivalent für die aktuelle Fokusposition P_f ein Ort ermittelt wird nach der Funktion
für alle Kontrastwerte I(y_i), die größer als ein Mindestwert I'_min und nicht weiter als um einen vorgegebenen Abstand a von dem Ort P_f' entfernt sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – eine Feldblende mit einer Spaltöffnung (14), als optisches Gitter ein Strichgitter (15) in Form einer strei fenförmigen Maske und als Empfangseinrichtung eine CCD-Zeile (19) genutzt werden, – die Positionen i durch die fortlaufende Numerierung der Pixel (20) der CCD-Zeile (19) charakterisiert sind, und – der Abstand a mit einer Anzahl Pixel (20) im Bereich a = 10...1000 vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem auf der Empfangseinrichtung gemessenen Abstand b zwischen dem Ort P_f und einem Ort P_f'', welcher der idealen Fokusposition auf der Empfangseinrichtung entspricht, ein Stellsignal zur automatischen Fokussierung generiert wird, bevorzugt durch Änderung des Abstandes Δz zwischen der Probe (4) und einer Abbildungsoptik.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – als Feldblende eine Rechteckblende und – als Empfangseinrichtung eine CCD-Matrix verwendet wird und – das optische Gitter aus zwei in der Gitterebene gegeneinander geneigten Gitterstreifenmasken besteht, von denen jede mehrere parallel zueinander verlaufende streifenförmige Masken aufweist, wobei – von jeder streifenförmigen Maske eine Abbildung auf der Probe erzeugt und für jede abgebildete Maske die Position des Kontrastschwerpunktes wie in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben als Äquivalent einer aktuellen Fokusposition auf der CCD-Matrix bestimmt wird, – der Verlauf und die Neigung der beiden Verbindungsgeraden durch die Kontrastschwerpunkte ermittelt wird und – daraus der Verkippungswinkel der Fokusebene in Bezug auf die Empfangsfläche der CCD-Matrix bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verkippungswinkel der Fokusebene in Bezug auf die Ebene der Empfangsfläche der CCD-Matrix ein Stellsignal zur Kompensation des Verkippungswinkels abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite der optischen Gitter in Abhängigkeit vom Reflexionsvermögen eines ausgewählten Probenabschnitts und/oder der Intensität von störendem gestreuten oder reflektierten Licht festgelegt wird, wobei zwecks Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Kontrastschwerpunktes und damit der aktuellen Fokusposition die Spaltbreite um so kleiner vorgegeben wird, je geringer das Reflexionsvermögen des Probenabschnitts oder je intensiver störendes gestreutes oder reflektiertes Licht ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Intensitätswerte benachbarter Pixel (20) der Empfangseinrichtung über eine Periode des abgebildeten Gitters gemittelt werden, – die Abweichung des dabei erhaltenen Intensitätssignals I_ist von einem vorgegebenen Intensitätssignal I_soll bestimmt wird und – zwecks Kompensation von durch Schmutzpartikel im optischen Strahlengang oder anderweitig verursachter Störungen eine Korrektur der Kontrastwerte I(y_i) vorgenommen wird, welche die Abweichung ausgleicht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelung der Intensitätswerte benachbarter Pixel (20) vorgenommen wird nach der Funktion
für alle x_i mit n = 2...100, wobei bevorzugt n der Anzahl der Pixel je Gitterperiode entspricht.
Anordnung zur Bestimmung der Fokusposition nach den vorgenannten Verfahrensschritten, insbesondere bei einem Mikroskop, umfassend – eine Beleuchtungsquelle (1) zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs, – eine Abbildungsoptik, durch die der Beleuchtungsstrahlengang auf die Probe (4) gerichtet ist und – eine in einem Abbildungsstrahlengang angeordnete Kamera, dadurch gekennzeichnet, daß – in den Beleuchtungsstrahlengang eine durch eine Gittermaske überlagerte Spaltöffnung (14) gestellt ist, – ein aus dem Abbildungsstrahlengang abgezweigter Detektionsstrahlengang auf eine CCD-Zeile (19) gerichtet ist, die mit der optischen Achse (33) des Detektionsstrahlengangs einen Winkel α≠90° einschließt, – die CCD-Zeile (19) mit einer Auswerteeinrichtung (21) zur Ermittlung von positionsbezogenen Intensitätswerten I(x_i) und von positionsbezogenen Kontrastwerten I(y_i) in Verbindung steht, und – die Auswerteeinrichtung (21) zur Ermittlung der Position des Kontrastschwerpunktes auf der CCD-Zeile (19) als ein Äquivalent für die aktuelle Fokusposition ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß – die Spaltöffnung (14) gemeinsam mit einer Blendenöffnung (12), die den Umfang und die Größe eines Bildausschnitts auf der Probe (4) definiert, in einer Feldblendenebene (10) positioniert ist, wobei – die Blendenöffnung (12) zentrisch zur optischen Achse (2) des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet ist und sich die Spaltöffnung (14) an der Peripherie des Beleuchtungsstrahlengangs befindet.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß – die Blendenöffnung (12) senkrecht zur optischen Achse (2) des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet ist, während – die Spaltöffnung (14) mit der optischen Achse (2) einen Winkel einschließt, der dem Winkel entspricht, um den die CCD-Zeile (19) gegen die optische Achse (33) des Detektionsstrahlengangs geneigt ist, wobei – die optische Weglänge zwischen der Probe (4) und der Spaltöffnung (14) ebenso groß ist wie die optische Weglänge zwischen der Probe (4) und der CCD-Zeile (19).
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (21) umfaßt – einen Differenzbildner, der positionsbezogene Kontrastwerte I(y_i) nach der Funktion ∀i |I(yi):=|(I(xi) – I(xi+n)|ermittelt aus jeweils der Differenz eines Intensitätswertes I(x_i), der einer Position i auf der CCD-Zeile (19) zugeordnet ist, und einem Intensitätswert I(x_i+n), der einer benachbarten Position i+n zugeordnet ist, bevorzugt mit n = 1...20, und – eine Rechenschaltung, die den Kontrastschwerpunkt ermittelt als Äquivalent für die aktuelle Fokusposition nach der Funktion
für alle Kontrastwerte I(y_i), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert I_min.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12–15, dadurch gekennzeichnet, daß – in der Auswerteeinrichtung eine Rechenschaltung vorgesehen ist zur Ermittlung des Abstand b zwischen dem Ort P_f und einem Ort P_f'', welcher der idealen Fokusposition auf der CCD-Zeile (19) entspricht, und – die Auswerteeinrichtung (21) mit einer Zustelleinrichtung (22) zur Änderung des Abstandes Δz zwischen der Probe (4) und der Abbildungsoptik in Verbindung steht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Gitters der opti schen Auflösungsgrenze der Abbildungsoptik angepaßt ist, wobei bevorzugt jeweils fünf Pixel (20) der CCD-Zeile (19) einer Gitter-Periode entsprechen.