DE10362244B4 - Locating focal position during sample imaging involves acquiring reflected light intensity values with position sensitive receiver inclined to field aperture, determining center of contrast position - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Fokusposition und der Verkippung der Fokusebene relativ zur Empfangsfläche einer positionsempfindlichen Empfangseinrichtung bei der Abbildung einer Probe. The invention relates to a method for determining the focus position and the tilting of the focal plane relative to the receiving surface of a position-sensitive receiving device in the imaging of a sample.
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 order to obtain precise images of a sample or a sample section by means of imaging optics, it is necessary to place the sample exactly in the focus position of the imaging optics. If the image is blurred, it is important to know by what amount and in which direction a change in the position of the sample relative to the imaging optics is to be caused and, if necessary, to derive corresponding control commands that can be used for refocusing.
In diesem Zusammenhang sind im wesentlichen Triangulationsverfahren, abbildende Verfahren mit Kontrastauswertung und die Positionsbestimmung mittels schräg gestellter konfokaler Spaltblende bekannt. In this context, triangulation methods, imaging methods with contrast evaluation and position determination by means of an inclined confocal slit are known.
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. In the triangulation method, a collimated laser beam is reflected in the pupil plane of an imaging objective and closed from the course of this laser beam relative to the imaging beam path to the Z position of the laser light reflected by the sample.
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. A major disadvantage of this procedure is that image errors occur due to the imaging of the laser light in different depths of the sample, and as a result the detected signal varies greatly over a given depth of field.
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. The accuracy in the determination of the focus position is disadvantageously dependent on whether the measurement result from the center or at the periphery of the capture range of a detector is determined. To compensate for this effect, the focus position must be determined in several iterative steps, with the result that this procedure requires a relatively large amount of time.
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. In imaging methods with contrast evaluation, the sample is illuminated with a grid-like intensity distribution by placing a grid in the field stop plane of the illumination beam path. The thus illuminated sample is imaged onto a receiving device. In this way, a series of images with different distances between the imaging optics and the sample is taken and from this series, the image with the highest contrast is determined. The distance between the imaging optics and the sample assigned to this image is considered to be the optimum focus distance.
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. The disadvantage is that many different Z-positions must be approached with high accuracy to record the image series, which relatively much time is required for this procedure.
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. When determining the position by means of a slanted confocal slit diaphragm, a slit diaphragm is placed in the field diaphragm plane of the illumination beam path and imaged onto the specimen. The light reflected from the sample is directed to a CCD line inclined relative to the slit, and the position on the CCD line where the reflected light has a maximum is determined. Since, in this procedure, the focus position can be calculated with a single image on the line, the result of the focus determination is available in a relatively short time.
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. However, there are disadvantages in that contamination on the sample or disruptive structures on the sample surface cause intensity fluctuations which can lead to erroneous measurement results. The main problem with this procedure is the very high adjustment effort in the mapping of the gap on the CCD line, because the column (or line) must be very narrow in order to achieve high accuracy can. In addition, a very well corrected imaging optics is required.
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. In particular, in the chip production increasingly finer structures and thinner layers are sought, which means that the requirements for the inspection procedures, with which the manufacturing accuracy is checked, are getting higher. Accordingly, an increasingly faster and more accurate focusing is required as possible without interrupting the production process.
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Anordnungen und Verfahrensweisen besteht darin, daß eine Verkippung der Fokusebene in Bezug auf die Empfangsfläche eines Detektors in der Empfangseinrichtung nicht erfaßt und korrigiert wird. A significant disadvantage of the known arrangements and procedures is that a tilt of the focal plane with respect to the receiving surface of a detector in the receiving device is not detected and corrected.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren so weiter zu entwickeln, daß sowohl eine weitestgehend genaue Bestimmung der Fokusposition als auch eine Verkippung der Fokusebene registrierbar ist. On this basis, the invention has the object to further develop the known methods so that both a largely accurate determination of the focus position and a tilt of the focal plane can be registered.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß des Anspruchs 1 oder gemäß des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in Unteransprüchen aufgeführt. This object is achieved by a method according to
Im Unterschied zu den einschlägigen Verfahren nach dem Stand der Technik wird die Fokusposition nicht als Äquivalent des Intensitätsmaximums 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. In contrast to the relevant prior art methods, the focus position is not obtained as the equivalent of the intensity maximum on the receiving device, but the overlay of the aperture image on the sample with the image of an optical grating makes it possible to determine position-related contrast values and those of the determination based on the current focus position.
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. This has the significant advantage over the previously known method that the adjustment effort is significantly reduced. In addition, the results in the determination of the focus position are no longer so distorted by background light, impurities on the sample or interfering sample structures.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, daß positionsbezogene Kontrastwerte I(yi) nach der Funktion
Anschließend an die Ermittlung der positionsbezogenen Kontrastwerte wird als ein Äquivalent für die aktuelle Fokusposition Pf ein Ort ermittelt nach der Funktion Subsequent to the determination of the position-related contrast values, a location is determined according to the function as an equivalent for the current focus position P f
Hier werden alle die Kontrastwerte I(yi) einbezogen, die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert Imin. Here, all the contrast values I (y i ) are included, which are greater than a predetermined minimum value I min .
Damit wird in vielen Anwendungsfällen bereits eine im Vergleich zum Stand der Technik hohe Genauigkeit bei verringertem Justageaufwand erzielt. This is already achieved in many applications, a high accuracy compared to the prior art with reduced adjustment effort.
Für noch höhere Anforderungen an die Genauigkeit wird zunächst in einem ersten Schritt ein Ort Pf´ ermittelt nach der Funktion für alle Kontrastwerte I(yi), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert Imin, und hieran anschließend in einem zweiten Schritt als das Äquivalent für die aktuelle Fokusposition Pf ein Ort ermittelt nach der Funktion für alle Kontrastwerte I(yi), die größer sind als ein Mindestwert I´min und die nicht weiter von dem Ort Pf´ entfernt sind als um einen vorgegebenen Abstand a. For even higher demands on the accuracy, first in a first step, a location P f 'is determined according to the function for all contrast values I (y i ) that are greater than a predetermined minimum value I min , and then, in a second step, as the equivalent for the current focus position P f, a location determined by the function for all contrast values I (y i) which are greater than a minimum value I 'min and not further' remote from the location P f as a predetermined distance a.
Dabei können die für den ersten Schritt und für den zweiten Schritt jeweils festgelegten Mindestwerte Imin bzw. I´min gleich groß oder auch verschieden groß sein. The respective specified for the first step and the second step minima I min and I 'may be equal min or different sizes.
Als optische Gitter werden Absorptionsgitter in Form von streifenförmigen Masken und als Empfangseinrichtung eine CCD-Matrix benutzt. Die Positionen xi sind in diesem Falle charakterisiert durch die fortlaufende Numerierung der Sensorelemente auf einer CCD-Zeile der CCD-Matrix, 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. As optical grating absorption grating in the form of stripe-shaped masks and as a receiving device using a CCD matrix. The positions x i are characterized in this case by the continuous numbering of the sensor elements on a CCD line of the CCD matrix, hereinafter referred to as pixels. For example, if the CCD line is 2400 pixels, its positions are defined as x 1 through x 2400 . The distance a between two pixels on the CCD line is then indicated with a number of pixels, with a being preferably set in the range of 10 to 1000.
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 Pf´´ auf der Empfangseinrichtung entspricht, und dem Ort, welcher der aktuellen Fokusposition Pf entspricht, ein Stellsignal zur automatischen Fokussierung generiert. In a further embodiment, which can be used in particular in automatic production control, is measured from the distance b measured on the receiving device between a location on the receiving device, which corresponds to the ideal focus position P f "on the receiving device, and the location of the current focus position P f , generates a control signal for automatic focusing.
Dabei wird das Stellsignal bevorzugt zur Änderung des Abstandes ∆z zwischen der Probe und der Abbildungsoptik genutzt, bis sich die auf die CCD-Zeile abgebildeten Orte Pf mit dem anhand einer Gerätekalibrierung vorgegebenen Ort Pf´´ decken. Here, the control signal is preferably used to change the distance Az between the sample and the imaging optics, to the places shown on the CCD line P f with the predetermined reference to a device calibration location P f coincide''.
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. Such adjusting devices are known from the prior art and therefore need not be explained in detail here. In particular, stepper motors which are coupled to a sample table have proved to be suitable as drives for such adjusting devices.
Bezüglich der Ermittlung einer Verkippung der Fokusebene in Bezug auf die Empfangsfläche eines Detektors in der Empfangseinrichtung ist bevorzugt vorgesehen, daß 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 beschrieben ist. With regard to the determination of a tilt of the focal plane with respect to the receiving surface of a detector in the receiving device is preferably provided that a rectangular aperture and as a receiving device using a CCD matrix and the optical grating consists of two in the lattice plane mutually inclined lattice masks, each of which has a plurality of mutually parallel strip-shaped masks. It is provided that an image is generated on the sample of each of the strip-shaped masks and the position of the contrast centroid is determined by the method of the method described above, by means of the CCD matrix for each mapped mask.
In diesem Falle sind die Positionen des Kontrastschwerpunktes auf jeder abgebildeten Maske das Äquivalent einer aktuellen 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. In this case, the positions of the contrast centroid on each mapped mask are the equivalent of a current focus position. According to the invention, the course and the inclination of the two connecting straight lines are determined by the contrast centers and from this the tilt angle of the focal plane with respect to the receiving surface of the CCD matrix, as will be explained in more detail below.
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. Here too, it is conceivable that an actuating signal is obtained from the tilt angle of the focal plane with respect to the plane of the receiving surface of the CCD matrix, and this is compensated via an adjusting device which influences the inclination of the specimen relative to the optical axis of the imaging beam path Tilt angle is used.
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. In each of the aforementioned embodiments of the invention, the gap width of the optical gratings is predetermined as a function of the reflectivity of a selected sample section and / or of the intensity of scattered or reflected and therefore interfering light. To increase the accuracy in the determination of the contrast center of gravity, the gap width should be set the smaller, the lower the reflectivity of the sample section or the more intense interfering scattered or reflected light.
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 Iist von einem vorgegebenen Intensitätssignal Isoll zu bestimmen und schließlich in Abhängigkeit von der sich dabei ergebenden Differenz eine Korrektur der Kontrastwerte vorzunehmen. Furthermore, it may be advantageous to firstly average the intensity values of adjacent pixels over a period of the imaged grid for further processing of the intensity values for position-related contrast values, then to determine the deviations of the intensity signal I ist from a given intensity signal I soll and finally to Depending on the resulting difference to make a correction of the contrast values.
Hierdurch muß vorteilhaft zunächst nur ein Intensitätswert, nämlich das gemittelte Intensitätssignal Iist bestimmt werden. Unter Zugrundelegung der Abweichung dieses Intensitätssignals Iist von einem zu erwartenden Intensitätssignal Isoll 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. As a result, advantageously only one intensity value, namely the averaged intensity signal I ist , must first be determined. Based on the deviation of this intensity signal I is from an expected intensity signal I is to be then the contrast values corrected so that interference that are caused by dirt particles in the optical beam path or by a non-uniformly reflecting sample are compensated.
Dabei kann die Mittelung der Intensitätswerte benachbarter Pixel vorgenommen werden nach der Funktion The averaging of the intensity values of adjacent pixels can be carried out according to the function
für alle xi mit n = 2...100, wobei bevorzugt n der Anzahl der Pixel je Gitterperiode entspricht. for all x i with n = 2 ... 100, where n preferably corresponds to the number of pixels per grating period.
Zur Durchführung der bisher beschriebenen Verfahrensschritte ist beispielsweise eine optische Anordnung vorgesehen, 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(xi) und von positionsbezogenen Kontrastwerten I(yi) 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.
- In the illumination beam path a gap opening superposed by a grating mask is provided,
- A detection beam path branched off from the imaging beam path is directed onto a CCD line,
- The CCD line encloses an angle α ≠ 90 ° with the optical axis of the detection beam path,
- The CCD line is connected to an evaluation device for determining position-related intensity values I (x i ) and position-related contrast values I (y i ), and
- - The evaluation is designed to determine the position of the contrast center on the CCD line as an equivalent to the current focus position.
Vorteilhaft ist die Spaltöffnung gemeinsam mit einer Blendenöffnung, die den Umfang und die Größe eines Bildausschnitts 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. The gap opening is advantageously positioned together with an aperture opening which defines the circumference and the size of an image section on the sample in the field stop plane of the arrangement, wherein the aperture is aligned centrally with the optical axis of the illumination beam path and the gap opening is located at the periphery of the illumination beam path ,
Bei einer Ausgestaltungsvariante dieser 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. In one embodiment variant of this arrangement, which is particularly suitable for the observation and examination of samples with strongly scattering surfaces, the aperture should be aligned perpendicular to the optical axis of the illumination beam path, while the gap opening with the optical axis encloses an angle corresponding to the angle the CCD line is inclined to the optical axis of the detection beam path, wherein the optical path length between the sample and the gap opening is as large as the optical path length between the sample and the CCD line.
Dabei kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise einen Differenzbildner umfassen, der positionsbezogene Kontrastwerte I(yi) nach der Funktion
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. In this case, the value n determines the distance between adjacent positions on the CCD line to each other. In this respect, n is variable and is given according to the application with 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 Pf auf der CCD-Zeile entspricht, und einem Ort, welcher der idealen Fokusposition Pf´´ auf der CCD-Zeile entspricht. Damit erhält man ein Maß für die Abweichung von der idealen Fokusposition. In particular, for the application in connection with devices for automatic biochip production, in which the control of the manufacturing accuracy runs independently, an arithmetic circuit is provided in the evaluation, which is designed to determine the distance b between the location, which the current focus position P f on the CCD line, and a location corresponding to the ideal focus position P f "on the CCD line. This gives a measure of the deviation from the ideal focus position.
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 ∆z 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. Accordingly, it is furthermore advantageous if the evaluation device is configured such that it ascertains an actuating signal from the deviation from the ideal focus position and is connected to a setting device for correcting the focus position, for example a change in the distance Δz between the sample and the imaging optics causes. Thus, the distance between the current focus position and the ideal focus position can be influenced, the adjustment is made so long and so often until the distance b goes to 0 and thus the ideal focus position is set.
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. To achieve optimal results in determining the current focus position as well as in determining the shelf to the ideal focus position can, it is advantageous if the frequency of each used for imaging on the sample grid of the optical resolution limit of the imaging optics is adjusted. Preferably, in each case five pixels of the CCD line should correspond to a grating period.
Bei der Abbildung ebener Probenoberflächen kann das 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. When imaging planar sample surfaces, the method or the arrangement described so far can also be used for leveling purposes by determining the inclination of the sample surface relative to the optical axis of the objective beam path and corrected to a predetermined value, preferably to an angle of 90 ° to the optical axis becomes.
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. For this purpose, the arrangement is to be equipped with a sample table which is displaceable in the coordinate directions X and Y perpendicular to the optical axis. This makes it possible to focus on three different points of the sample surface that are not on a straight line. For each of these three points, the current focus position is determined on the CCD line and determines the storage of the ideal focus position and / or the focus distance.
Aus der geometrischen 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. The inclination of the sample surface relative to the optical axis of the objective beam path is calculated from the geometrical combination of the shelves or the focal distances and / or the inclination of the sample surface is changed by tilting the sample by means of an adjusting device so that the shelves between current and ideal focus position or Focusing distances are the same for all three points and thus the sample surface is aligned perpendicular to the optical axis of the lens path.
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. The adjusting device, which can be embodied, for example, as a three-point linear adjustment or two-axis rotary adjustment, is controlled as a function of the current inclination and a positioning command to be generated therefrom until the undesired inclination has been corrected.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen, die auch weitere erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: The invention will be explained below with reference to embodiments which disclose further features essential to the invention. In the accompanying drawings show:
In
Die nicht zur Erfindung gehörende Mikroskopanordnung nach
Dabei wird die Probenoberfläche mittels einer Abbildungsoptik, die aus dem Objektiv
Beleuchtungsstrahlengang und Abbildungsstrahlengang werden an der Teilerfläche
In die Blendenebene
Aus
Bei der Beleuchtung der Probe
Objektiv
In
Am Ausgang jedes Pixels
Zunächst wird für jede Position xi eines Pixels
Es wird jedoch nicht die Position mit der maximalen Intensität gesucht und als aktuelle Fokusposition definiert, sondern die Intensitätswerte I(xi) werden zunächst zu positionsbezogenen Kontrastwerten weiterverarbeitet. Die positionsbezogenen Kontrastwerte I(yi) werden beispielsweise nach der Funktion ermittelt
Das heißt, es wird jeweils die Differenz des Intensitätswertes I(xi) einer Position xi und eines Intensitätswertes I(xi + n) einer dazu benachbarten Position xi+n gebildet. Dabei ist n variabel und sollte vorteilhaft zwischen 1 und 20 gewählt werden. That is, the difference of the intensity value I (x i ) of a position x i and an intensity value I (x i + n) of a position x i + n adjacent thereto is formed in each case. N is variable and should be chosen between 1 and 20.
Jede so gewonnene Differenz wird als Kontrastwert I(yi) einer Position xi zugeordnet. Dabei ergibt sich ein Verlauf der Kontrastwerte I(yi) wie in
Aus
In einem nächsten Schritt wird nun aus den Kontrastwerten I(yi) der Kontrastschwerpunkt bestimmt nach der Funktion für alle Kontrastwerte I(yi), die größer sind als ein vorbestimmter Mindestwert Imin. Im vorliegenden Fall wurde Imin beispielsweise mit einem Betrag vorgegeben wie in
Dieser Kontrastschwerpunkt läßt sich einem Ort auf der CCD-Zeile
In einer vorteilhaften, ebenfalls nicht von der Erfindung umfassten Ausgestaltung wird in einem nächsten Schritt die aktuelle Fokusposition Pf auf der CCD-Zeile
Im dargestellten Beispiel nach
Diese Korrektur erfolgt in der Regel durch die Veränderung des Abstandes ∆z zwischen der Probe
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. In practice, for reasons of accuracy, the distances d between the individual pixels on the CCD line used are determined by measurements, and the arrangement is calibrated as a function of the measurement result and used in the calibrated state for the sample evaluation.
Zum Zweck der Verarbeitung der Intensitätswerte I(xi) in der vorbeschriebenen Weise und auch zur automatischen Fokussierung ist die nicht erfindungsgemäße Mikroskopanordnung wie in
Die Auswerteeinrichtung
Außerdem ist in der Auswerteeinrichtung
Soll die aktuelle Fokusposition Pf auf der CCD-Zeile
In einer besonderen, ebenfalls nicht von der Erfindung umfassten Verfahrensvariante, die einer höheren Anforderung an die Genauigkeit der automatischen Fokussierung gerecht wird, ist vorgesehen, daß die Auswerteeinrichtung
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 Pf zugrunde gelegt wird. With this two-step method, the influence of disturbances in the focusing is avoided by determining a corrected contrast centroid and based on the determination of the current focus position P f .
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
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
Diesbezüglich zeigt
Die weitere Verarbeitung der in
Bei den bisher erläuterten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungen der Anordnung sind sowohl die Blendenöffnung
In
Wie in den bereits vorher erläuterten Ausgestaltungsbeispielen weist auch in der Ausführung nach
Dabei ist die Blendenöffnung
Als Besonderheit schließt hier die Spaltöffnung
Außerdem ist der optische Weg zwischen der Probe
Eine derartige Blendenanordnung
Die Voraussetzung gleicher optischer Weglängen zwischen der Spaltöffnung
Die in
Der Übersichtlichkeit halber werden in
Der Unterschied der Anordnung nach
In der Feldblendenebene
Die Beleuchtungsquellen
Jede der beiden Teilblenden
Die Gitterstrukturen sind jeweils senkrecht zu den Spaltöffnungen
Eine schräg gestellte CCD-Zeile
In
Es wird jede der Spaltöffnungen
Wie bereits weiter oben für eine einzelne CCD-Zeile
Die Kontrastschwerpunkte lassen sich für jede abgebildete Teilblende
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. The quantities n 1 and n 2 in the calibrated state give a measure of the current focus position. If n 1 or n 2 correspond to a predetermined distance value, the imaging optics are focused.
Des weiteren wird unter Zugrundelegung der mathematischen Beziehungen aus der Größe m1, welche die Steigung der Geraden y1 = m1·x1 + n1 und damit die Abweichung von der Parallelausrichtung zur Richtung der Pixelzeilen
Dabei wird davon ausgegangen, daß im kalibrierten Zustand der Anordnung die Größen m1 bzw. m2 proportional sind zu einem Kippwinkel der Fokusebene in Bezug auf die Ebene der Probe
Wird die Ebene der Probe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Beleuchtungsquelle lighting source
- 2 2
- optische Achse des Beleuchtungsstrahlengangs optical axis of the illumination beam path
- 3 3
- Objektiv lens
- 4 4
- Probe sample
- 5 5
- optische Achse des Abbildungsstrahlengangs optical axis of the imaging beam path
- 6 6
- Empfangseinrichtung receiver
- 7 7
- Tubuslinse tube lens
- 8 8th
- Teilerfläche splitter surface
- 9 9
- Strahlteiler beamsplitter
- 10 10
- Feldblendenebene Field stop plane
- 11 11
- Blendenanordnung diaphragm arrangement
- 12 12
- Blendenöffnung aperture
- 13 13
- Begrenzung limit
- 14 14
- Spaltöffnung gap opening
- 15 15
- Strichgitter gratings
- 16 16
- Tubuslinse tube lens
- 17 17
- Teilerfläche splitter surface
- 18 18
- Strahlteiler beamsplitter
- 19 19
- CCD-Zeile CCD line
- 20 20
- Pixel pixel
- 21 21
- Auswerteeinrichtung evaluation
- 22 22
- Zustelleinrichtung advancing
- 23 23
- Beleuchtungsquelle lighting source
- 24 24
- Beleuchtungsstrahlengang Illumination beam path
- 25 25
- Teilerfläche splitter surface
- 26 26
- Strahlteiler beamsplitter
- 27 27
- Blendenebene stop plane
- 28 28
- Blendenanordnung diaphragm arrangement
- 28.1, 28.2 28.1, 28.2
- Teilblenden partial stops
- 29, 30 29, 30
- Spaltöffnungen stomata
- 31, 32 31, 32
- Pixelzeilen pixel lines
- 33 33
- optische Achse eines Detektionsstrahlengangs optical axis of a detection beam path
Claims (4)
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DE2003162244 DE10362244B4 (en) | 2003-04-29 | 2003-04-29 | Locating focal position during sample imaging involves acquiring reflected light intensity values with position sensitive receiver inclined to field aperture, determining center of contrast position |
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