DE2441288B1

DE2441288B1 - Korpuskularstrahlmikroskop, insbesondere elektronenmikroskop, mit verstelleinrichtungen zur aenderung der lage des abzubildenen objekts oder des objektbildes

Info

Publication number: DE2441288B1
Application number: DE19742441288
Authority: DE
Inventors: Walter Hoppe
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1974-08-27
Filing date: 1974-08-27
Publication date: 1976-03-11
Also published as: NL7510066A; JPS5177260A; JPH0250448B2; DE2441288C2; US3971936A; GB1525261A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Korpuskularstrahlmikroskop, insbesondere Elektronenmikroskop, mit Verstelleinrichtungen zur Änderung der Lage des abzubildenden Objekts relativ zur Geräteachse und/ oder relativ zur gegenstandsseitigen Fokussierungsebene des Objektivs und/oder zur Änderung der Lage des Objektivbildes relativ zur Geräteachse. Unter Verstelleinrichtung zur Änderung der Lage des abzubildenden Objekts relativ zur Geräteachse werden hier insbesondere die üblichen Einrichtungen verstanden, die zur mechanischen Verschiebung des Objekts bzw. des Objektträgers in horizontaler Richtung, insbesondere nach zwei Koordinaten (x, y), dienen. Es ist bekannt, derartige Verstelleinrichtungen durch Motoren anzutreiben (DT-PS 15 64 657 und 16 14 528). Zur Lageänderung des Objekts relativ zur gegenstandsseitigen Fokussierungsebene kann man entweder die Erregung des Objektivs ändern oder das Objekt mechanisch in Richtung der Geräteachse (z-Richtung) heben oder senken (z. B. DT-PS 15 14 595). Eine Verschiebung des Objektbildes relativ zur Geräteachse kann durch ein unterhalb des Objektivs angeordnetes Ablenksystem bewirkt werden (Siemens-Druckschrift Eg 1/204, Januar 1969).

Das effektive Auflösungsvermögen von Korpuskularstrahlmikroskopen hängt bei fotografischer Aufnahme des Bildes entscheidend von der Bildruhe ab; diese wiederum ist um so größer, je besser die elektrischen Betriebsgrößen, insbesondere die Strahlspannung und die Linsenströme, auf Konstanz geregelt sind und je weniger sich das Objekt selbst bewegt. Die elektrischen Betriebsgrößen lassen sich mit entsprechendem Aufwand prinzipiell beherrschen; dagegen ist eine thermische Bewegung (Drift) des Objekts kaum zu vermeiden, insbesondere wenn das Objekt gekühlt oder geheizt wird. Bei hochauflösenden Elektronenmikroskopen wird bestenfalls eine Lagekonstanz des Objekts in der Größenordnung von 0,1 A/s erreicht.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, bei einem Korpuskularstrahlmikroskop der eingangs genannten Art eine wesentlich größere Bildruhe zu erreichen, als das bisher möglich war. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Regelung des Zustandes des Objektbildes vorgesehen, deren auf die Verstelleinrichtung(en) einwirkende Stellgröße(n) aus einer Faltung des Ist-Objektbildes mit einem gespeicherten Soll-Objektbild abgeleitet ist (sind). Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß das Objektbild mit einem früheren Zustand seiner selbst korreliert wird. Die hierzu vorgesehene Operation der Faltung läßt sich z. B. durch einen lichtoptischen

sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stel- 65 Analogie-Rechner durchführen, von dem im folgenlengröße(n) aus der Fouriertransformierten der den einige Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Faltung aus Soll- und Ist-Objektbild abgeleitet
ist (sind).

Die Faltung kann jedoch auch von einem digitalen Computer berechnet werden; es ist dann erforderlich,

die Intensitäten von Soll- und Ist-Objektbild, wie es bei der Bildauswertung durch Computer an sich bekannt ist, rasterförmig auszumessen.

Bei Korpuskularstrahlmikroskopen mit einer Einrichtung zur Kippung des Objekts relativ zur Geräteachse bewirkt eine derartige Kippung des Objekts um eine senkrecht zur Geräteachse verlaufende Kippachse im allgemeinen, sofern nämlich die Kippachse nicht im betrachteten Objektbereich liegt, ein Auswandern dieses Bereiches sowohl in der horizontalen xy-Ebene als auch vertikal in der ^-Richtung. Die Erfindung ermöglicht auch in diesem Falle ein Festhalten des betrachteten Objektbereiches im Bild und sogar ein durch das Auswandern in z-Richtung eventuell erforderlich gewordenes Nachstellen der Fokussierung. Nach der Kippung ist zwar das Ist-Objektbild gegenüber dem am ungekippten Objekt gewonnenen Soll-Objektbild erheblich verändert; trotzdem läßt sich bis zu großen Kippwinkeln durch die Faltung noch ein ausreichend definiertes Autokorrelationssignal gewinnen.

Aus der DT-PS 19 05 894 ist ein Informationsspeichersystem mit einem die Information abfragenden Korpuskularstrahl bekannt, bei dem ein Teil einer mit Informationsmarken besetzten Speicherschicht durch den Korpuskularstrahl vergrößert auf eine Detektor-Matrix projiziert wird. Zur genauen Zuordnung der Informationsmarken zu der Detektor-Matrix projiziert wird. Zur genauen Zuordnung der Informationsmarken zu der Detektor-Matrix mittels eines Ablenksystems sind auf der Speicherschicht besondere Justiermarken vorgesehen, die im Zusammenwirken mit bestimmten Detektoren Justiersignale erzeugen. Aus diesen Justiersignalen wird ein Stellsignal gewonnen, das dem Ablenksystem zugeführt wird. Auf diese Weise lassen sich auch durch Drift verursachte Bildverschiebungen selbsttätig korrigieren.

Demgegenüber sind bei der Regeleinrichtung für das Korpuskularstrahlmikroskop nach der Erfindung keine künstlichen Marken auf dem Objekt erforderlich, da das Objektbild als Ganzes, wie schon bemerkt, mit einem früheren Zustand seiner selbst korreliert wird. Die Regelung nach der Erfindung setzt nicht einmal besonders markante Einzelheiten im Objektbild voraus; sie arbeitet vielmehr gerade bei Objekten mit ungeordneter Struktur, z. B. bei einer Kohlefolie, besonders gut.

Im folgenden sei zunächst die mathematische Operation der Faltung erläutert:

Gegeben sei eine Funktion f_{Xt y}, die mit der Funktion g_{Xt y} gefaltet werden soll. Dazu nehme man die Funktion g_{Xt y} und setze sie mit ihrem Ursprung auf irgendeinen'der Punkte der Funktion f_x%y. Ferner bilde man die Funktion g_{Xi y} bei dieser Operation mit einem Gewicht ab, welches dem Produkt von g_xy mit dem Wert des Punktes von f_{Xt y} entspricht. Diese Operation denke man sich für alle Punkte von f_xy wiederholt. Das resultierende Bild besteht daher aus einer großen Anzahl von überlagerten Bildern von g_{Xt y}, die entsprechend f_{Xj y} gegeneinander verschoben sind. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung interessiert insbesondere die Faltung von j_xy mit einer Funktion g_{x> y}, die durch eine Drehung von f_{Xt y} um 180° um eine Flächennormale entsteht. Diese spezielle Funktion wird im folgenden mit f*_x,_y bezeichnet. Die Faltung führt zu einer resultierenden Funktion (Autokorrelationsfunktion), welche durch ein besonders hohes Maximum ausgezeichnet ist. Die Resultate von Faltungen zwischen zwei Funktionen werden mathematisch als Faltprodukte bezeichnet. Derartige Faltprodukte lassen sich z. B. in lichtoptisehen Computern darstellen.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung soll das elektronenmikroskopische Objektbild durch die Funktion f_{x< y} beschrieben werden. Man kann zeigen, daß die Faltung der Funktion f_{Xi y} mit der um 180°

ίο gedrehten Funktion f*_Xty im Ursprung ein starkes Maximum — das Autokorrelationsmaximum — zeigt. Verschiebt man nun die Funktion /_v% _y um einen Betrag d mit den Komponenten X₀ und y₀ und läßt die Funktion f*_Xi3f unverändert, so verschiebt sich die durch das Faltprodukt gegebene Autokorrelationsfunktion mit ihrem Maximum ebenfalls um den Betrag d mit den Komponenten x₀ und y₀.

Das Prinzip eines inkohärenten lichtoptischen Computers zur Durchführung einer Faltung zeigt F i g. 1. Der besseren Übersichtlichkeit halber wird statt einer zweidimensionalen Funktion f_x>
y eine eindimensionale Funktion f_x betrachtet. Aus dem gleichen Grunde sei f_x als Punktfunktion angenommen, welche aus den entlang einer Linien aufgereihten Punkten a, b, c, d, e besteht. Diese Punktfunktion läßt sich z. B. in einem lichtoptischen Computer durch eine Reihe kleiner Lämpchen realisieren, die an den Stellen α bis e angebracht sind, oder durch eine Lochschablone, welche vor einer gleichmäßig leuchtenden Fläche so angebracht ist, daß nur am Ort der Löcher Licht durchtreten kann. Die Funktion f*_x mit den Punkten a' bis e' entspricht völlig der Funktion j_x, nur mit dem Unterschied, daß sie gegenüber f_x um 180° gedreht ist und die Punkte« bis e daher in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sind. In Fig. 1 ist die Funktion f*_x entlang einer Linie A' eingezeichnet, allerdings im verkleinerten Maßstab 1: 2 und gegen f*_x erneut umgekehrt, damit also wieder gleichorientiert zu f_x. Die Maßstabsänderung und die Umkehrung von f*_x hat aber mit dem Prinzip der mathematischen Faltung nichts zu tun; sie ist nur wegen des Konstruktionsprinzips des vorliegenden speziellen Ausführungsbeispiels eines optischen Computers erforderlich. Die Verkleinerung 1:2 ist erforderlich, weil der Computer in Zentralprojektion mit gleichen Abständen AA' und A'B arbeitet; die zusätzliche Drehung der Funktion f*_x um 180° resultiert (ähnlich wie bei jeder Fotokamera) aus dem geometrischen Strahlengang im Abbildungsprozeß. Es gibt optische Computer — ein entsprechendes Beispiel wird später an Hand von F i g. 3 beschrieben —, in denen z. B. die Maßstabsänderung der beiden Funktionen nicht vorgenommen werden muß.

Auch die Funktion f*_x kann durch eine Lochmaske realisiert werden. Die zweite Lochmaske wird parallel zur ersten Maske im Abstand D angeordnet. Mit den leuchtenden Punkten α bis e auf A beleuchtet man nun durch die Löcher a' bis e' auf A' einen in der Linie B angeordneten Schirm, dessen Abstand von A' wiederum D beträgt. Die Lichtfigur, die auf B abgebildet wird, entspricht nun der Faltung von f_x mit der (nicht verkleinerten und gegen f_x umgedrehten) Funktion f*_x.

Die Lichtfigur in B kann gemäß Fig. 1 konstruiert werden, indem man die Lichtstrahlen zeichnet, die von den einzelnen Punkten in A ausgehen und von der Lochmaske in A' durchgelassen werden. So

entsteht ζ. B. im Punkt c b' von B dadurch ein Lichtpunkt, daß er von dem Punkt c durch das Loch b' beleuchtet wird. Es wirkt also gewissermaßen das Loch b' als Lochkamera für die Abbildung des strahlenden Punktes c. Beugungseffekte bei dieser Lochkamera-Abbildung werden hierbei vernachlässigt, bzw. man muß durch Dimensionierung des Gerätes dafür sorgen, daß sie vernachlässigbar klein bleiben. Führt man nun die Strahlenkonstruktion für alle Lichtpunkte in A und für alle Löcher in A' durch, dann sieht man, daß die Lichtfigur in B aus 21 Lichtpunkten (allgemein N² — N + 1, wenn N = Anzahl der Punkte in A) besteht, von denen 20 Lichtpunkte durch einen einzigen Strahl, aber der 21. Lichtpunkt (in F i g. 1 in 0) durch 5 Lichtstrahlen (allgemein N Lichtstrahlen) beleuchtet wird. Dieser Lichtpunkt ist daher 5mal (allgemein /V-mal) so hell wie die anderen Lichtpunkte.

Verschiebt man nun die leuchtenden Punkte in A um eine Strecke x_a (Fig. 1), so verschiebt sich die Lichtfigur in B und damit auch der helleuchtende Punkt in der Mitte der Lichtfigur, wie leicht einzusehen ist, um eine Strecke — *₀.

Diese Beziehungen können zweidimensional verallgemeinert werden, indem zweidimensionale Lochmasken in A und A' und ein Auffangschirm in B parallel zueinander angeordnet werden. Die durch die Anordnung der Löcher der beiden Lochmasken in A und A' gegebenen zweidimensionalen Punktfunktionen können weiter jeweils durch eine kontinuierliche Schwärzungsverteilung, d. h. ein Bild, ersetzt werden. In diesem letzten Fall ist die Lichtfigur in B ein diffus beleuchtetes Muster, aus dem sich wiederum ein sehr heller Punkt hervorhebt. Dieser helle Punkt stellt ein gut verwertbares Signal für die Lage des Bildes in A dar.

Erzeugt man nun in der Ebene A das Ist-Objektbild z. B. auf einem Leuchtschirm und bringt in der Ebene A' das gespeicherte Soll-Objektbild, so ist der helle Punkt mit dem Autokorrelationsmaximum identisch. Eine Bewegung (Drift) des Ist-Objektbildes in A führt — bei festgehaltenem Soll-Objektbild in A' — zu einer der Auslenkung des Ist-Objektbildes proportionalen Auslenkung des hellen Punktes in B. Der Nachweis der Auslenkung des Autokorrelationsmaximums und damit des Ist-Objektbildes in A kann in vorteilhafter Weise mittels eines in der Ebene B angeordneten ortsempfindlichen Flächendetektors erfolgen. Dieser kann z. B. als Detektor-Flächenmuster fotoelektrischer Elemente oder als lichtempfindliche Schicht einer Fernsehkamera ausgebildet sein.

Die Faltung des Ist-Objektbildes mit dem Soll-Objektbild läßt sich in verschiedener Weise vornehmen. So ist es beispielsweise möglich, den oben beschriebenen lichtoptischen Computer zu verwenden. In diesem Fall kann das Soll-Objektbild beispielsweise fotografisch gespeichert sein. Dieses liegt dann in Form einer Amplitudeninformation vor; das bedeutet, daß die Amplitude einer das Soll-Objektbild durchsetzenden Lichtwelle entsprechend der Schwärzung dieses Bildes geschwächt wird. Eine derartige Amplitudeninformation läßt sich ferner beispielsweise mittels einer fotochromen Schicht erzeugen.

Neben den beiden beschriebenen Möglichkeiten, das Soll-Objektbild in Form einer Amplitudeninformation zu speichern, ist es möglich, dieses Bild als Phaseninformation, d. h. in Form eines Phasenobjektes, festzuhalten. In diesem Fall erleidet das Licht beim Durchgang durch das Soll-Objektbild eine dessen Struktur entsprechende Phasenverschiebung. Die Realisierung der Speicherung des Soll-Objektbildes in der zuletzt beschriebenen Weise kann beispielsweise mittels einer fotothermoplastischen Schicht erfolgen. Daneben ist es auch möglich, eine Eidophor-Röhre zur Speicherung des Soll-Objektbildes zu verwenden. Diese bei Fernsehgroßbild-Projektionsanlagen bekannte Röhre weist eine Lichtsteuereinrichtung auf, die aus einer auf einer Metallplatte aufgebrachten zähen Flüssigkeit besteht. Die Oberfläche der Flüssigkeit wird durch einen Elektronenstrahl örtlich deformiert, der dem Signal des wiederzugebenden Bildes entsprechend moduliert ist. Um bei einem in Form eines Phasenobjektes gespeicherten Soll-Objektbild eine Faltung mit dem Ist-Objektbild durchführen zu können ist es vorteilhaft, dem Ist-Objektbild eine gitterförmige Struktur aufzuprägen und in der Nähe des Soll-Objektbildes eine gitterförmige Maske anzuordnen, wobei die Gitterkonstanten der Struktur des Ist-Objektbildes und der Maske übereinstimmen. In diesem Fall stellt die Faltung der beiden Bilder eine Realisierung des mathematischen Satzes dar, der besagt, daß, wenn beide zu faltenden Funktionen als Gitterfunktionen im gleichen Gitter definiert sind, auch das Faltprodukt im gleichen Gitter definiert sein muß.
Die Anzeige des Ist-Objektbildes kann beispielsweise auf dem Leuchtschirm einer Fernsehröhre vorgenommen werden. Die zur Hellsteuerung der Bildpunkte der Röhre verwendete Strahlspannung ist dabei der Helligkeit der Bildpunkte des Original-Ist-Objektbildes proportional. Daneben bietet eine Femsehröhre die Möglichkeit, eine Kontrastumkehr des Ist-Objektbildes vorzunehmen. Faltet man das Positiv des Soll-Objektbildes mit dem Negativ des Ist-Objektbildes, so ergibt sich das Autokorrelationsmaximum als dunkler Punkt, der sich gegenüber dem helleren Untergrund deutlich unterscheiden läßt.

Die Verwendung einer Fernsehröhre zur Darstellung des Ist-Objektbildes ermöglicht es ferner, den Kontrast dieses Bildes zu steigern. Das kann etwa dadurch erreicht werden, daß die Regelung der Strahlspannung, beispielsweise durch ein der Fernsehröhre vorgeschaltetes Rechenglied, entsprechend der zweiten, dritten, ... Potenz der Helligkeit des Originalbildes vorgenommen wird.
Mit der soeben beschriebenen Erfindung kann auch der Kontrast des Soll-Objektbildes in entsprechender Weise gesteigert werden. Die Speicherung des dann vorliegenden Bildes kann ebenfalls auf fotografischem Wege erfolgen. Eine Faltung der in ihrem Kontrast verbesserten Soll- und Ist-Objektbilder ergibt dann ein Autokorrelationssignal, dessen Maximum sich besonders stark von dem der Umgebung unterscheidet.

Weist das Ist-Objektbild eine Grundhelligkeit auf, von der sich lediglich wenige Punkte heller oder dunkler abheben, so ist es ferner möglich, das Ist-Objektbild auf dem Fernsehschirm nicht unmittelbar, sondern in Form eines Diflerenzbildes zwischen dem tatsächlichen Ist-Objektbild und einem davon subtrahierten Untergrund darzustellen. Der Untergrund kann dabei beispielsweise eine Helligkeit aufweisen, die der Helligkeit der dunklen Punkte des Ist-Objektbildes entspricht. Damit zeigt das tatsächlich dargestellte Ist-Objektbild die charakteristischen

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Einzelheiten des ursprünglichen Bildes in besonders spielsweise auf einer Fotoplatte, in der Regel in ausgeprägter Weise. Die Realisierung der Differenz- Form eines Hologramms. Die Bildung eines der-

bilddarstellung kann beispielsweise dadurch erfolgen, artigen Hologramms kann beispielsweise dadurch erdaß die Strahlspannung der Fernsehröhre mit einer folgen, daß ein Lichtdiffraktogramm des Bildes mit

konstanten Vorspannung versehen ist, die der Hellig- 5 einem kohärenten Referenzstrahl überlagert und ge-

keit der dunklen Punkte des ursprünglichen Ist- speichert wird.

Objektbildes entspricht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des kohärenten

Eine Alternative besteht darin, als Ist-Objektbild lichtoptischen Computers besteht darin, daß zwi-

lediglich die Elemente des Originalbildes zu verwen- sehen dem mit kohärentem Licht beleuchteten Ist-

den, die heller als die Grundhelligkeit des Bildes io Objektbild und dem bereits erwähnten ortsempfind-

sind. Das Fernsehbild wird dann lediglich an den liehen Flächendetektor zur Aufnahme des Auto-

diesen Elementen entsprechenden Stellen hellgetastet. korrelationssignals ein Filter angeordnet ist, auf dem

In diesem Fall ist die Strahlspannung mit einer kon- ein Fouriertransformierten-Hologramm des SoIl-Ob-

stanten Vorspannung versehen, die der Grundheilig- jektbildes registriert ist; dieses Hologramm ist dabei

keit des Bildes entspricht. 15 so angeordnet, daß auf ihm ein Lichtdiffraktogramm

Wie bereits erwähnt, ist die erfindungsgemäße des Ist-Objektbildes erzeugt ist. Das Autokorre-Bildung des Faltproduktes aus einem Ist- und einem lationssignal läßt sich mittels einer weiteren dem Soll-Objektbild auch zur Untersuchung einer Defo- Hologramm nachgeordneten Linse aus der Beugungskussierung des Ist-Objektbildes geeignet. Eine der- figur dieser Linse in deren Brennebene gewinnen,
artige Defokussierung kann beispielsweise im Falle 20 Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Gewineiner Änderung der Linsenerregung des Mikroskops nung der auf die Verstelleinrichtung(en) des Elek- oder einer Lageänderung des Objekts in Achsrich- tronenmikroskops einwirkenden Stellgröße(n) besteht tung vorliegen; eine Möglichkeit ist auch im Falle darin, diese Größe(n) aus der Fouriertransformierten einer Kippung des Objekts gegeben. Da ein Elek- der Faltung aus Soll- und Ist-Objektbild abzuleiten, tronenmikroskop in den meisten Fällen mit kohären- 25 Die Bildung dieser Fouriertransformierten kann in ter Beleuchtung und sehr häufig im kohärenten Hell- besonders einfacher Weise bei Erzeugung des feld arbeitet, behält das Ist-Objektbild seine grand- Fouriertransformierten-Quadrates eines aus Soll- und sätzliche Schärfe bei; es verändert sich lediglich Ist-Objektbild überlagerten Doppelbildes vorgenomqualitativ. Es entstehen neue Strukturen, die im all- men werden. Das Fouriertransformierten-Quadrat gemeinen mit einer Änderung der Lichtstärke des 30 eines Bildes wiederum ergibt sich stets von selbst Autokorrelationsmaximums verbunden sind; diese bei Speicherung dieses Bildes auf einer der genannten Änderung kann sogar zu einer völligen Kontrast- Speichereinrichtungen, beispielsweise einer Fotoumkehr in der Ebene des Autokorrelationssignals platte. Erzeugt man die Beugungsfigur der Überführen. Gleichzeitig damit treten abwechselnd star- lagerung von Soll- und Ist-Objektbild, so erhält man ker und schwächer beleuchtete Ringe auf, die kon- 35 die Summe F + F' der Fouriertransformierten des zentrisch bezüglich des Maximums gelegen sind. Der Soll-Objektbildes (F) mit der Fouriertransformierten Abstand dieser Ringe vom Zentrum ist von der des Ist-Objektbildes (f). Auf einer Fotoplatte ist Defokussierung abhängig. Der Nachweis dieser nun das Produkt der Summe dieser beiden Funk-Ringe (und damit eine Bestimmung der Defokussie- tionen mit der Summe ihrer konjugiert komplexen rung des Ist-Objektbildes) kann dadurch vorgenom- 40 F* und F'* gebildet. Der Fotoplatte ist damit die men werden, daß in der Ebene des Autokorrelations- Summe der vier Produkte F · F*, F · F'*, F' · F* signals konzentrische Ringdetektoren angeordnet und F'-F'* aufgeprägt. Das Produkt F'-F* stellt sind, die in eine bezüglich des Maximums konzen- die Fouriertransformierte der Faltung des um 180° trische Lage gebracht sind. gedrehten Soll-Objektbildes und des Ist-Objektbildes,

Neben den beschriebenen Möglichkeiten, die BiI- 45 das Produkt F · F'* die Fouriertransformierte der dung des Faltproduktes aus Ist- und Soll-Objektbild Faltung des Soll-Objektbildes mit dem um 180° mittels eines inkohärenten lichtoptischen Computers gedrehten Ist-Objektbild dar. Ist nun das Ist-Objektdurchzuführen, ist es möglich, eine Fourier-Transfor- bild gegenüber dem Soll-Objektbild um eine mation des Soll- und des Ist-Objektbildes auszufüh- Strecke u verschoben (Drift), so ist auf der Fotoren, die Fourier-Koeffizienten durch Multiplikation 50 platte ein System paralleler beleuchteter Streifen mit miteinander zu verknüpfen und eine Fourier-Trans- dazwischenliegenden Dunkellinien zu sehen. Entlang formation des Produktes durchzuführen. Grundlage einer senkrecht zu diesen verlaufenden Linie folgt hierfür ist der mathematische Satz, daß der Bildung die Beleuchtung einem cos²-Gesetz, d. h., zwischen des Faltproduktes zweier Funktionen die Multipli- zwei Dunkellinien besitzt sie ein Maximum und kation der Fourier-Koeffizienten der beiden Funk- 55 sinkt nach einer cos²-Kurve auf Null herab. Der tionen entspricht. Abstand ν zweier Dunkellinien ist dem reziproken

Die Realisierung der soeben genannten Maßnahme Wert der Driftverschiebung u proportional; die Nor-

kann mittels eines digitalen Computers erfolgen. male auf die Dunkellinien ist der Driftverschiebung

Eine weitere Möglichkeit ist durch einen kohärenten gleichgerichtet.

lichtoptischen Computer gegeben. In diesem Fall 60 In den F i g. 2 bis 8 sind Ausführungsbeispiele der wird die Tatsache genutzt, daß die Beugungsfigur Erfindung dargestellt. Es zeigen
eines Bildes in der Brennebene einer Linse der F i g. 2 a bis 2 c eine Anordnung zur Korrektur (mathematischen) Fourier-Transformation des BiI- des Bildes eines Elektronenmikroskops, bei der die des entspricht. Bei Verwendung eines kohärenten Bestimmung der Drift mittels eines inkohärenten lichtoptischen Computers zur Bildung des Faltpro- 65 lichtoptischen Computers erfolgt, der ein Faltproduktes zweier Funktionen, die Ist- und Soll-Objekt- dukt aus einem Ist- und einem Soll-Objektbild mitbild charakterisieren, erfolgt die Speicherung der tels Schattenwurfes bildet,
Fouriertransformierten des Soll-Objektbildes, bei- Fig. 3a und 3b eine Alternative des Computers

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von F i g. 2, bei dem das Faltprodukt unter Verwen- der Lage des Objektes 6 relativ zur Achse 28 des

dung von abbildenden Linsen erzeugt ist, Mikroskops 2 und/oder relativ zur gegenstandsseiti-

Fig. 4a und 4b eine Alternative zu den Com- gen Fokussierungsebene der Objektivlinse7 und/oder

putern von F i g. 2 und 3, durch Änderung der Lage des Objektbildes relativ

F i g. 5 a bis 5 d einen kohärenten lichtoptischen 5 zur Geräteachse 28 vorgenommen werden.

Computer zur Bildung des Faltproduktes der beiden In der Figur ist gezeigt, wie eine Verstelleinrich-

Bilder, tung zur Durchführung der zuletzt genannten Ände-

Fig. 6a und 6b eine Weiterbildung des Com- rung beschaffen sein kann. Die Änderung erfolgt

puters von Fig. 5, durch nicht dargestellte Spannungsquellen, die von

F i g. 7 eine Anordnung zur Untersuchung eines io den Servo-Einrichtungen 26 gesteuert sind und die

gekippten Objekts, zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete

F i g. 8 eine Anordnung zur Untersuchung eines Spulenpaare 29, 30 entsprechend der erforderlichen

defokussierten Objekts. Lageänderung des Mikroskopbildes erregen. Damit

In F i g. 2 a ist ein lichtoptischer Computer 1 zur ist durch Ablenkung des abbildenden Strahlenbün-Kompensation der Bilddrift eines Elektronenmikro- 15 dels eine Feinverschiebung des Bildes zur Korrektur skops 2 dargestellt. Das Elektronenmikroskop 2 kleiner Driften möglich. In Fig. 2a ist ferner eine weist eine Elektronenquelle 3, Kondensorlinsen 4, 5 Einrichtung 31 zur Änderung der Lage des Objekzur Bestrahlung des zu untersuchenden Objektes 6, tes 6 relativ zur Mikroskopachse 28 andeutungsweise eine Objektivlinse 7, eine Zwischenlinse 8 und eine dargestellt. Die Einrichtung 31 besteht aus vier Projektionslinse 9 auf. Diese erzeugt in der Endbild- 20 Stößeln 32 bis 35, die eine Verschiebung des Obebene 10 des Mikroskops 2 ein Bild des Objektes 6. jektes 6 in den beiden zur Geräteachse 28 senkrech-Ein Teil 11 dieses Bildes soll auf einer Fotoplatte 12 ten Richtungen ermöglichen. Da es sich bei einer aufgenommen werden. Neben der Fotoplatte 12 ist derartigen Verschiebung um eine mechanische und ein Durchsichtleuchtschirm 13 sowie eine darunter- daher relativ ungenaue Änderung handelt, wird man liegende Faseroptik 14 angeordnet, die einen weite- 25 in der Regel eine Verschiebung des Objektes 6 nur ren Teil 15 des Mikroskopbildes einer Fernseh- im Falle großer Driften des Mikroskopbildes vorkamera 16 zuführt. Da bei einer Drift des gesamten nehmen; kleinere Driften hingegen lassen sich, wie in der Bildebene 10 des Mikroskops 2 erzeugten BiI- bereits erwähnt, über die Spulenpaare 29, 30 korrides die beiden Teilbilder 11, 15 in gleicher Weise gieren.

verschoben werden, ist es möglich, die Bildruhe des 3° Wie bereits ausgeführt, ist es möglich, das Teil-Teilbildes 11 während der Belichtung der Fotoplatte bild 15 mit erhöhtem Kontrast wiederzugeben. In 12 mittels des Teilbildes 15 zu bestimmen. Diese diesem Fall ist zwischen Fernsehkamera 16 und Bestimmung erfolgt dadurch, daß das Teilbild 15 -röhre 17 ein Rechenglied 36 vorgesehen, das die mit einem früheren Zustand seiner selbst korreliert Strahlspannung der Fernsehröhre 17 proportional wird. Die hierzu vorgesehene Operation der Faltung 35 dem Quadrat der Helligkeit des Teilbildes 15 steuert. wird mittels des lichtoptischen Computers 1 durch- Fig. 2b zeigt eine weitere Anordnung zur Aufgeführt, nähme des Soll-Objektbildes. Das auf dem Fernseh-

Der Computer 1 besteht aus einer von der Fern- schirm 21 erscheinende Bild (Pfeil 37) ist mittels sehkamera 16 gesteuerten Fernsehröhre 17, Einrich- einer in den Strahlengang geschobenen Linse 38 in tungen zur Aufnahme des Soll-Objektbildes, d. h. des 40 der Ebene A' auf einer Fotoplatte 39 abgebildet Teilbildes 15 zu einem früheren Zeitpunkt, und (Pfeil 37')· Wie aus dem eingezeichneten Strahlen-Mitteln zum Vergleich des Ist-Objektbildes, d. h. des gang ersichtlich ist, bewirkt die Linse 38 neben einer momentanen Teilbildes, mit dem Soll-Objektbild. erwünschten Verkleinerung des Fernsehbildes 37 Die Registrierung des Soll-Objektbildes erfolgt vor im Maßstab 2:1 eine Verdrehung dieses Bildes um der Belichtung der Fotoplatte 12 über einen in den 45 180°. Um das in der Ebene A' erzeugte Soll-Objekt-Strahlengang des Computers 1 geschwenkten Spie- bild richtig zu orientieren, ist es daher beispielsweise gel 18 und eine Lichtlinse 19 auf einer Fotoplatte erforderlich, das Fernsehbild bei Aufnahme des 20; die Linse 19 bildet dabei das auf dem Fernseh- Soll-Objektbildes durch Umpolung der Ablenkschirm 21 wiedergegebene Teilbild 15 im Maßstab spulen der Fernsehröhre 17 um 180° zu drehen. 2:1 verkleinert ab (vgl. Pfeile 22 und 22^. Die 50 Nach der Aufnahme des Soll-Objektbildes in der Fotoplatte 20 wird entwickelt und in die Ebene/!' EbeneA' wird die Linse 38 aus dem Strahlengang gebracht. Das Soll-Objektbild (Pfeil 22") ist dann gebracht. Anschließend daran erfolgt die Bildung mit dem auf dem Fernsehschirm 21 in der Ebene A des Faltproduktes des auf dem Fernsehschirm 21 angezeigten Ist-Objektbild (Pfeil 23) beleuchtet. In angezeigten Ist-Objektbildes (Pfeil 40) mit dem Solider Ebene B ist das Autokorrelationssignal als heller 55 Objektbild (Pfeil 37'). Wie in Fig. 2b angedeutet, Punkt 24 (Autokorrelationsmaximum) zu sehen. kann die Fotoplatte 39 Bestandteil einer um eine Eine Drift des Ist-Objektbildes (Pfeil 23) führt zu Achse 41 drehbaren Scheibe 42 sein. Diese Scheibe einer der Driftstrecke proportionalen Auslenkung ist in Fig.2c in der Aufsicht dargestellt. Sie trägt dieses Punktes 24. Die Bestimmung der Lage und mehrere Fotoplatten 39, mit denen eine zeitlich aiifder Bewegung des Autokorrelationsmaximums er- 60 einanderfolgende Serie von Soll-Objektbildern herfolgt über einen ortsempfindlichen Flächendetektor, gestellt werden kann. Die Herstellung dieser Bilder z. B. ein Detektorflächenmuster lichtelektrischer EIe- erfolgt dadurch, daß die Fotoplatten 39 nacheinmente (Fotodioden) 25, die in der Ebene B matrizen- ander in den Strahlengang der Linse 38 gebracht förmig angeordnet sind. Diese sind mit Servo-Ein- werden.

richtungen 26 verbunden, mit denen sich die Drift 65 Die mit einer in Fig. 2c dargestellten Scheibe ver-

des Mikroskopbildes korrigieren läßt. Diese Korrek- sehene Vorrichtung von Fig. 2b kann beispielsweise

tür kann über mit den Servo-Einrichtungen 26 ver- dazu dienen, eine Fokussierungsserie elektronen-

bundene Verstelleinrichtungen 27 durch Änderung mikroskopischer Bilder des zu untersuchenden Ob-

jekts driftfrei herzustellen. Dazu wird zuerst eine Serie von Soll-Öbjektbildern bei unterschiedlichen gegenstandsseitigen Fokussierungsebenen des Objektivs 7 hergestellt. Anschließend daran erfolgt die eigentliche Aufnahme der Fokussierungsserie auf fotografische Platten. Dabei ist das Ist-Objektbild jeweils auf dem Fernsehschirm 21 abgebildet und mit dem entsprechenden Soll-Objektbild der Scheibe 42 (Fig. 2c) gefaltet.

Zu der in den Fig. 2a und 2b gezeigten, aus Durchsichtleuchtschirm 13, Faseroptik 14, Fernsehkamera 16 und -röhre 17 bestehenden Anordnung zur Darstellung des Teilbildes 15 in der Ebene A sind verschiedene Varianten möglich. Bei einer davon ist an Stelle des Durchsichtleuchtschirmes ein Aufsichtleuchtschirm vorgesehen, dessen Bild durch ein Sichtfenster des Mikroskops hindurch von einer Fernsehkamera aufgenommen und auf einer Fernsehröhre (in der Ebene .4) dargestellt wird. Der Leuchtschirm kann dabei gegebenenfalls derart gekippt sein, daß er parallel zur Lichteintrittsfläche der Fernsehkamera liegt.

Eine Alternative hierzu ist in Fig. 2d dargestellt. Das Bild des in der Endbildebene 10 des Elektronenmikroskops 2 gelegenen Aufsichtleuchtschirmes 43 (Pfeil 48) ist durch ein Sichtfenster 44 des Mikroskops 2 hindurch und über einen Spiegel 45 von einer lichtoptischen Linse 46 auf einer Mattscheibe 47 in der Ebenen! entworfen (Pfeil 48'). Die Verarbeitung des auf diese Weise gewonnenen Bildes erfolgt analog zu den Ausführungsbeispielen von Fig. 2aund 2b.

Fig. 2e zeigt eine weitere Anordnung zur Bestimmung der Lage des in der Ebene B vorliegenden Autokorrelationsmaximums. In dieser Ebene befindet sich die Signalplatte 108 einer Vidikon-Aufnahmeröhre 109, die von dem Autokorrelationssignal belichtet wird. Die Bestimmung der Koordinaten des Autokorrelationsmaximums geschieht nun in folgender Weise: Das sich bei Abtastung der Signalplatte 108 mittels des Elektronenstrahls 110 ergebende Ausgangssignal »Aus« der Röhre 109 ist über einen Verstärker 111 in einen Diskriminator 112 geführt, der mit zwei Momentanwertspeichern 113, 114 (Sample-and-Hold-Schaltungen) verbunden ist. Die beiden Speicher 113, 114 stehen ferner mit den beiden Generatoren 115, 116 für die Sägezahnspannungen der Horizontal- und Vertikalablenkung des Abtaststrahls 110 in Verbindung. Befindet sich der Abtaststrahl 110 an der Stelle des Autokorrelationsmaximums, so liefert der Diskriminator 112 an seinem Ausgang einen Impuls. Dieser führt zur Speicherung der momentanen Horizontal- und Vertikalablenkspannung der beiden Generatoren 115, 116. Wandert das Ist-Objektbild aus (vgl. Fig. 2a), so wandert das Autokorrelationsmaximum ebenfalls aus. Damit ergibt sich eine Veränderung der in den beiden Speichern 113, 114 festgehaltenen Spannungswerte. Zur Korrektur der Bildverschiebung ist nun jedem der beiden Speicher ein integrierender Verstärker 117, 118 nachgeschaltet, der jeweils eine der Lageänderung des Autokorrelationsmaximums proportionale Spannung liefert; diese Spannung ist den Ablenkspulen 29, 30 des Elektronenmikroskop 2 (vgl. Fig. 2a) zugeführt.

Der in Fig. 3a dargestellte lichtoptische Computer 49 stellt eine Alternative zum lichtoptischen Computer 1 von Fig. 2 dar. Die Faltung des SoIl-Objektbildes mit dem Ist-Objektbild erfolgt jetzt dadurch, daß das Soll-Objektbild (Pfeil 50" in der Ebene A') durch das Ist-Objektbild (Pfeil 51 in der Ebene A) beleuchtet und die durchtretenden Strahlen mittels einer lichtoptischen Linse 52 in der Ebene B fokussiert sind (ausgezogene Linien). Das zuerst in der Ebenen vorliegende Soll-Objektbild (Pfeil 50) wird zunächst entsprechend dem strichlierten Strahlengang mittels zweier Spiegel 53, 54

ίο und einer Linse 55 in der Ebene A' in natürlicher Größe abgebildet (Pfeil 50') und auf einer Fotoplatte 56 aufgenommen. Es ist um 180° gegenüber dem Fernsehbild (Pfeile 50, 51) verdreht. Nach der Entwicklung der Fotoplatte 56 wird diese, beispielsweise mittels der in Fig. 2c dargestellten drehbaren Scheibe, in den Strahlengang des Computers 49 gedreht. Das Soll-Objektbild ist dann in natürlicher Größe und in richtiger Orientierung zu dem auf dem Fernsehschirm 21 nunmehr dargestellten Ist-Objekt-

ao bild (Pfeil 51) angeordnet. Zur Gewinnung des Autokorrelationssignals wird der Spiegel 53 nach oben weggeklappt.

Wie in F i g. 3 b an Hand einer eindimensionalen Funktion dargestellt, läßt sich auch mit der Anordnung von F i g. 3 a das Faltprodukt auf optischem Wege bilden. In der Ebene A befinden sich (entsprechend F i g. 1) fünf leuchtende Punkte / bis /. Die Ebene A' trägt eine Lochmaske mit einer der Punktfolge in A entsprechenden Folge von Öffnungen f

bis /'. An Hand der eingezeichneten Strahlen ist zu erkennen, daß es auch in diesem Fall in der Ebene B lediglich einen Punkt (in 0) mit der fünffachen Lichtstärke der anderen Punkte gibt. Der Vorteil des in F i g. 3 a dargestellten lichtoptischen Computers 49 besteht darin, daß auf Grund der Verwendung einer Abbildungslinse 52 eine Verkleinerung des Soll-Objektbildes nicht erforderlich ist.

Bei den in den F i g. 2 und 3 dargestellten lichtoptischen Computern 1, 49 erfolgt die Speicherung des Soll-Objektbildes in Form einer Amplitudeninformation. Eine weitere Möglichkeit, das Soll-Objektbild festzuhalten, ist die Speicherung dieses Bildes in Form eines Phasenobjektes. Dies ist beispielsweise mittels einer fotothermoplastischen Schicht oder einer elektronischen Lichtrelaisröhre (z. B. Eidophor-Röhre) möglich. Wie bereits erwähnt, ist es bei der Speicherung des Soll-Objektbildes in Form eines Phasenobjektes vorteilhaft, Soll- und Ist-Objektbild in einem linearen Gitter (Gitterkonstante k) anzuordnen.

In Fig. 4a sei zunächst der eindimensionale Fall betrachtet. In der Ebenen befindet sich wiederum das Ist-Objektbild, das durch fünf Leuchtpunkte / bis ρ realisiert ist. Die Leuchtpunkte sind in einem linearen, überlagerten Gitter 57 mit der Gitterkonstante k angeordnet. In der Ebene A' befindet sich das in Form eines Phasenobjektes gespeicherte Soll-Objektbild 58, das an den Stellen /' bis p' eine Phasenverschiebung des durchtretenden Lichtes hervorruft. Dem Soll-Objektbild 58 ist eine mit öffnungen 59 versehene Maske M überlagert. Die Öffnungen 59 besitzen jeweils den Abstand k voneinander. Zwei Linsen 61 und 62 dienen zur Erhöhung der Symmetrie der Strahlengänge.

Es sei das Bild in der Ebene B betrachtet. Da alle Durchtrittsöffnungen 59 der Maske M die von den Lichtpunkten / bis ρ in A ausgehenden Lichtstrahlen ohne Schwächung hindurchlassen, erhält

man bei Weglassen des Phasenobjektes 58 zunächst eine Faltung der durch die Anordnung der Lichtpunkte in A gegebenen linearen Funktion mit der durch die Anordnung der Durchtrittsöffnungen 59 der Maske MmA' gegebenen linearen Funktion. Diese Faltung ergibt in der Ebene B eine Anzahl von beleuchteten Punkten, die wiederum längs eines linearen Gitters 60 mit der Gitterkonstante k angeordnet sind. Bringt man nun das Phasenobjekt 58 hinter die Maske M, so ergibt sich, daß jeder der von den Lichtpunkten / bis ρ ausgesandten und durch eine diesen Lichtpunkten entsprechende Öffnung 59 der Maske M tretenden Lichtstrahlen nach Durchsetzen des Phasenobjektes 58 von zwei Satellitenstrahlen begleitet ist. Dies ist an Hand des Lichtstrahls gezeigt, der vom Lichtpunkt ρ ausgeht und das Phasenobjekt 58 in o' durchsetzt. (Die Satellitenstrahlen sind strichliert gezeichnet.)

Bringt man die matrizenförmig angeordneten Fotodioden 25 so an, daß sie auf den zwischen den Punkten des linearen Gitters 60 liegenden Raum ansprechen, so erhält man die durch die Satellitenstrahlen gegebene Korrelationsfunktion des Ist-Objektbildes 57 in A und des Soll-Objektbildes 58 in A'. Im zweidimensionalen Fall kann man ein analoges Punktgitter oder ein Strichgitter zur Überlagerung des Ist- bzw. des Soll-Objektbildes verwenden.

F i g. 4 b zeigt eine Realisierung des in F i g. 4 a dargestellten Prinzips. Das Soll-Objektbild ist auf einer nach dem Eidophor-Prinzip aufgebauten Röhre 63 in A' gespeichert. Dabei ist eine durch einen Elektronenstrahl in ihrer Höhe entsprechend dem zu speichernden Soll-Objektbild dickenmodulierte Schicht 64 unmittelbar auf einem Hohlspiegel 65 aufgebracht. Dem damit in Form eines Phasenobjektes ausgebildeten Soll-Objektbild ist ein Strichgitter 66 überlagert. Die Gitterkonstante dieses Gitters ist der »Gitterkonstante« des in der Ebene A in Form eines Fernsehbildes vorliegenden Ist-Objektbildes gleich. Die Gitterkonstante des Fernsehbildes entspricht dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Bildzeilen auf dem Fernsehschirm 21.

Wie bereits erwähnt, läßt sich eine Faltung des Ist-Objektbildes mit dem (um 180° verdrehten) Soll-Objektbild auch dadurch ausführen, daß man optisch die Fouriertransformierte des Ist-Objektbildes bildet, mit der Fouriertransformierten des um 180° gedrehten Soll-Objektbildes multipliziert und mittels einer Linse eine Abbildung erzeugt. Fig. 5a zeigt das Prinzip einer Fouriertransformation eines Bildes und die Multiplikation der Fourierkoeffizienten zweier Bilder auf optischem Wege. Das in der Ebene A angeordnete Bild (Pfeil 67), das beispielsweise in Form einer Fotoplatte vorliegt, ist mit einem Laserstrahl 68 von hinten beleuchtet und durch die Linse 69 in deren Brennebene A' fokussiert. Es entsteht somit in der Ebene A' ein Lichtdiffraktogramm, das die Fouriertransformierte des Bildes in A darstellt. Zwei unmittelbar vor bzw. hinter der Ebene A' gelegene Linsen 70, 70a erzeugen dann in ihrer Brennebene B eine Abbildung des Bildes in A.

Es sei nun das Bild in A (Pfeil 67) mit dem Ist-Objektbild identisch. Ferner sei zwischen die beiden Linsen 70 und 70 a ein Filter F in A' eingeschoben, auf dessen Oberfläche die Fouriertransformierte des um 180° verdrehten Soll-Objektbildes als Amplituden- und Phasenverteilung aufgebracht ist. Dieses Filter beeinflußt die Abbildung des Ist-Objektbildes derart, daß jeder durch die Linse 69 in A' entwickelte Fourierkoeffizient des Bildes (Pfeil 67) entsprechend dem zugehörigen, auf das Filter F aufgeprägten Fourierkoeffizienten geschwächt und in der Phase gedreht wird. Der mathematische Zusammenhang dieser Beeinflussung kann durch eine Multiplikation der einander entsprechenden Fourierkoeffizienten der beiden Bilder beschrieben werden. Da die Multiplikation im Fourierraum einer Faltung im direkten Raum entspricht, erhält man in der Ebeneß die Faltung des Ist-Objektbildes mit dem (um 180° verdrehten) Soll-Objektbild. Dieses Faltprodukt enthält ein hohes Maximum, welches sich bei Verschiebung (Drift) des Ist-Objektbildes entsprechend verschiebt. Fotodioden 25 können daher wiederum diese Verschiebung nachweisen und als Steuersignal für Driftkorrekturen ausnutzen.

In der Praxis ist es, wie bereits ausgeführt, üblich, die Fouriertransformierte eines Bildes auf optischem Wege in Form eines Hologramms zu registrieren. An Hand von Fig. 5b ist im folgenden eine Ausführungsform beschrieben, welche sowohl die Herstellung eines speziellen Hologramms, des sogenannten Fouriertransformierten-Hologramms, des Soll-Objektbildes als auch die Durchführung einer FaI-tung von Soll- und Ist-Objektbild gestattet.

Zunächst wird das Fouriertransformierten-Hologramm des Soll-Objektbildes wie folgt hergestellt:

Das Soll-Objektbild liegt in Form einer Fotoplatte in der Ebene A; es wird von hinten durch einen Teil 76 des Laserstrahls 68 beleuchtet, so daß in der Brennebene A' der Linse 69 ein Lichtdiffraktogramm des Soll-Objektbildes entsteht. Dieses wird mit einem kohärenten Referenzstrahl 73 überlagert; dadurch ergibt sich das Fouriertransformierten-Hologramm, das in einer Speichereinrichtung, z.B. einer Fotoplatte, festgehalten wird. Der Referenzstrahl 73 ist aus einem weiteren Teil 74 des Laserstrahls 68 unter Verwendung einer Linse 75 gebildet. Die Linse 75 fokussiert das Licht des Lasers in einem Punkt P der Ebene A.

Die Faltung von Soll- und Ist-Objektbild verläuft folgendermaßen:

Das Fouriertransformierten-Hologramm 71 des Soll-Objektbildes befindet sich jetzt in der Ebene A'. Es wird von einem Lichtdiffraktogramm des ebenfalls auf einer Fotoplatte vorliegenden Ist-Objektbildes (Pfeil 67) überlagert, wobei der Referenzstrahl 73 abgeblendet ist. Das Lichtdiffraktogramm ist dabei mittels Durchstrahlung des Ist-Objektbildes (67) mit dem Teil 76 des Laserstrahls 68 in der Ebene A' erzeugt. In der Ebene B ist nun eine Folge von drei übereinander angeordneten Bildern zu sehen. Das erste, in der Figur unterhalb der Linie L gelegene Bild stellt die Faltung des Ist-Objektbildes mit dem Soll-Objektbild dar. Das oberhalb des ersten, auf Höhe der Linie L liegende zweite Bild ist mit einem dreifachen Faltprodukt identisch, das sich bei einer Faltung des Ist-Objektbildes mit dem Soll-Objektbild und mit dem um 180° gedrehten Soll-Objektbild ergibt. Das dritte, über dem zweiten Bild gelegene und für die Driftkorrektur des Ist-Objektbildes wesentliche Bild stellt die Faltung des Ist-Objektbildes mit dem um 180° gedrehten Soll-Objektbild dar. Eine Drift des Ist-Objektbildes führt auch bei der in Fig. 5b dargestellten Anordnung zu einer der Drift proportionalen Auswande-

15 16

rung des Autokorrelationsmaximums in dem zuletzt in Fig. 6a schematisch dargestellt. Das Diffrakto-

genannten Bild, die in einer analogen Weise zur gramm zeigt, wie bereits erwähnt, ein System par-

Driftkorrektur verwendet werden kann. alleler, beleuchteter Streifen 92 mit dazwischen-

Eine Alternative des in Fig. 5b dargestellten liegenden Dunkel-Linien 93. Der Abstand ν zweier Fourier-Computers, bei der Soll- und Ist-Objektiv- 5 derartiger Linien 93 ist der reziproken Driftstrecke u bild in Form von Phasenobjekten gespeichert sind, proportional. Unter Driftstrecke u ist dabei der Weg ist in Fig. 5c gezeigt. Die Verarbeitung des zu- zu verstehen, um den das Ist-Objektbild gegenüber nächst auf einem Fernsehschirm angezeigten Soll- dem Soll-Objektbild verschoben ist.
Objektbildes (Pfeil 77) erfolgt über eine Lichtlinse In F i g. 6 ist die Anordnung eines Computers 78 und einen Spiegel 79, der das Fernsehbild auf io zur Gewinnung der in F i g. 6 a gezeigten Struktur einer fotothermoplastischen Schicht 80 abbildet. dargestellt. Die Anordnung besteht aus einem Licht-Analog zu Fig. 5b läßt sich auch in diesem Fall ein diffraktometer, das als Lichtquelle einen im Punkt Fouriertransformierten-Hologramm des Soll-Objekt- 94 fokussierten Laserstrahl 95 benutzt. Auf einem bildes (Pfeil 77') dadurch bilden, daß es mit einem Hohlspiegel 65 einer Eidophorröhre 63 wird die Teil 76 des Laserstrahls 68 von hinten beleuchtet, 15 Summe zwischen Soll-Objektbild S und Ist-Objektmit einem Referenzstrahl 73 überlagert, in der bild / als Phasenobjekt in Form einer dickenmodu-Brennebene A' der Linse 69 fokussiert und auf einer lierten Schicht 64 aufgeprägt. Die Gewinnung des Fotoplatte in der Ebene A' gespeichert wird. Die Ge- Summenbildes kann dabei so vorgenommen werden, winnung des Autokorrelationssignals in der Ebene B daß das Soll-Objektbild S als Spur auf einem Fernkann nun analog zu Fig. 5b so vorgenommen wer- 20 Sehmagnetplattenspeicher registriert und über ein den, daß der Referenzstrahl abgeblendet (Blende 81) elektronisches Addierwerk 97 dem Ist-Objektbild 1 wird und das ebenfalls auf einer fotothermoplasti- überlagert ist. In der Brennebene E des Hohlspiegels sehen Schicht in A gespeicherte Ist-Objektbild (Pfeil 65 entsteht das Quadrat der Fouriertransformierten 82') durch den Laserstrahl 76 beleuchtet ist. Bei der des in der genannten Weise erzeugten Summen-Beleuchtung eines Phasenobjektes in A ist der Spie- 25 bildes; es weist die in Fig. 6a dargestellten Nullgel 79 in die strichliert eingezeichnete Lage gekippt. Linien auf. Matrizenförmig angeordnete Fotodioden

Bei den in Fig. 5b und 5c dargestellten Anord- 25 können dann das Fouriertransfonnierten-Quadrat

nungen ist ein Vergleich von Ist- und Soll-Objekt- dieses Bildes registrieren und mittels eines elektro-

bild lediglich diskontinuierlich möglich, da das Ist- nischen Computers nach den Driftkoordinaten aus-

Objektbild zuerst auf fotografische bzw. fotothermo- 30 werten. Die Driftrichtung muß hierbei noch geson-

plastische Weise gespeichert und danach mit kohä- dert bestimmt werden. Dies kann durch eine defi-

rentem Licht bestrahlt werden muß. Um eine konti- nierte Auslenkung des Ist-Objektbildes geschehen,

nuierliche Faltung des Ist- und des Soll-Objektbildes Die in den vorhergehenden Figuren dargestellten

zu erreichen, ist eine in Fig. 5d vorgesehene Alter- Einrichtungen zur Driftkompensation können auch

native zu den in den Fig. 5b und 5c dargestellten 35 dazu benutzt werden, die Drift zu kompensieren, die

Anordnungen gezeigt. bei Kippung eines Objekts um eine Achse auftritt.

Bei der Anordnung von Fig. 5d dient eine Licht- Auf diese Weise ist eine eindeutige Zuordnung der

relaisröhre 63, z. B. eine Eidophorröhre, zur Anzeige beobachteten Bereiche bei gekipptem und ungekipp-

von Soll- und Ist-Objektbild. Von einer, durch Fo- tem Objekt möglich.

kussierung eines Lasers erzeugten Punktlichtquelle 4° Bei einer derartigen Kippung treten allerdings

83 gehen zwei Strahlenbündel 84, 85 aus, von denen kompliziertere Verhältnisse auf als bei der Drift-

das eine (85) das Eidophorbild, das andere (84) kompensation der Bilder von nichtgekippten Objek-

über eine Linse 86 und einen Spiegel 87 als ten, die an Hand von Fig. 7 erläutert sind. Ein

Referenzstrahlbündel 84' eine fotothermoplastische Objekt 6 soll um eine Drehachse 100, die senkrecht

Schicht 88 in der Ebene E beleuchtet. Die Ebene E 45 zur Zeichenebene (in y-Richtung) verläuft, um einen

ist mit der Brennebene .des Hohlspiegels 65 der Winkel α gekippt werden. Die Objektstellen 101 und

Eidophorröhre identisch. 102 werden damit in die Lage 101' und 102' ge-

Das Eidophorbild sei zunächst gleich dem Soll- bracht. Der Pfeil 103 kennzeichnet die optische Objektbild (Pfeil 89) gewählt. Damit ist in der Achse des Mikroskops (z-Richtung), seine Objektiv-Ebene E das Fouriertransformierten-Hologramm des 50 linse ist durch eine Linse 104 schematisch angedeu-Soll-Objektbildes durch Überlagerung des Referenz- tet. Zwei gestrichelt eingezeichnete Linien 105 und Strahls 84' mit dem von dem kohärenten Lichtstrahl- 106 stellen die Begrenzung des Objektausschnittes T bündel 85 beleuchteten Soll-Objektbild erzeugt. Nach dar, der in der nicht dargestellten Endbildebene des Speicherung dieses Hologramms wird der Referenz- Mikroskops abgebildet ist.

strahl 84' abgeblendet (Blende 91). Zeigt nun die 55 Die Bestimmung der Drift des um einen Winkel α Eidophorröhre 63 das Ist-Objektbild (Pfeil 90) an, gekippten Objektes 6' geschieht nun in folgender so ergibt sich in der Ebene B analog zu Fig. 5b als Weise: Es wird zunächst das Bild des Objekteines von drei Bildern das Faltprodukt aus dem um ausschnittes T vor Kippung des Objekts, beispiels-180° gedrehten Soll-Objektbild und dem Ist-Objekt- weise mittels der in Fig. 2a dargestellten Anordbild. Die Registrierung des Autokorrelationssignals 60 nung, aufgenommen, auf einem Fernsehschirm 21 kann ebenfalls mittels lichtelektrischer Elemente 25 wiedergegeben und auf einer Fotoplatte gespeichert, erfolgen. Das gespeicherte Bild ist mit dem Soll-Objektbild

Fig. 6a und 6b zeigen einen weiteren lichtopti- identisch. Anschließend daran wird das Objekt 6 um sehen Computer, bei dem das Signal für die Drift- den Winkel α gekippt; der dem Objektausschnitt T verschiebung aus dem Lichtdiffraktogramm eines mit 65 entsprechende Ausschnitt des gekippten Objekts 6' kohärentem Licht beleuchteten Summenbildes aus ist mit Z" bezeichnet. Aus dem in der Endbildebene Ist- und Soll-Objektbild abgeleitet ist. Die wesent- des Mikroskops vorliegenden Bild des Objektlichen Elemente des Diffraktogramms sind zunächst ausschnittes T läßt sich dann das Ist-Objektbild ge-

winnen. Zur Erläuterung dieser Operation sei angenommen, daß Linien, die im Teil T des Objekts 6 parallel zu dessen Drehachse 100 verlaufen, auf dem Fernsehschirm 21 parallel zum Zeilenrand (in /'-Richtung) dieses Schirmes wiedergegeben werden. Wie aus F i g. 7 hervorgeht, ist das Bild des Objektausschnittes T auf dem Fernsehschirm 21 gegenüber dem Bild des Ausschnittes T des ungekippten Objektes 6 in der senkrecht zum Zeilenrand verlaufenden Richtung mit dem Faktor cos α gestaucht. Damit aber ist es so weit verändert, daß eine Korrelation mit dem Soll-Objektbild nicht ohne weiteres möglich ist. Um aus dem auf dem Fernsehschirm wiedergegebenen Bild des Objektausschnittes T ein korrelationsfähiges Ist-Objektbild zu gewinnen, ist es daher erforderlich, das Fernsehbild auf das Format des Soll-Objektbildes zu strecken. Dies geschieht dadurch, daß die Zeilenablenkspannung XJ des Fernsehrasters, die eine zum Wert dieser Spannung proportionale Auslenkung des Elektronen-Strahls bewirkt, um den Faktor l/cos α vergrößert wird. Dies ist in der Figur durch ein Multiplikationsglied 107 andeutungsweise dargestellt. Das Multplikationsglied 107, das mit der Kippeinrichtung gekoppelt ist, bewirkt dabei eine Verstärkung der Zeilenablenkspannung U um den genannten Wert.

Aus dem auf diese Weise gewonnenen Ist-Objektbild läßt sich dann das Autokorrelationssignal mit einem der beschriebenen lichtoptischen Computer gewinnen. Eine von der Kippung des Objekts abhängige Bewegung dieses Signals läßt sich in ebenfalls bereits beschriebener Weise über Servo-Einrichtungen und davon nach Art eines Regelkreises gesteuerte Verstelleinrichtungen rückgängig machen. Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß bei Objekten endlicher Dicke die Kippung im Bild zu einer gegenseitigen Verschiebung der übereinander-, d. h. im ungekippten Objekt 6 senkrecht zur optischen Achse liegenden Objektebenen führt. Die Folge davon ist eine Verminderung der Helligkeit des Autokorrelationsmaximums und eine Verbreiterung dieses Maximums senkrecht zur Kippachse. Diese Effekte sind jedoch gering, so daß sich noch ein genügend helles Autokorrelationsmaximum ergibt.

Mittels der beschriebenen lichtoptischen Computer läßt sich, wie bereits erwähnt, auch die Defokussierung eines Objekts bestimmen. Unter Defokussierung ist eine Änderung des Abstandes des Objekts von der gegenstandsseitigen Fokussierungsebene der Objektivlinse zu verstehen. Diese Änderung kann entweder durch eine Variation der Erregung der Objektivlinse oder durch eine Verschiebung des Objekts in Richtung der optischen Achse des Mikroskops erfolgen. Die zuletzt genannte Änderung liegt beispielsweise im Falle der beschriebenen Kippung des Objekts vor (vgl. Fig. 7).

Faltet man ein Soll-Objektbild, d. h. das Bild eines Objekts zu einem früheren Zeitpunkt, mit einem um 180° gedrehten Ist-Objektbild des Objekts, bei dem der Abstand des Objekts von der gegenstandsseitigen Fokussierungsebene der Objektivlinse verändert ist, so ergibt sich, daß das Autokorrelationsmaximum seine Lichtstärke ändert. Zugleich treten abwechselnd beleuchtete und unbeleuchtete konzentrische Ringe auf. Die Lage und Beleuchtung dieser Ringe ist von der Defokussierung des Ist-Objektbildes abhängig. Die Bestimmung der Defokussierung kann daher durch Lichtdetektoren erfolgen, deren Fotoelemente konzentrische Kreisringe R darstellen und deren zentraler Detektor Z an den Ort des Autokorrelationsmaximums gebracht ist. Fig. 8 zeigt einen solchen Kreisringdetektor. Die Korrektur der Defokussierung kann über eine nicht dargestellte Regeleinrichtung durch Korrektur des Erregerstromes der Objektivlinse 104 erfolgen. Die Regeleinrichtung ist dabei von den Kreisringdetektoren nach F i g. 8 gesteuert.

In dem z.B. auf einem Fernsehschirm (Fig.2a) wiedergegebenen Objektbild sind häufig deutlich zu unterscheidende und scharf begrenzte Strukturen (Marken) enthalten, die als helle oder dunkle Bildbereiche ausgebildet sein können. Beispielsweise weisen die üblicherweise verwendeten Objekt-Trägerfolien meist Löcher auf, die derartige Marken bilden können. Geeignete Marken kann man auch dadurch herstellen, daß man auf das Objekt in bekannter Weise submikroskopische Latexkugeln aufbringt, die im Bild dunkle Bereiche erzeugen. Liegen derartige Marken vor, so kann in der Weise vereinfacht vorgegangen werden, daß das gespeicherte Soll-Objektbild durch eine vorgefertigte Blende verkörpert wird, deren Form wenigstens annähernd mit der Form der Marke übereinstimmt. Ist die Marke beispielsweise durch ein Objektloch gebildet, so kann es genügen, in der Ebenen' (Fig.2a) eine Blende mit kreisförmiger Öffnung anzuordnen, deren Durchmesser dem der Marke angepaßt ist. Die Faltung des Lochbildes mit der Blendenöffnung ergibt dann in der Ebene B em Korrelationsmaximum, dessen Bewegung der Bewegung des Objekts (Drift) entspricht.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Korpuskularstrahlmikroskop, insbesondere Elektronenmikroskop, mit Verstelleinrichtungen zur Änderung der Lage des abzubildenden Objekts relativ zur Geräteachse und/oder relativ zur gegenstandsseitigen Fokussierungsebene des Objektivs und/oder zur Änderung der Lage des Objektbildes relativ zur Geräteachse, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (26, 27) zur Regelung des Zustandes des Objektbildes (11, 15), deren auf die Verstelleinrichtung(en) (29, 30, 31) einwirkende Stellgröße(n) aus einer Faltung des Ist-Objektbildes (23) mit einem gespeicherten Soll-Objektbild (22) abgeleitet ist (sind).

2. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Objektbild (22) fotografisch gespeichert ist.

3. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Objektbild in einer Eidophorröhre (63) gespeichert ist.

4. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gespeicherte Soll-Objektbild zwischen dem auf einem Leuchtschirm (21) erzeugten Ist-Objektbild und einem ortsempfindlichen Flächendetektor (25, 108) angeordnet ist.

5. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ist-Objektbild auf dem Leuchtschirm (21) einer Fernsehröhre (17) erzeugt ist.

6. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 4 mit einer Einrichtung zur Regelung der Lage des Objektbildes in Richtung der Geräteachse, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächendetektor aus konzentrischen Ringdetektoren (R) besteht (Fig. 8).

7. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Objektbild in Phasenform gespeichert ist, daß dem Ist-Objektbild eine gitterförmige Struktur aufgeprägt ist und daß in der Nähe des Soll-Objektbildes eine gitterförmige Maske (66) angeordnet ist, wobei die Gitterkonstanten der Struktur des Ist-Objektbildes und der Maske übereinstimmen (Fig. 4b).

8. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die Fourier-Transformationen des Soll- und des Ist-Objektbildes durchführen, die Fourier-Koeffizienten durch Multiplikation verknüpfen und eine Fourier-Transformation des Produktes liefern.

9. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem mit kohärentem Licht beleuchteten Ist-Objektbild (67) und einem ortsempfindlichen Flächendetektor (25) ein Filter (71) angeordnet ist, auf dem ein Hologramm des Soll-Objektbildes (72) registriert ist, derart, daß auf dem Filter ein Lichtdiffraktogramm des Ist-Objektbildes (67) erzeugt ist (Fig. 5b).

10. Korpuskularstrahlmikroskop nach An-

11. Korpuskularstrahlmikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fouriertransformierte der Faltung durch das Fouriertransformierten<Juadrat eines aus Soll- und Ist-Objektbild (S, I) überlagerten Doppelbildes gewonnen ist (F i g. 6 b).