DE3141140A1

DE3141140A1 - Vorrichtung zum punktweisen abtasten eines gegenstandes

Info

Publication number: DE3141140A1
Application number: DE19813141140
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus Bouwhuis; Josephus Johannes Maria 5621 Eindhoven Braat
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-07-24
Filing date: 1981-10-16
Publication date: 1983-02-03
Also published as: IT1168181B; US4446548A; ATA444781A; SE454919B; CA1179535A; IT8124540A0; JPH0234149B2; AT371620B; DE3141140C2; DD201952A5; JPS5819845A; NL8103505A; SE8106134L; ES506291A0; BE890761A; ES8207353A1; GB2102235B; FR2510292A1; FR2510292B1; GB2102235A

Description

PHN 10 118"- - 4 ^ 27-8-1981

"Vorrichtung zum punktweisen Abtasten eines Gegenstandes."

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum punktweisen Abtasten eines Gegenstandes, die eine ein Abtastbündel liefernde Strahlungsquelle, ein Objektivsystem zum Fokussieren des Abtastbündels zu einem Strahlungsfleck auf dem Gegenstand und ein strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält_s mit dessen Hilfe das von dem Gegenstand herrührende Abtastbundel in ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitung^schaltung umgesetzt
wird, die das Signal für Wiedergabe geeignet macht, wobei dieses Detektionssystem mindestens zwei strahlungsempfindliche Detektoren enthält, die in der Abtastrichtung hintereinander angeordnet sind.

Diese Vorrichtung kann sowohl ein optisches
Mikroskop oder ein akustisches Mikroskop als auch ein

Elektronenmikroskop oder ein Röntgenmikroskop sein. Das

genannte Abtastbündel kann daher sowohl ein Bündel elektromagnetischer Strahlung als auch ein Schallvellenbündel
oder ein Teilchenbündel sein. Der Ausdruck "Objektivsystem" ist in weitem Sinne aufzufassen und bezieht sich auf ein System, das ein Bündel einer der genannten Strahlungsarten zu einem sehr kleinen Abtastfleck in der Grössenordnung
der Wellenlänge der verwendeten Strahlung und der Wellenlänge der zu detektierenden Details des Gegenstandes verschmälert. Das Detektionssystem muss nafcurgemäss der verwendeten Strahlungsquelle angepasst sein.

In der DE-OS 29 12 216 der Anmelderin

ist eine Vorrichtung beschrieben, mit deren Hilfe mit einem kleinen Auslesefleck ein optischer Aufzeichnung träger
mit einer aus in Spuren angeordneten Inforinationsgebieten aufgebauten Informationsstruktur abgetastet wird. Die Informations struktur weist die Form einer Phasenstruktur uuf und die nebeneinander liegenden Informationsspuren unter-

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scheiden sich, dadurch voneinander, dass die Informations gebiete einer ersten Informationsspur aus verhältnismässig tiefen Gruben und die Informationsgebiete einer benachbarten Spur aus verhältnismässig weniger tiefen Gruben bestehen.

Um die zwei Arten von Informationsgebieten gut auslesen zu können, müssen zwei verschiedene Ausleseverfahren angewandt werden. Die Auslesevorrichtung enthält zwei strahlungsempfindliche Detektoren, die im fernen Feld der Informationsstruktur, und zwar, in der Abtastrichtung gesehen, hintereinander, liegen. Zum Auslesen der tieferen Phas ens trukttir werden die Ausgangssignale der zwei Detektoren zueinander addiert, während zum Auslesen der untieferen Phasenstruktur diese Signale voneinander subtrahiert werden. Die Ausleseverfahren sind unter den Bezeichnungen "Integralverfahren" bzw. "Differentialverfahren" bekannt.

Da die zwei Ausleseverfahren verschiedene optische Uebertragungsfunktionen (M.T.F. = Modulation Transfer Funktion) aufweisen, kann die abwechselnde Anwendung der zwei Ausleseverfahren in dem von der AusIesevorrichtung endgültig abgegebenen Signal bemerkbar sein. Wenn auf dem Aufzeichnungsträger ein Videosignal gespeichert is τ, ergibt z.B. die eine Uebertragungsfunktion andere Grauschattierungen oder eine andere Farbsättigung in dem endgültigen Fernsehbild als die andere Uebertragungsfunktion. Ausserdem ist das Bild, das dadurch erhalten wird, dass die Signale der zwei Detektoren voneinander subtrahiert werden, die Differentiation des Gegenstandes, wodurch Strukturen niedrigerer Raumfrequenzen des Gegenstandes nicht optimal wiedergegeben werden. Es ist daher erwünscht, einen optischen Aufzeichnungsträger mit zwei verschiedenen Phasenstrukturen mittels eines einzigen Ausleseverfahrens auslesen zu können, wobei vorzugsweise die Uebertragungsfunktion als Funktion der Frequenz einstellbar 1st.

Die Informationsgruben, die durch das Integralverfahren ausgelesen werden, können eine derartige optische Tiefe aufweisen, dass sie einen Phasenunterschied von ISO zwischen dem Bündel nullter Ordnung und einem der Teil — bündel erster Ordnung herbeiführen, die bei Projektion

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des Ausleseflecks auf eine derartige Grube entstehen. Ein derartiger Phasenunterschied würde auch entstehen, wenn der Auslesefleck eine Amplitudenstruktur abtasten würde. Eine Detektoranordnungρ die in der Auslesevorrichtung nach der genannten DE=OS 29 12 216 der Anmelderin verwendet wird, könnte also in einem optischen Mikroskop verwendet werden, mit dem sowohl Phasen- als auch Amplitudenobjekte ausgelesen werden können,,

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine einstellbare Detektionsfunktion für eine Vorrichtung zum punktweisen Abtasten eines Gegenstandes zu schaffen, wodurch eine derartige Vorrichtung für die Abtastung von Gegenständen mit verschiedenen Strukturen, d_oh„ einer Phasenstruktur5 einer Amplitudenstruktur oder einer eine Kombination einer Phasenstruktur und einer Amplitudenstruktur bildenden Struktur, geeignet wird.

Die Abtastvorrichtung nach der Erfindung mit mindestens zwei in der Abtastrichtung verschobenen Detektoren ist dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen einer addierenden Eingangs s tufe der Verarbeitungsschaltung ein phasendrehendes Glied mit einer einstellbaren Phasendrehung angeordnet ist. Durch die elektronische Phasendrehung wird eine komplexe Detektionsfunktion erhalten, die auf einfache Weise auf elektronischem Wege angepasst werden kann. Unter der Detektionsfunktion ist die Uebertragungsfunktion des durch die strahlungsempfindlichen Detektoren und die addierende Eingangsstufe der elektronischen Verarbeitungsschaltung gebildeten Systems zu verstehen.

Der Erfindungsgedanke kann in allen denkbaren Arten von Abtastvorrichtungen angewandt werden, nicht nur in optischen Abtastvorrichtungen, sondern auch in den Abtastvorrichtungen, in denen ein akustisches Bündel, ein Elektronenbündel oder ein Röntgenbündel als Abtastbündel verwendet wird»

Es sei bemerkt, dass im Aufsatz: "A Detection Method for Producing Phase- and Amplitude-Images simultane-

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ously in a Scanning Transmission Electron Microscope" in "Philips Technical Review", Band 37, Nr. 1, S. 1 -9 ein abtastendes Elektronenmilcroslcop mit zwei in der Abtastrichtung verschobenen Detektoren beschrieben ist, mit dem sowohl ein Phasenbild als auch ein Amplitudenbild eines Gegenstandes erhalten werden können. Ein Phasenbild wird dadurch erhalten, dass die Detektorsignale voneinander subtrahiert werden, während ein Amplitudenbild dadurch erhalten wird, dass diese Signale zueinander addiert werden« In dem bekannten Elektronenmikroskop sind die Detektoren nicht mit einem elektronischen Phasendreher verbunden, wodurch dieses Mikroskop nicht die vielseitige Anwendbarkeit der Abtastvorrichtung nach der Erfindung aufweist.

In der Abtastvorrichtung kann zwischen nur einen Detektor und einer Eingangsklemme der Verarbeitungsschaltung· ein phasendrehendes Glied angeordnet sein. Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist aus Symmetrieerwägungen weiter dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den zugehörigen Eingangsklemmen der Eingangestufe ein einstellbarer Phasendreher angeordnet ist, wobei die von diesen Phasendrehern eingeführten Phasendrehungen gleich gross sind}, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen.

Durch die genannte Phasendrehung wird der Modulus des von der addierenden Eingangsstufe gelieferten Abtastsignals optimiert. Dabei wird, falls die Phase nur eines der Detektorsignale gedreht wird, auch die Phase des Abtastsignals beeinflusst. Die Phase des Abtastsignals kann wiederhergestellt werden, wenn die Abtastvorrichtung weiter dadurch gekennzeichnet ist, dass der Ausgang der addierenden Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der die Phasendrehung - —— bewirkt, wobei (^⁷ die Phasendrehung eines einzigen in einer der Verbindungs leitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen der Eingangsstufe angeordneten Phasendrehers ist.

Wenn die Abtastvorrichtung weiter dadurch gekennzeichnet ist, dass die addierende Eingangsstufe mir einem

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Phasendreher verbunden ist? der eine Phasendrehung einführt, die von einer Phasenasymmetrie in dem abtastenden Strahlungsfleck abhängig ist, kann für die genannte Asymmetrie ausgeglichen werden, die durch Koma des optischen Systems herbeigeführt werden kann.

Die phasendrehenden Glieder können, je nach

der gewünschten Anwendung der Abtastvorrichtung, verschieden ausgebildet sein. Eine erste besonders einfache Ausftihrungsform der Abtastvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die phasendrehenden Glieder zwischen zwei im wesentlichen festen Werten schaltbar sind, die einem Phasenbild und einem Amplitudenbild des Gegenstandes entsprechenο

Eine zweite Aus führungs form der Abtastvorrichtung die mehr Möglichice it en bietet, ist dadurch gekennzeichnet, dass die phasendrehenden Glieder kontinuierlich einstellbar sindo Mit dieser Abtastvorrichtung können sowohl untiefe Phasengegenstände als auch Amplitudengegenstände, aber auch Gegenstände, deren Struktur eine Kombination einer Phasenstruktur und einer Amplitudenstruktur ist, optimal wiedergegeben werden. Ausserdem bietet diese Vorrichtung die"Möglichkeit, diejenigen Details eines Gegenstandes, die eine bestimmte Phasentiefe aufweisen, zu unterdrücken, also die Möglichkeit, eine Phasenfilterung durchzuführen»

Nach einem weiteren Merkmal der Abtastvorrichtung sind die Phasendrehungen der phasendreilenden Glieder eine Funktion der Raumfrequenz im Gegenstand, ϋειηη kann für Asymmetrie in dem Abtastfleck infolge von Fehlern in der Sphärizität des Abtastbündels ausgoblicheii werden.

Yenn nach einem weiteren Merkmal der Abtastvorrichtung die Verstärkung der Eingangsstufe dor Verarbeitungsschaltung eine Funktion der Rauml'requenz im Gegenstand ist, können bei Wiedergabe Details mit einer bestimmten Raumfrequenz unterdrückt oder gerade in verstärkter Form wiedergegeben werden.

Bei Anwendung einer auf obens teilende Weise erhaltenen komplexen Detektionsfimkti on , deren Amp 1 i. tu de und

g 3U1H0

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Phase auf elektronischem ¥ege als Funktion der Frequenz eingestellt werden können, kann eine räumliche Filterung des Gegenstandes oder eine Bildverbesserung erzielt werden, ohne dass schwer herstellbare optische Filter verwendet zu werden brauchen.

Die Abtastvorrichtung kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, dass die Eingangsstufe der Yerarbeitungsschaltung durch gesonderte Verstärker für jedes der Detektorsignale und eine Addierschaltung gebildet wird, wobei der Verstärkungsfaktor jedes der Verstärker einstellbar ist. Dann kann für eine Amplitudenasymmetrie in dem Abtastbündel ausgeglichen oder kann ein sogenanntes Einseitenbandprinzip ("single sideband principle") angewandt werden. Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise an Hand einer optischen Abtastvorrichtung näher erläutert, die 2.B₀ zum Auslesen eines optischen Aufzeichnungsträgers verwendet werden kann. Dabei wird auf die Zeichnung verwiesen. In dieser Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste AusfUhrungsform einer Abtast— vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Teil der Informationsstruktur eines optischen Aufzeichnungsträgers,

Fig. 3 die Querschnitte in der Ebene der Detektoren der Beugungsbündel, die beim Abtasten des Aufzeichnungsträgers entstehen,

Fig. h ein Verfahren zur Verarbeitung der Detektorsignale ,

Fig. 5 das Prinzip eines Elektronenmikroskops nach der Erfindung,

³⁽⁵ Fig. 6 das Prinzip eines Röntgenmikroskops nach

der Erfindung, und

Fig. 7 das Prinzip eines akustischen Mikroskops nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Prinzip der Abtastvorrichtung

"^⁵ veranschalicht. Das von einer Strahlungsquelle S ausgesandte Bündel b wird von einem durch eine einzige Linse L schema= tisch dargestellten Objektivsystem zu einem Strahlungsfleck V auf dem abzutastenden Gegenstand O fokussiert. Dieser

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Gegenstand spaltet das einfallende Bündel in eine Anzahl von Teilbündeln verschiedener BeugungsOrdnungen, von denen für die näheren Betrachtungen das unabgelenkte Teilbündel nullter Ordnung und die in den ersten Ordnungen abgelenkten Teilbündel die wichtigsten sind.

Der Gegenstand O ist in Fig„ 1 sehr schematisch dargestellt. Dieser Gegenstand kann z.B, ein optischer Aufzeichnungsträger mit einer Informationsstruktur sein, die aus in Informationsspuren angeordneten Informationsgebieten besteht. In Figo 2 ist ein kleiner Teil eines derartigen Aufzeichnungsträgers 1 in Draufsicht dargestellt. Die Informationsspuren 2, die hier als gerade Spuren gezeichnet sind, sind im Falle eines runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers tatsächlich konzentrische Spuren oder scheinbar konzentrische Spuren, die zusammen eine einzige spiralförmige Spur bilden_o Die Infοrmationsspuren enthalten sehr kleine Informationsgebiete 3, deren Längen in der Grössenordnung von 1 /um liegen und deren Breiten kleiner als 1 /um sind und die sich in der Spurrichtung t mit Zwischengebieten 4 abwechseln. Es kann angenommen werden, dass die Informati ons struktur in zwei zueinander senkrechten Richtungen periodisch ist, wobei die Periode in der Spurrichtung oder der tangentialen Richtung t gleich ρ und die Periode quer zu der Spurrichtung oder der radialen Richtung r gleich q ist. Im Falle eines Aufzeichnungsträgers, in dem ein FM-moduliertes Videosignal gespeichert ist, wird die Periode ρ durch das Videosignal bestimmt. Die Periode q ist gleich dem Abstand zwischen den Spuren.

Die Informationsstruktur kann eine reine Phasen-Struktur sein, wobei die Informationsgebiete aus in die Trägeroberfläche gepressten Gruben oder aus über diese Oberfläche hinausragenden Buckeln bestehen. Die Informationsstruktur kann auch eine Amp 1 i tudens t rule tür sein. Dann bestehen die Informationsgebiete z.B. aus nichtreflektierenden Gebieten in einer reflektierenden Fläche oder aus Strahlungsabsorbierenden oder -reflektierenden Gebieten in einem durchsichtigen Aufzeichnungsträger.

In Fig. 2 ist der Auslesefleck mit V bezeleimet„

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Die Breite dieses Flecks liegt in der Grössenordnung der Abmessungen der Informationsgebiete 2. Die Informationsstruktur verhält sich wie ein zweidimenszonales Beugungsraster. Das Auslesebündel b wird von diesem Raster in ein Teilbündel nullter Ordnung, eine Anzahl von Teilbündeln erster Ordnung und eine Anzahl von Teilbündeln höherer Ordnungen gespaltet. Für die Auslesung der Informations gebiete 3 selber sind im wesentlichen das Teilbündel nullter Ordnung b(0,0) und die zwei in der tangentialen Richtung t abgelenkten Teilbündel erster Ordnung b(+1,o) und b(-1,0) von Bedeutung. In Fig. 1 muss an der Stelle des Gegenstandes O der Aufzeichnungsträger gedacht werden, wobei die tangentiale Richtung t die senkrechte Richtung ist. Beim Auslesen wird der Aufzeichnungsträger um eine Achse 7 gedreht.

In Fig. 3 sind die Querschnitte der Bündel b(0,0) b(+1,0) und b(-1,o) in der Ebene des Detektors D dargestellt. Die x- und die y-Ach.se in Fig« 3 entsprechen der tangentialen Richtung t bzw. der radialen Richtung r in Fig. 2. Die von dem Aufzeichnungsträger herrührenden Bündel b(0,0), b( + 1,0) und b(-1,O) weisen komplexe Amplitixderi auf, die dargestellt werden können durch; B(O,O)
B ( + 1,0) exp (-iüv't)

B(-1,O) exp (+i^t).

Es wird angenommen, dass der Aufzeichnungsträger sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bewegt, wodurch der zeitabhängige Phasenfaktor exp(+ i ct?t) entsteht. Darin ist OJ eine Zeitfrequenz, die durch die Winkelgeschwindigkeit und die Raumfrequenz in der tangentialen Richtung der Informationsgebiete bestimmt wird. Weiter wird angenommen, dass keine Fehler in der Spurverfolgung auftreten. Wenn die Informationsgebiete zu der radialen Richtung und der tangentialen Richtung symmetrisch sind, ist b(+1,0) gleich B(-1,0).

Zwischen den komplexen Amplituden B(+1,ü) und B(-1,o) einerseits und der Amplitude B(o,o) andererseits besteht, ein bestimmter Phasenunterschied ψ . Dieser

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if -

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Ph.asenuntersch.ied wird im wesentlichen durch die Phasenverzögerung, der von dem Boden einer Informationsgrube herrührende Strahlung in bezug auf von der Oberfläche der Informationsschicht herrührende Strahlung unterworfen worden ist, also durch die optische Tiefe von Informationsgruben oder die optische Höhe von Informationsbuckeln bestimmt«

Wie in der DE-QS 29 12 216

der Anmelderin beschrieben ist, können die Informationsgebiete eine derartige optische Tiefe aufweisen, dass der genannte Phasenunterschied ^_1n = 180 ist, aber sie können auch eine derartige optische Tiefe aufweisen, dass ψ = 90° ist. Für f = 90° sind die Gruben sehr untief und dadurch sind die Amplituden der abgelenkten Bündel sehr klein,, Vorzugsweise wird daher die optische Tiefe etwas grosser gewählt, so dass V^_1n zwischen 110° und 120 liegte ¥ie bereits im Aufsatz; "Position Sensing in Video-Disk Read-Out" in »Applied Optics", Band 17, Nr. 13, S. 2013 - 2021 beschrieben ist, verhält sich eine Amplitudenstruktur auf gleiche Weise wie eine Phasenstruktur, deren Informationsgebiete einen Phasenunterscliied ^= 180° einführen.

¥ie nachstehend auseinandergesetzt werden wird, ist die Abtastvorrichtung nach der Erfindung für die Auslesung sowohl einer Amplitudeninformationsstruktur oder einer tiefen Phaseninformationsstruktur ( V_1n = ISO ) als auch einer untiefen Phaseninformationsstruktür ( ψ\_η = 90°) geeignet. Dazu ist, wie in Pig. 1 dargestellt ist, der Detektor D in zwei Teildetektoren D und D₀ geteilt, deren Ausgänge mit den Eingangsklemmen eines Summators 9 verbunden sind, der die Eingangsstufe einer an sich bekannten elektronischen Verarbeitungsschaltung 10 bildet. Eine derartige Schaltung ist z.B. im Aufsatz: "Signal Processing in the Philips ¹VLP System" in '-'Philips Technical Review", Band 33, Nr. 7, S. 178 - 18O beschrieben. In Fig. 3 sind die Teildetektoren D und D₀ durch gestrichelte Halbkreise dargestellt. Nach der Erfindung ist zwischen dem Detektor D₀ und dem Summator 9 ein Glied S angeordnet, dass die

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Phase des Signals des Detektors D über einen Winkel ψ dreht.

Die Phasenunterschiede 0(+1,θ) und 0(-1,θ) zwischen den Bündeln erster Ordnung b(+1,0) und b(-1,0) und dem Bündel nullter Ordnung können dargestellt werden durch:

0(+1,O) = ^₁₀ +

und die komplexen Amplituden können geschrieben werden als:

B(O₅O) = (B(0,0)|

B( + 1,0) = |b( + 1,O)| exp i (^₁₀ + cut)

B(-1,0) = |B(-1,0)| exp i {ψ _Λ0 - C*> t).

Die durch die Interferenzen zwischen den Teilbündeln erster Ordnung und dem Teilbündel nullter Ordnung an den Stellen der Detektoren D und D_p herbeigeführten Intensitatsänderungen werden von diesen Detektoren in elektrische Signale S und S umgesetzt.

Innerhalb der Detektoroberfläche lassen sich verschiedene Gebiete unterscheiden, und zwar zwei mit einer einzigen Schraffierung angegebene Gebiete d, in denen ein Teilbündel erster Ordnung mit dem Teilbündel nullter Ordnung interferiert, und zwei mit einer doppelten Schraffierung angegebene Gebiete c, in denen ausser Interferenz zwischen einem Teilbündel erster Ordnung und dem Teilbündel nullter Ordnung auch Interferenz zwischen den zwei Teilbündeln erster Ordnung auftritt. Die Gebiete c und d können auf die bekannte Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function: M.T.F..) eines optischen Systems ohne Aberrationen bezogen werden. Die Modulationsübertragungsfunktion, die nachstehend kurz als M bezeichnet wird, kann dem Ueberlappungsgebiet zweier betreffender Ordnungen gleichgesetzt werden.

An der Stelle, an der ein Teilbündel erster Ordnung mit dem Teilbündel nullter Ordnung interferiert,

"" also in einem Gebiet mit der Grosse von 2c+d, gilt die Uebertragungsfunktion m(v), in der ν die Raumfrequnz der Informationsgebiete darstellt. An der Stelle, an der die zwei Teilbündel erster Ordnung interferieren, also in

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einem Gebiet mit der G-rösse 2c in Fig„ 3s gilt die Uebertragungsfunktion M(2v)„ Es lässt sich also sagen, dass

2c+d = M(v)

2c = M(2v), somit

d = m(v)-M(2v) und

c =

_ j_

M(v)

Zur Bestimmung der Signale S und S₀ müssen die Beiträge der Gebiete c und d zueinander addiert werden. Innerhalb des Gebietes c befinden sich Teile des TeilbundeIs nullter Ordnung und Teile der beiden Teilbündel erster Ordnung, Innerhalb des Gebietes d befinden sich ein Teil des TeilbUndels nullter Ordnung und ein Teil eines der Teilbündel erster Ordnung,, Das Signal S kann daher dargestellt werden durchs

S₁ = jB(O,O)+B(+1,O)+B(-1,O)I q + ( B(0_s0)+B(+1,θ) _d , wobei die Indexe c und d angeben, dass die betreffenden Beiträge mit der Grosse der Gebiete c und d gewogen werden müssen. Für das Informationssignal selber sind die Gleich— Stromkomponenten des Ausdrucks für S₁ von weniger Bedeutung, so dass diese Komponenten vernachlässigbar sind. Dann geht das Signal S Über in;
S₁ = 2Re [b(0,0).B^X( + 1,O)| _c +2Re { ß(o,θ)„B^X(-1,θ)j _c +

2Re \ B ( O 5 O ) B^X ( + 1,0)?- ,.
Re stellt dabei den reellen Teil der betreffenden Komponente dar. Wenn die Gebiete c und d durch die Modulationsübertragungsfunktionen ersetzt werden, wird S : S₁ =M(2v). j B(O,O)| |b( + 1 ,0) I . (cos( ψ ₁₀+ u>t)+cos( ψ _1Q- ^t)

+ 2 I B(O₁O)II B(+1,O)| [m(v)-M(2v)J . cos ( ψ ^ _Q+ u, t) . Dabei xvird angenommen, dass die Informationsgebiete symmetrisch sind, so dass gilt:

Das Signal S ist proportional zu ( Oo ) :

S₁ *,2[m(v)-M(2v)3 . COs(If¹ + ω t ) + 2M( 2v) cos Auf analoge ¥eise kann das vSignal S₀ des Detektors D₀ geschrieben werden als;

cos( ψ _1Q- u> t ) + 2>l( 2v)cos V'.j

Das Signal S wird einer Phasendrehung ψ unterworfen und dadurcli wird das Signal S₉ ^! erhalten«

3U1U0 IH

PHN 10 118 1*£ 27-8-1981

Y₁₀- ^t- V^? _e)+2M(2v)cos ^'^.cos

Das Summensignal S wird gegeben durch.:

ο3( ^₁₀ - -| cos(wt + -| +

4m(v) cos (γ/ ).cos(—-) cos(wt + —) , oder

Ψ ¹P Ί Ρ

^₁₀- -§) + 4M(2v).Si(^)iCfjCWt |)

. cos

Zum Auslesen einer Amplitudenstruktur oder einer· tiefen Phasenstruktur, in der Ψ-,_η — 18O ist, wird τ =0 gewählt. Dann ist das Summensignal:

S 0^_4m(v)cos üJt.

Für einen über den ganzen Aufzeichnungsträger konstanten Phasenunterschied ψ-,_η und für eine konstante Ifinkelgesclrsvin digkeit des Aufzeichnungsträgers ist das Signal S nur von der Raumfrequenz ν der Xnformationsgebiete in der Spurrichtung und also von dem gespeicherten Informationssignal abhängig.

Zum Auslesen einer untieferen Phasenstruktur mit i/^ = 90° wird für ψ_& = 18O° gewählt. Dann ist:

S Ot- -4 [m( v) +M( 2v)1 sin ^t.

Auch dieses Signal ist bei konstantem Phasenunterschied und konstanter Winkelgeschwindigkeit nur von der Raumfrequenz ν abhängig. Das Bild der untiefen Phasenstruktur ist die erste Differentiation der Struktur selber, während das Bild der Amplitudenstruktur auf die übliche undifferenzierte ¥eise erscheint.

Statt die Phase eines Detektorsignals über U> zu drehen, wird aus Symmetrieerwägungen vorzugsweise die Phase von S₀ über + —— und die von S über - —— gedreht, wie in Fig. h angegeben ist. Die Signals S^! und S'_o werden dann gegeben durch:

S^Ct 2[_M(v)-M(2v)J .cos(^₁₀+!üt - -|)+2M(2v)cos y>₁₀.

. COS \ to V — —^- )

S'₂cC₂[m(v)-M(2v)]cos( ψ ^₀-Ut- -|)+2M(2v) cos ( V^₁₀) .

COS ( Uj t + -^)

£ 3H1U0

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und das Summensignal S durch.;

Ot 4[M(v)-M(2v)] .cos ( ^₁₀- -|).cos 0>t+4M(2v).cos ψ ^_Q

^e
cos tot.cos —^ oder

ψ |)+4M(2v)sin V^SiD §

If ψ

)+4M(2v)sin

für ^_1n = 180° und ψ = 0° gilts
S Λ -4m(v) cos u) t während

für ψ = 90° und ^ = 180° gilt;

coswt.

In diesem Falle erscheint auch das Bild der untiefen Phasenstruktur auf die übliche undifferenzierte Weise.

Bei der obigen Beschreibung des Prinzips der Erfindung sind die Teilbündel höherer Ordnungen ausser Betracht gelassen. Die Teilbündel höherer Ordnungen werden grösstenteils ausserhalb des Detektors abgelenkt tind die Amplituden dieser Bündel sind erheblich kleiner als die der Bündel erster Ordnung, sodass der Einfluss von Bündeln höherer Ordnungen in einer ersten Annäherung vernachlässigbar ist.

Eine Informationsstruktur, deren Informationsgebiete einen Phasenunterschied Ψ«_η - 90 einführen, ist eine theoretische Struktur. Wie bereits bemerkt wurde, weisen die von einer derartigen Struktur herrührenden abgelenkten Bündel eine kleine Amplittide auf, so dass das Signal S sehr schwach ist. In der Praxis wird denn auch

für eine optische Tiefe gewählt, derart, dass der Phasenwinkel etwas grosser als 90°, z.B. 110°^ l/₁₀4i20°, ist. _Für ψ - -J20⁰ ist der Term mit M(v) im Ausdruck für S

I (J S

maximal für ψ = 120°. Falls die Phase nur eines der De-' e

tektorsignale über 120 gedreht wird, ist die Phase des Signals S über 30° gegen das Signal S box ψ = 90°

S S I ν J

verschoben.

³^ Die obenbeschriebene Vorrichtung mit einem oder

zwei Phasendrehern, die zwischen zwei Lagen geschaltet werden können, wobei diese Vorrichtung als eine Abtas cvorrichtung mit einer in zwei Lagen schaltbaren Detektions-

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funktion umschrieben werden kann, ist eine besondere Ausführungsform des allgemeinen Erfindungsgedankens, bei der eine Abtastvorrichtung mit einer komplexen und einstellbaren Detektionsfunktion versehen wird, die innerhalb der Detektoroberfläche dargestellt werden kann durch: g(x,y) = a für χ > ο

g(x,y) = a.exp (i f ) für χ ζ Ο
oder durch
g(x,y) = a. exp (-1 V" /2) für χ > 0 g(x₉y) = a. exp (+1 γ /2) für χ </ 0.

Ausserhalb der Detektoroberfläche ist g(x,y) = 0.

Die Abbildungsfunktion einer Abtastvorrichtung nach der Erfindung ist das Produkt der sogenannten optischen Abbildungsfunktion (o.T.F. = Optical Transfer Function) des optischen Systems und einer zusätzlichen TJebertragungsfunktion F, deren Modulus und Phase sind:

Fj = a i cos ( Ψ_1Π - —^) + sin V

C 7 ' e
2Q arg|Fij = —— für die asymmetrische Situation, rj = 0 für die summetrische Situation.

In der asymmetrischen Situation wird die Phase nur eines der Detektorsignale gedreht, und zwar über (f , während in der symmetrischen Situation die Phasen beider

Ψ ψ

Detektorsignale über + —— bzw. - —— gedreht werden.

Die elektronische Phasendrehung ψ wird dazu benutzt, den Modulus des Signals S :

zu optimieren. In der symmetrischen Situation wird das Argument keine Aenderung infolge der Optimierung des Modtxlus erfahren. Eine derartige Aenderung tritt aber in der asymmetrischen Situation bestimmt auf. Die Aenderung des Arguments kann dadurch neutralisiert werden, dass hinter dem Summator 9 ein zusätzlicher Phasendreher 11, der eine Phasendrehung über - —— einführt, angeordnet wird, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Sowohl in der asymmetrischen Situation als auch

f 3141 HO

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in der symmetrischen Situation kann die Phase des Signals S von einer Phasenasymmetrie in dem Abtastfleck V beein-

flusst werden. Die wichtigste Ursache einer solchen Asymmetrie ist Koma des optischen Systems. Für diesen Phasenfehler kann dadurch ausgeglichen werden, dass die Phase des Signals S über θ gedreht wird, wobei θ eine Funktion der genannten Phasenasymmetrie ist. In der bevorzugten Ausftthrungsform nach Fig. 4 ist dann ein zusätzlicher Phasendreher 12 hinter dem Summator 9 angeordnet. In der asymmetrischen Situation der Fig. 1 ist dann der Phasendreher 11 derart ausgebildet, dass er eine Phasendrehung über θ —2 bewirkt.

Die Phasendrehung γ ist im allgemeinen zwischen 0 und 3^0 einstellbar. Für eine AusIesevorrichtung, die sowohl Aufzeichnungsträger mit einer Phasenstruktur als auch Aufzeichnungsträger mit einer Amplitudenstruktur oder •A-ufzeichnungsträger mit Phasenstrukturen verschiedener Tiefen gut auslesen können muss, besteht nicht sosehr ein Bedarf an der Möglichkeit, die elektronische Phasendrehung kontinuierlich über einen grossen Bereich einstellen zu können. Dies wird aber für ein Lichtmikroskop anders sein, das zur Sichtbarmachung nicht nur untiefer Phasenstrukturen oder Amplxtudens trulcturen, sondern auch von allerhand Zwischenstrukturen, d.h. Strulcturen, die weder reine Phasenstrukturen noch reine Amplitudenstrukturen sind, benutzt werden soll.

Die Phasentiefe der Gegenstände z.B. biologische Gewebe oder Organismen, die mit einem derartigen Mikroskop beobachtet werden sollen, braucht nicht vorher bekannt zu sein. Der Gegenstand kann einige Male nacheinander mit jeweils einem anderen Wert für f abgetastet werden, bis die richtige Bildgüte erhalten ist.

Die mit dem dargestellten Mikroskop zu beobachtenden Gegenstände brauchen nicht eine so konstante Phasentiefe wie die obengenannten optischen Aufzeichnungsträger aufzuweisen. Diese Gegenstände dürfen aus Einzelteilen bestehen, die alle eine andere Phasentiefe aufweisen. Der Gegenstand kann dann eine Anzahl Male mit jeweils einem

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anderen ¥ert für die elektronische Phasendrehung (^ abgetastet werden. Während jeder Abtastung wird eine bestimmte Phasentiefe mit maximalem Kontrast wiedergegeben. Aus der Gesamtanzahl der Teilbilder kann der ursprüngliche Gegenstand rekonstruiert werden.

Die Phasendreher 8 in Fig. 1 und 8' und 8" in Fig. 4 können Vorrichtungen sein, deren Phasendrehung eine Funktion der Zeitfrequenz ist. Bei einer konstanten Abtastgeschwindigkeit entspricht eine bestimmte Raumfrequenz

(v) im Gegenstand einer bestimmten Zeitfrequenz (uJ). Frequenzabhängige Phasendreher in Form von Transversal-Digitalfiltern sind an sich für andere Zwecke bekannt, z.B. aus dem Buch "Theory and Application of Digital Signal Processing", Rabiner und Gold, Prentice Hall Inc. 19755 u.a.

S. 40. Bei Anwendung derartiger Phasendreher kann dafür gesorgt werden, dass nur für bestimmte Raumfrequenzen die elektronische Phasendrehung den für die Abtastung optimalen Wert aufweist. Dadurch werden nur Teilstrukturen des Gegenstandes mit einer bestimmten Raumfrequenz richtig wiedergegeben, während Teilstrukturen mit einer anderen Raumfrequenz geschwächt im Bild erscheinen.

Auch die Verstärkung der Addierschaltung 9 kann frequenzabhängig gemacht werden, wodurch die gewünschte Raumfrequenz noch weiter erhöht werden kann und die unerwünschten Frequenzen noch weiter unterdrückt werden können.

Durch die Anwendung frequenzabhängiger Phasendreher und eines frequenzabhängigen Verstärkers kann eine räumliche Filterung des Gegenstandes oder eine Bildverbesserung erzielt werden, ohne dass optische Filter erforderlich sind. Die bisher beim optischen Filtern zu erfüllende schwierige Aufgabe, geeignete optische FiItex- herzustellen, ist durch die besser hantierbare Aufgabe ersetzt, elektronische Filter mit den gewünschten Phasen- und Amplitudenkennlinien zu entwerfen.

In der Abtastvorrichtung können zwei gesonderte Verstärker für die Detektorsignals S und S₀ vorhanden sein. In Fig. k sind diese Verstärker mit 13· und 13" bezeichnet. Die Detektionsfunktion einer Abtastvorrichtung

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mit zwei gesonderten frequenzabhängigen Verstärkern und frequenzabhängigen Phasendrehern kann geschrieben werden als :

g(x,y) = a..(v). exp (-i t^') für x>0

^f 1
g(x,y) = a₂(v). exp (+i 2 )

wobei ν die Raumfrequenz im Gegenstand darstellt. Die zwei gesonderten Verstärker können dazu benutzt werden, für eine etwaige Amplitudenasymmetrie in dem Abtastbündel auszugleichen. Bei Anwendung zweier gesonderter Verstärker ist es möglich, ein Detektorsignal zu verstärken und das andere zu unterdrücken, so dass ein sogenanntes Einseitenbandprinzip (single sideband principle) angewandt wird.

Zum erfindungsgemässen Abtasten eines Gegenstandes in zwei z.B. zueinander senkrechten Richtungen kann man den Abtastfleck zunächst eine Anzahl Zeilen gemäss einer ersten Richtung beschreiben lassen. Die so erhaltenen Daten können in einem Bildspeicher gespeichert werden.

²" Dann kann man den Abtastfleck eine Anzahl Zeilen in der zweiten Richtung beschreiben lassen. Die Daten der Abtastungen in den zwei Richtungen können schliesslich zusammengefügt werden.

Zum Abtasten in zwei Richtungen können zwei Detektoren verwendet werden, wobei beim Uebergang von einer Abtastrichtung zu der anderen die Detektoren und der Gegenstand über 90 gegeneinander gedreht werden. Es können auch vier Detektoren verwendet werden, von denen ein Satz für eine Abtastrichtung und ein Satz für die andere Abtast-

³^ richtung bestimmt sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Unterteilung eines Detektors in zwei Teildetektoren und auf die Weise, auf die die von den Teildetektoren gelieferten Signale elektronisch verarbeitet werden. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art von Abtaststrahlung, wie Licht, beschränkt. Es ist nur von Bedeutung, dass die Abtaststrahlung in einem kleine Abtastfleck konzentriert werden kann. Die Erfindung ist ausser in einem Lichtmikros-

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kop auch, in einem Elektronenmikroskop, einem Röntgenmikroskop oder einem akustischen Mikroskop anwendbar, vorausgesetzt, dass diese Mikroskope in genügendem Masse frei von Aberrationen sind. Mit diesen Mikroskopen werden Details beobachtet, deren Grosse auf der Genze des Auflösungsvermögens des betreffenden Mikroskops liegt.

In Fig. 5 ist schematisch ein Elektronenmikroskop dargestellt. Die Elektronenquelle ES sendet ein Elektronenbündel b aus. Dieses Bündel wird von einer Elektronene

linse EL in der Ebene des Gegenstandes 0 fokussiert, der z.B. ein Objekt mit schwacher Phase ist. Der Gegenstand spaltet das Bündel b in ein Teilbündel nullter Ordnung b (0,0) und in u.a. zwei Teilbündel erster Ordnung b (+1,0) und b (-1,0). Das Bündel nullter Ordnung und Teile der Bündel erster Ordnung werden von zwei Detektoren DE und DE aufgefangen, die die Elektronenstrahlung in ein elektrisches Signal umsetzen. Der ¥inkel ^ , über den die Teilbündel erster Ordnung abgelenkt werden, liegt in derselben Grössenordnung wie die numerische Apertur (die gleich since ist) der Elektronenlinse, wie dies auch bei dem Lichtmikroskop der Fall war. Die Signale S und S der Detektoren DE und DE_p werden auf die an Hand der Figuren 1 und h beschriebene Weise verarbeitet.

In Fig. 6 ist sehr schematisch eine Ausführungsform eines Röntgenmikroskops gezeigt. XS bezeichnet die Röntgenquelle, die, weil sie hell sein muss, vorzugsweise aus einem Synchrotron besteht. Das Röntgenbündel b_ wird auf dem Gegenstand, z.B. einem biologischen Spezimen oder einer Kristallstruktur, fokussiert. Das Fokussiersystem XF kann durch eine Zonenplatte, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, oder durch einen oder mehrere Spiegel gebildet werden. Das von dem Gegenstand stammende Röntgenbündel wird von zwei Röntgendetektoren DX und DX aufgefangen. Die Signale S und S₀ dieser Detektoren können wieder auf die an Hand der Figuren 1 und h beschriebene Weise verarbeitet werden. Für Einzelheiten über die Röntgenquelle XS, das Fokussiersystem XF und die Röntgendetektoren DX und DX₀, welche Teile keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden,

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sei auf den Aufsatz: "The Scanning X-Ray Microscope",

S. 365-391 des Buches: "Scanned Image Microcopy", E.A.Ash, Academic Press I98O verwiesen.

Fig. 7 zeigt das Prinzip eines akustischen Mikroskops nach der Erfindung. Ein derartiges Mikroskop enthält einen piezoelektrischen Umsetzer PEC, der eine gleichmässige Durchlasskennlinie über seine ganze Oberfläche aufweist. Mit diesem Umsetzer wird eine Schallwelle erzeugt, die auf den zu untersuchenden Gegenstand, z.B.

eine reflektierende Schicht, gerichtet ist. Wenn der Umsetzer flach und die Schallwelle eine flache ¥elle ist, kann zwischen dem Gegenstand und dem Umsetzer eine akustische Linse angeordnet sein, die die Schallwelle in eine sphärische konvergierende Welle umsetzt. Wie in Fig. 7 gezeigt wird, kann auch der Umsetzer selber gekrümmt sein, so dass die ausgesandte Schallwelle schon konvergierend ist. Die Schallwelle wird von dem Gegenstand reflektiert und kehrt zu dem Umsetzer zurück, der die Schallwelle in eine elektrische Spannung umsetzt. Dabei wird über die ganze Oberfläche des Umsetzers integriert. Der Umsetzer PEC wirkt also als Quelle und als Detektor. Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung sind dadurch voneinander getrennt, dass mit kurzen Impulsen gearbeitet wird.

Die Ausgangsspannung ist von der Phase der gesonderten BUndelteile abhängig. Wenn ein Reflektor in der Fokusebene angeordnet ist, durchlaufen alle Bündelteilc eine gleiche Weglange und sind die Bündelteile in den Punkten I5 und 16 gleichphasig. Wenn sich der Reflektor in senkrechter Richtung verschiebt, d.h. wenn sich die zu untersuchende, vertikale Ausweichungen aufweisende O in der x-Richtung verschiebt, durchlaufen die verschiedenen Bündelteile verschiedene Weglängen und weisen die Bündelteile in 15 und 16 eine bestimmte Phasenverschiebung auf, wodurch sich die Ausgangsspannung ändert.

Für weitere Einzelheiten über das akustische Mikroskop, das an sich keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, sei auf den Aufsatz: "Scanning Acoustic Microscopy", S. 24-55 des bereits genannten Buches "Scanned

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Image Microscopy" verwiesen. Nach der Erfindung ist der Umsetzer in zwei Teile DA und DA„ unterteilt, wobei DA₁ unmittelbar und DA_ über ein phasendrehendes Glied 8 mit einem Summator 9 verbunden ist. Die Signalverarbeitung erfolgt auf die an Hand der Fig. 1 oder der Pig. 4 beschriebene Weise.

Claims

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PATENTANSPRTJECHE s

ί 1\, Vorrichtung zum punktweisen Abtasten eines Gegenstandes, die eine ein Abtastbündel liefernde Strahlungsquelle ein Objektivsystem zum Fokussieren des AbtastbUndels zu einem Strahlungsfleck auf dem Gegenstand und ein strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält, mit dessen Hilfe das von dem Gegenstand herrührende Abtastbündel in ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitungsschaltung umgesetzt wird, die das Signal für ¥iedergabe geeignet macht, wobei dieses Detektionssystem mindestens zwei strahlungsempfindliche Detektoren enthält, die in der Abtastrichtung hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet j dass in mindestens einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen einer addierenden Eingangsstufe der Verarbeitungsschaltung ein phasendrehendes Glied mit einer einstellbaren Phasendrehung angeordnet ist»

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den zugehörigen Eingangsklemmen der Eingangsstufe ein einstellbarer Phasendreher angeordnet ist, wobei die von diesen Phasendrehern eingeführten Phasendrehungen gleich gross sind, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen»
3„ Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der addierenden Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der eine Phasendrehung - —τ bewirkt, wobei ψ die Phasendrehung eines einzigen in einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen der Eingangsstufe angeordneten Phasendreher ist =

ho Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeLehnet, dass der Ausgang der addierenden Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der eine Phasendrehung Q

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bewirkt, die von einer Asymmetrie in dem abtastenden Stralilungsfleck abhängig ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der addierenden Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der die Phasendrehung θ - —r bewirkt, wobei ■ ψ die Phasendrehung eines einzigen in einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen der Eingangsstufe angeordneten Phasendrehers ist, während θ von einer Asymmetrie in dem abtastenden Strahlungsfleck abhängig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 s ^ oder 5«, dadurch gekennzeichnet, dass die phasendrehenden Glieder zwischen zwei im wesentlichen festen Werten schaltbar sind, die einem Phasenbild und einem Amplitudenbild des Gegen-Standes entsprechen.

7. Vorrichtung* nach Anspruch 1, 2, 3i '*> oder 5_S dadurch gekennzeichnet, dass die phasendrehenden Glieder kontinuierlich einstellbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,

²^ dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendrehungen der phasendrehenden Glieder als Funktion der Frequenz einstellbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2_S 3₅ 4_S 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Eingangsstufe der Verarbeltungsschaltung als Funktion der Frequenz einstellbar ist.

10. Vorrichtung- nach einem der vorstehenden Ansprüche«, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe der Verarbeitungsschaltung durch gesonderte Verstärker für jedes der Detektorsignale und eine Addierschaltung gebildet wird, wobei der Verstärkungsfaktor jedes der Verstärker einstellbar ist.