DE3141140C2

DE3141140C2 -

Info

Publication number: DE3141140C2
Application number: DE3141140A
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus Bouwhuis; Josephus Johannes Maria Eindhoven Nl Braat
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-07-24
Filing date: 1981-10-16
Publication date: 1990-06-13
Also published as: DE3141140A1; ES8207353A1; FR2510292B1; DD201952A5; CA1179535A; SE8106134L; AT371620B; SE454919B; ATA444781A; GB2102235A; IT1168181B; IT8124540A0; US4446548A; GB2102235B; FR2510292A1; NL8103505A; JPH0234149B2; JPS5819845A; ES506291A0; BE890761A

Description

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, mit dessen Hilfe das von dem Gegenstand herrührende Abtastbündel in ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitungsschaltung umgesetzt wird, die das Signal für die 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 Schallwellenbündel 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 naturgemäß 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 Aufzeichnungsträger mit einer aus in Spuren angeordneten Informationsgebieten aufgebauten Informationsstruktur abgetastet wird. Die Informationsstruktur weist die Form einer Phasenstruktur auf und die nebeneinander liegenden Informationsspuren unterscheiden sich dadurch voneinander, daß die Informationsgebiete 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 Phasenstruktur 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 Übertragungsfunktionen (M.T.F. = Modulation Transfer Funktion) aufweisen, kann die abwechselnde Anwendung der zwei Ausleseverfahren in dem von der Auslesevorrichtung endgültig abgegebenen Signal bemerkbar sein. Wenn auf dem Aufzeichnungsträger ein Videosignal gespeichert ist, ergibt z. B. die eine Übertragungsfunktion andere Grauschattierungen oder eine andere Farbsättigung in dem endgültigen Fernsehbild als die andere Übertragungsfunktion. 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 Übertragungsfunktion als Funktion der Frequenz einstellbar ist.

Die Informationsgruben, die durch das Integralverfahren ausgelesen werden, können eine derartige optische Tiefe aufweisen, daß sie einen Phasenunterschied von 180° zwischen dem Bündel nullter Ordnung und einem der Teilbündel erster Ordnung herbeiführen, die bei Projektion des Ausleseflecks auf eine derartige Grube entstehen. Ein derartiger Phasenunterschied würde auch entstehen, wenn der Auslesefleck eine Amplitudenstruktur abtasten würde. Eine Detektoranordnung, 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. h. einer Phasenstruktur, 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 Abtastvorrichtung verschobenen Detektoren ist dadurch gekennzeichnet, 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. Durch die elektronische Phasendrehung wird eine komplexe Detektionsfunktion erhalten, die auf einfache Weise auf elektronischem Wege angepaßt werden kann. Unter der Detektionsfunktion ist die Übertragungsfunktion 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 simultaneously in a Scanning Transmission Electron Microscope" in "Philips Technical Review", Band 37, Nr. 1, S. 1-9 ein abtastendes Elektronenmikroskop 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 einem 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 Eingangsstufe 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 ϕ _e die Phasendrehung eines einzigen in einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen der Eingangsstufe angeordneten Phasendrehers ist.

Wenn die Abtastvorrichtung weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die addierende Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der eine Phasendrehung einführt, die von einer Phasensymmetrie in dem abtastenden Strahlungsfleck abhängig ist, kann für die genannte Asymmetrie ausgeglichen werden, die durch Koma des optischen Systems herbeigeführt werden kann.

Die phasenverdrehenden Glieder können, je nach der gewünschten Anwendung der Abtastvorrichtung, verschieden ausgebildet sein. Eine erste besonders einfache Ausführungsform 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 entsprechen.

Eine zweite Ausführungsform der Abtastvorrichtung die mehr Möglichkeiten bietet, ist dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Glieder kontinuierlich einstellbar sind. 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 phasendrehenden Glieder eine Funktion der Raumfrequenz im Gegenstand. Dann kann für Asymmetrie in dem Abtastfleck infolge von Fehlern in der Sphärizität des Abtastbündels ausgeglichen werden.

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

Bei Anwendung einer auf obenstehende Weise erhaltenen komplexen Detektionsfunktion, deren Amplitude und Phase auf elektronischem Wege 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 Verarbeitungsschaltung 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 z. B. zum Auslesen eines optischen Aufzeichnungsträgers verwendet werden kann. Dabei wird auf die Zeichnung verwiesen.

In dieser Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Abtastvorrichtung 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. 4 eine Vorrichtung zur Verarbeitung der Detektorsignale,

Fig. 5 das Prinzip eines Elektronenmikroskops nach der Erfindung,

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 veranschaulicht. Das von einer Strahlungsquelle S ausgesandte Bündel b wird von einem durch eine einzige Linse L₁ schematisch dargestellten Objektivsystem zu einem Strahlungsfleck V auf dem abzutastenden Gegenstand O fokussiert. Dieser 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 Fig. 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. Die Informationsspuren enthalten sehr kleine Informationsgebiete 3, deren Längen in der Größenordnung von 1 µm liegen und deren Breiten kleiner als 1 µm sind und die sich in der Spurrichtung t mit Zwischengebieten 4 abwechseln. Es kann angenommen werden, daß die Informationsstruktur in zwei zueinander senkrechten Richtungen periodisch ist, wobei die Periode in der Spurrichtung oder der tangentialen Richtung t gleich p 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 p durch das Videosignal bestimmt. Die Periode q ist gleich dem Abstand zwischen den Spuren.

Die Informationsstruktur kann eine reine Phasenstruktur sein, wobei die Informationsgebiete aus in die Trägeroberfläche gepreßten Gruben oder aus über diese Oberfläche hinausragenden Buckeln bestehen. Die Informationsstruktur kann auch eine Amplitudenstruktur 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 bezeichnet. Die Breite dieses Flecks liegt in der Größenordnung der Abmessungen der Informationsgebiete 2. Die Informationsstruktur verhält sich wie ein zweidimensionales 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 Informationsgebiete 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 (+1,0) 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 (-1,0) in der Ebene des Detektors D dargestellt. Die x- und die y-Achse 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 (-1,0) weisen komplexe Amplituden auf, die dargestellt werden können durch:

B (0,0)
B (+1,0) exp (- i ω t)
B (-1,0) exp (+ i ω t).

Es wird angenommen, daß der Aufzeichnungsträger sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bewegt, wodurch der zeitabhängige Phasenfaktor exp (± i ω t) entsteht. Darin ist ω 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 (+1,0) und B (-1,0) einerseits und der Amplitude B (00) andererseits besteht ein bestimmter Phasenunterschied Ψ₁₀. Dieser Phasenunterschied 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-OS 29 12 216 der Anmelderin beschrieben ist, können die Informationsgebiete eine derartige optische Tiefe aufweisen, daß der genannte Phasenunterschied Ψ₁₀ = 180° ist, aber sie können auch eine derartige optische Tiefe aufweisen, daß Ψ₁0 = 90° ist. Für Ψ₁₀ = 90° sind die Gruben sehr untief und dadurch sind die Amplituden der abgelenkten Bündel sehr klein. Vorzugsweise wird daher die optische Tiefe etwas größer gewählt, so daß Ψ₁₀ zwischen 110° und 120° liegt. Wie 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 Phasenunterschied Ψ₁₀ = 180° einführen.

Wie nachstehend auseinandergesetzt werden wird, ist die Abtastvorrichtung nach der Erfindung für die Auslesung sowohl einer Amplitudeninformationsstruktur oder einer tiefen Phaseninformationsstruktur (Ψ₁₀ = 180°) als auch einer untiefen Phaseninformationsstruktur (Ψ₁₀ = 90°) geeignet. Dazu ist, wie in Fig. 1 dargestellt ist, der Detektor D in zwei Teildetektoren D₁ und D₂ 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′VLP System" in "Philips Technical Review", Band 33, Nr. 7, S. 178-180 beschrieben. In Fig. 3 sind die Teildetektoren D₁ und D₂ durch gestrichelte Halbkreise dargestellt. Nach der Erfindung ist zwischen dem Detektor D₂ und dem Summator 9 ein Glied 8 angeordnet, das die Phase des Signals des Detektors D₂ über einen Winkel d _e dreht.

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

Φ (+1,0) = Ψ₁₀ + ω t
Φ (-1,0) = Ψ₁₀ - ω t

und die komplexen Amplituden können geschrieben werden als:

B (0,0) = |B (0,0)|
B (+1,0) = | B (+1,0)| exp i (Ψ₁₀ + ω t)
B (-1,0) = | B (-1,0)| exp i (Ψ₁₀ - ω t).

Die durch die Interferenzen zwischen den Teilbündeln erster Ordnung und dem Teilbündel nullter Ordnung an den Stellen der Detektoren D₁ und D₂ herbeigeführten Intensitätsänderungen werden von diesen Detektoren in elektrische Signale S₁ und S₂ 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 Überlappungsgebiet 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 Größe von 2 c+ d, gilt die Übertragungsfunktion M(v), in der v die Raumfrequenz der Informationsgebiete darstellt. An der Stelle, an der die zwei Teilbündel erster Ordnung interferieren, also in einem Gebiet mit der Größe 2 c in Fig. 3, gilt die Übertragungsfunktion M(2 v). Es läßt sich also sagen, daß

2c + d = M(v)
2c = M(2 v), somit
d = M(v)-M(2 v) und
c = 1/2 M(v)

Zur Bestimmung der Signale S₁ und S₂ müssen die Beiträge der Gebiete c und d zueinander addiert werden. Innerhalb des Gebietes c befinden sich Teile des Teilbündels nullter Ordnung und Teile der beiden Teilbündel erster Ordnung. Innerhalb des Gebietes d befinden sich ein Teil des Teilbündels nullter Ordnung und ein Teil eines der Teilbündel erster Ordnung. Das Signal S₁ kann daher dargestellt werden durch:

S₁ = |B (0,0) + B (+1,0) + B (-1,0)| 2c + |B (0,0) + (+1,0)|2d

wobei die Indexe c und d angeben, daß die betreffenden Beiträge mit der Größe der Gebiete c und d gewogen werden müssen. Für das Informationssignal selber sind die Gleichstromkomponenten des Ausdrucks für S₁ von weniger Bedeutung, so daß diese Komponenten vernachlässigbar sind. Dann geht das Signal S₁ über in:

S₁ = 2 Re {B (0,0) · B ^x (+1,0)}_c + 2 Re{B (0,0) · B _x (-1,0)}_c + 2 Re {B (0,0) B ^x (+1,0)}_d.

Re stellt dabei den reellen Teil der betreffenden Komponente dar. Wenn die Gebiete c und d durch die Modulationsübertragungsfunktionen ersetzt werden, wird S₁:

S₁ = M (2 v) · |B (0,0)||B (+1,0)| · {cos (Ψ₁₀ + ω t) + cos (Ψ₁₀-ω t)} + 2 |B (0,0)||B (+1,0)|[M(v)-M (2 v)] · cos (Ψ₁₀ + l t).

Dabei wird angenommen, daß die Informationsgebiete symmetrisch sind, so daß gilt:

|B (-1,0)| = |B (+1,0)|.

Das Signal S₁ ist proportional zu (α):

S₁α2[M(v)-M (2 v)] · cos (Ψ₁₀ + ω t) + 2 M (2 v) cos Ψ₁₀ · cos ω t.

Auf analoge Weise kann das Signal S₂ des Detektors D₂ geschrieben werden als:

S₂α2[M(v)-M (2 v)] cos (Ψ₁₀ - ω t) + 2 M (2 v) cos Ψ₁₀ cos ω t.

Das Signal S₂ wird einer Phasendrehung ϕ _e unterworfen und dadurch wird das Signal S₂′ erhalten.

S′₂a2[M(v)-M (2 v)] · cos (Ψ₁₀ - ω t - ϕ _e) + 2 M (2 v) cos Ψ₁₀ · (ω t + ϕ _e).

Das Summensignal S _s wird gegeben durch:

Zum Auslesen einer Amplitudenstruktur oder einer tiefen Phasenstruktur, in der Ψ₁₀ = 180° ist, wird d _e = 0° gewählt. Dann ist das Summensignal:

S _s α-4 M(v) cos ω t.

Für einen über den ganzen Aufzeichnungsträger konstanten Phasenunterschied Ψ₁₀ und für eine konstante Winkelgeschwindigkeit des Aufzeichnungsträgers ist das Signal S _s nur von der Raumfrequenz v der Informationsgebiete in der Spurrichtung und also von dem gespeicherten Informationssignal abhängig.

Zum Auslesen einer untieferen Phasenstruktur mit Ψ₁₀ = 90° wird für ϕ _e = 180° gewählt. Dann ist:

S _s α-4[M(v) + M (2 v)] sin l t.

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

Statt die Phase eines Detektorsignals über ϕ _e zu drehen, wird aus Symmetrieerwägungen vorzugsweise die Phase von S₂ über + und die von S₁ über - gedreht, wie in Fig. 4 angegeben ist. Die Signale S′₁ und S′₂ werden dann gegeben durch:

und das Summensignal S _s durch:

für Ψ₁₀ = 180° und ϕ _e = 0° gilt:

S _s α-4 M(v) cos ω t

während für ϕ₁₀ = 90° und ϕ _e = 180° gilt:

S _s α[4 M(v) + 4 M(2 v)] cos ω t.

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 und die Amplituden dieser Bündel sind erheblich kleiner als die der Bündel erster Ordnung, so das der Einfluß von Bündeln höherer Ordnungen in einer ersten Annäherung vernachlässigbar ist.

Eine Informationsstruktur, deren Informationsgebiete einen Phasenunterschied Ψ₁₀ = 90° einführen, ist eine theoretische Struktur. Wie bereits bemerkt wurde, weisen die von einer derartigen Struktur herrührenden abgelenkten Bündel eine kleine Amplitude auf, so daß das Signal S _s sehr schwach ist. In der Praxis wird denn auch dafür eine optische Tiefe gewählt, derart, daß der Phasenwinkel etwas größer als 90°, z. B. 110° Ψ₁₀ 120°, ist. Für Ψ₁₀ = 120° ist der Term mit M(v) im Ausdruck für S _s maximal für d _e = 120°. Falls die Phase nur eines der Detektorsignale über 120° gedreht wird, ist die Phase des Signals S _s über 30° gegen das Signal S _s bei Ψ₁₀ = 90° verschoben.

Die obenbeschriebene Vorrichtung mit einem oder zwei Phasendrehern, die zwischen zwei Lagen geschaltet werden können, wobei diese Vorrichtung als eine Abtastvorrichtung mit einer in zwei Lagen schaltbaren Detektionsfunktion 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 x <0
g(x, y) = a · exp (i ϕ _e) für x <0

oder durch

g(x, y) = a · exp (-1 ϕ _e/2) für x <0
g(x, y) = a · exp (+1 i ϕ _e/2) für x <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 Übertragungsfunktion F, deren Modulus und Phase sind:

arg {F} = für die asymmetrische Situation,
arg {F} = 0 für die symmetrische Situation.

In der asymmetrischen Situation wird die Phase nur eines der Detektorsignale gedreht, und zwar über d _e, während in der symmetrischen Situation die Phasen beider Detektorsignale über + bzw. - gedreht werden.

Die elektronische Phasendrehung ϕ _e wird dazu benutzt, den Modulus des Signals S _s:

zu optimieren. In der symmetrischen Situation wird das Argument keine Änderung infolge der Optimierung des Modulus erfahren. Eine derartige Änderung tritt aber in der asymmetrischen Situation bestimmt auf. Die Änderung 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 in der symmetrischen Situation kann die Phase des Signals S _s von einer Phasensymmetrie in dem Abtastfleck V beeinflußt 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 _s über R gedreht wird, wobei R eine Funktion der genannten Phasensymmetrie ist. In der bevorzugten Ausführungsform 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 22 derart ausgebildet, daß er eine Phasendrehung über R bewirkt.

Die Phasendrehung ϕ _e ist im allgemeinen zwischen 0 und 360° einstellbar. Für eine Auslesevorrichtung, die sowohl Aufzeichnungsträger mit einer Phasenstruktur als auch Aufzeichnungsträger mit einer Amplitudenstruktur oder Aufzeichnungsträger 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 Amplitudenstrukturen, sondern auch von allerhand Zwischenstrukturen, d. h. Strukturen, 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 ϕ _e 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 anderen Wert für die elektronische Phasendrehung ϕ _e 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 (ω). Frequenzabhängige Phasendreher im 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. 1975, 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 Filter 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 Detektorsignale S₁ und S₂ vorhanden sein. In Fig. 4 sind diese Verstärker mit 13′ und 13′′ bezeichnet. Die Detektionsfunktion einer Abtastvorrichtung mit zwei gesonderten frequenzabhängigen Verstärkern und frequenzabhängigen Phasendrehern kann geschrieben werden als:

wobei v 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. 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 Übergang 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 Abtastrichtung 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 kleinen Abtastfleck konzentriert werden kann. Die Erfindung ist außer in einem Lichtmikroskop 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 Größe auf der Grenze des Auflösungsvermögens des betreffenden Mikroskops liegt.

In Fig. 5 ist schematisch ein Elektronenmikroskop dargestellt. Die Elektronenquelle ES sendet ein Elektronenbündel b _e aus. Dieses Bündel wird von einer Elektronenlinse EL in der Ebene des Gegenstandes O fokussiert, der z. B. ein Objekt mit schwacher Phase ist. Der Gegenstand spaltet das Bündel b _e in ein Teilbündel nullter Ordnung b _e (0,0) und in u. a. zwei Teilbündel erster Ordnung b _e (+1,0) und b _e (-1,0). Das Bündel nullter Ordnung und Teile der Bündel erster Ordnung werden von zwei Detektoren DE₁ und DE₂ aufgefangen, die die Elektronenstrahlung in ein elektrisches Signal umsetzen. Der Winkel β₃, über den die Teilbündel erster Ordnung abgelenkt werden, liegt in derselben Größenordnung wie die numerische Apertur (die gleich sind α _e ist) der Elektronenlinse, wie dies auch bei dem Lichtmikroskop der Fall war. Die Signale S₁ und S₂ der Detektoren DE₁ und DE₂ werden auf die an Hand der Fig. 1 und 4 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 _x 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 DX₁ und DX₂ aufgefangen. Die Signale S₁ und S₂ dieser Detektoren können wieder auf die an Hand der Fig. 1 und 4 beschriebene Weise verarbeitet werden. Für Einzelheiten über die Röntgenquelle XS, das Fokussiersystem XF und die Röntgendetektoren DX₁ und DX₂, welche Teile keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden, sei auf den Aufsatz: "The Scanning X-Ray Microscope", S. 365-391 des Buches: "Scanned Image Microcopy", E. A. Ash, Academic Press 1980 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 Welle 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 Bündelteile abhängig. Wenn ein Reflektor in der Fokusebene angeordnet ist, durchlaufen alle Bündelteile eine gleiche Weglänge und sind die Bündelteile in den Punkten 15 und 16 gleichphasig. Wenn sich der Reflektor in senkrechter Richtung verschiebt, d. h. wenn sich die zu untersuchende, vertikale Ausweichungen aufweisende 0 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 Image Microscopy" verwiesen. Nach der Erfindung ist der Umsetzer in zwei Teile DA₁ und DA₂ unterteilt, wobei DA₁ unmittelbar und DA₂ über ein phasendrehendes Glied 8 mit einem Summator 9 verbunden ist. Die Signalverarbeitung erfolgt auf die an Hand der Fig. 1 oder der Fig. 4 beschriebene Weise.

Claims

1. 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, mit dessen Hilfe das von dem Gegenstand herrührende Abtastbündel in ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitungsschaltung umgesetzt wird, die das Signal für die Wiedergabe geeignet macht, wobei dieses Detektionssystem mindestens zwei strahlungsempfindliche Detektoren enthält, die in der Abtastrichtung hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen einer addierenden Eingangsstufe (9; 14) der Verarbeitungsschaltung (10) ein phasendrehendes Glied (8; 8′; 8′′) 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 (14) ein einstellbarer Phasendreher (8′, 8′′) 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 (9) mit einem Phasendreher (11) verbunden ist, der eine Phasendrehung mit - bewirkt, wobei ϕ _e die Phasendrehung eines einzigen, in einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren (D₂, D₂) und den Eingangsklemmen der Eingangsstufe angeordneten Phasendrehers (8) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der addierenden Eingangsstufe (14) mit einem Phasendreher (12) verbunden ist, der eine Phasendrehung R bewirkt, die von einer Asymmetrie in dem abtastenden Strahlungsfleck abhängig ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der addierenden Eingangsstufe (9) mit einem Phasendreher (13) verbunden ist, der die Phasendrehung R - bewirkt, wobei ϕ _e die Phasendrehung eines einzigen, in einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren (D₁, D₂) und den Eingangsklemmen der Eingangsstufe (9) angeordneten Phasendrehers (8) ist, während R von einer Asymmetrie in dem abtastenden Strahlungsfleck abhängig ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Glieder (8, 8′) zwischen zwei im wesentlichen festen Werten schaltbar sind, die einem Phasenbild und einem Amplitudenbild des Gegenstandes (0) entsprechen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Glieder (8, 8′) kontinuierlich einstellbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendrehungen der phasendrehenden Glieder (8, 8′) als Funktion der Frequenz einstellbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der Eingangsstufe (9) der Verarbeitungsschaltung (10) als Funktion der Frequenz einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe der Verarbeitungsschaltung (10) durch gesonderte Verstärker (13′, 13′′) für jedes der Detektorsignale und eine Addierschaltung (14) gebildet wird, wobei der Verstärkungsfaktor jedes der Verstärker einstellbar ist.