DE3436275A1

DE3436275A1 - Vorrichtung zum erzeugen von bildern mit hohem aufloesungsvermoegen ohne praezisionsoptiken

Info

Publication number: DE3436275A1
Application number: DE19843436275
Authority: DE
Inventors: Richard A. Marlboro Hutchin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-03
Filing date: 1984-10-03
Publication date: 1985-05-09
Also published as: GB2147764B; JPS60100117A; GB8424191D0; US4584484A; GB2147764A; FR2552895A1

Description

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Anmelder; Richard A. Hutchin, 56 Framingham Road, Marlboro, Massachusetts,
Vereinigte Staaten von Amerika

Bezeichnung der

Erfindung: Vorrichtung zum Erzeugen von Bildern mit hohem Auflösungs

vermögen ohne Präzisionsoptiken

Beschreibung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beobachtungsvorrichtungen, die mit sinusförmigen Mustern der Beleuchtung der zu beobachtenden Objekte arbeiten und ein hohes Bildauflösungsvermögen haben. Im besonderen betrifft die Erfindung das Gebiet der Mikroskopie.

In der Literatur findet man den Vorschlag der Beleuchtung eines Objektes mit einem Interferenzstreifenmuster, das mit einem Laserstrahl gebildet wird, um die Amplitude einer Fourier-Komponenten zu messen. Damit wird aber nicht die Lehre vermittelt, wie man diesen Vorschlag auf den Bau einer Vorrichtung zum Betrachten eines Objektes, beispielsweise eines Mikroskopes anwenden kann. Insbesondere wird keine Lehre vermittelt, wie man die Phase der Fourier-Komponenten messen kann, oder wie die benötigten verschiedenen Streifenmuster erzeugt werden sollen, um eine in der Praxis einsetzbare Vorrichtung zu entwickeln. Während die Erzeugung eines Interferenzmusters auf dem mit einem Mikroskop zu betrachtenden Objekt bekannt ist, ist keine Lehre bekannt, die dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung nahekommt.

Es wird beispielsweise das Interferenzmuster, das mit der Anordnung gemäß dem US-Patent 3,162,713 erzeugt wird, dazu verwendet, einen visuellen Kontrast zu erzeugen und eine andere Lehre ist der Entgegenhaltung nicht zu entnehmen.

Andere Vorveröffentlichungen, wie die US-PSen 3,495,890; 3,511,554; 3,180,216; 3,558,210 und 3,182,551 beschreiben verschiedene Mikroskope, die optische Präzisionskomponenten benötigen, wie sie bei der vorliegenden Erfindung gerade nicht benötigt werden sollen. Die vorliegende Erfindung hat gerade die Aufgabe, teure optische Präzisionskomponenten zu vermeiden.

Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Form für die Mikroskopie aufzuzeigen, die in der Lage ist, ein hohes Auflösungsvermögen mit großer Feldtiefe zu ergeben, ohne daß optische Präzisionskomponenten notwendig wären.

Während die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform darauf gerichtet ist, als Mikroskop benutzt zu werden, können andere Anwendungsmöglichkeiten Teleskope, Videokameras oder andere Beobachtungssysteme sein, wo man nur wenige Fourierkomponenten wiedererhalten will, um partielle oder vergrößerte Strukturinformationen, Abgleichinformationen oder dergleichen zu erhalten.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist auf die Erzeugung der Wiedergabe einer lokalisierten Probe oder eines entsprechenden Bereiches, die bzw. der zu beobachten ist, gerichtet, wobei eingeschlossen ist, daß die Probe einem bewegten, sinusförmigen Interferenzstreifenmuster ausgesetzt ist; das durch Interferenz von Wellenenergie erzeugt wird, die auf die Probe gerichtet ist; das Muster hat Interferenzstreifen, die eine Raumfrequenz haben, die während der Bewegung des Streifenmusters über die Probe in einer ersten Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Wert sich verändert. Während jeder vollständigen Bewegung des Interferenzstreifenmusters über die Probe in einer Richtung, wird ein Satz Signale gespeichert, die der Intensität der von der Probe übertragenen Wellenenergie proportional sind. Die Übertragung der Wellenenergie von der Probe erfolgt durch Reflexion oder Transmission. Jeweils eine Bewegung des interferenzstreifenmusters über die Probe in einer Richtung ist Teil einer aus mehreren solcher Bewegungen

bestehenden Probenuntersuchung.

Ein anderer Satz von Signalen wird produziert, nachdem die Richtung der relativen Bewegung zwischen dem Bild des sich bewegenden Streifenmusters und der Probe durch Drehen der Probe oder des Lichtstrahles in Stufen etwas verändert wurde und die Aufzeichnung von Signalen in der oben erwähnten Weise wiederholt wurde, bis "Fourifiracheibcheri" in einer angemessenen Anzahl van Richtungen gebildet sind Der gespeicherte Wert wird danach rechnerisch verarbeitet, indem Phasen-und Amplitudenwerte von zumindest einigen der Fourierkomponenten der gespeicherten Signale (die Informationen enthalten äquivalent den Fourierkomponenten der Abbildung der tatsächlichen Probe bei hoher Auflösung gemessen) extrahiert werden, worauf die Fouriertransformation ausgeführt wird, um Daten zu produzieren, die bei der Rekonstruktion eines optischen Bildes der beobachteten Probe oder des beobachteten Bereiches verwendet werden. Es kann als machbar unterstellt werden, die beobachtete Probe oder allgemein den beobachteten Bereich mit jeder geeigneten Wellenenergie zu untersuchen, wenn die Wellenenergie in der Lage ist, Interferenzmuster zu produzieren, wie dies zu tun sichtbares Licht in der Lage ist. Es können in entsprechender Weise Schallwellen, Radarstrahlen, Radiowellen, Gammastrahlen, Infrarotwellen und Ultraviolettstrahlen verwendet werden. Die Anwendung von Radarstrahlen kann besondere Bedeutung in der Medizin, Astronomie und im Industriebereich haben, weil die Erfindung keine Hochpräzisionsvorrichtungen zum Fokussieren benötigt und keine besonders gerichteten Radarstrahlen angewendet werden müssen.

Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die als Mikroskop angewendet werden kann, ist eine zu untersuchende Probe einem beweglichen Muster zur Beleuchtung unterworfen, das abwechselnd Hell- und Dunkelinterferenzstreifen hat und eine Raumfrequenz, die sich während der Bewegung der Streifen über die Probe in einer ersten Richtung ändert, um die Sinuskomponenten des optischen Bildes der abgetasteten lokalisierten Probe des zu untersuchenden Gegenstandes zu erhalten.

Das von der Probe reflektierte Licht wird durch einen Weitwinkellichtdetektor gesammelt und erzeugt Eingangssignale, die ihrerseits zu der Aufzeichnung eines Satzes von Signalen führen, die proportional der Intensität des von der lokalisierten Probe während einer Mehrzahl von Probenuntersuchungen reflektierten Lichtes sind. Ein anderer Satz von Signalen wird aufgezeichnet nach der Änderung der Ausrichtung der relativen Bewegung zwischen dem Gitterbild und der Probe um beispielsweise etwa 1° solange, bis Daten für eine angemessene Anzahl von "Fourierscheibchen" über das Objekt gemessen sind. Daten, die indikativ sind für Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten der resultierenden Signale, werden extrahiert und danach wird eine Fouriertransformation ausgeführt, um Bilddaten zu produzieren, die eine Rekonstruktion des optischen Bildes der Probe ermöglichen.

Die "Raumfrequenz" der Streifen wird bei einer Lösung verändert, indem kohärentes Licht gleichzeitig auf den zu untersuchenden Teil der Probe und auf die Oberfläche eines ebenen Spiegels gerichtet wird, der unter einem rechten Winkel zu der Ebene steht, in der sich die Probe befindet, die Interferenzstreifen auf der Probe erzeugt. Durch Veränderung des Einfallwinkels des auf Spiegel und Probe gerichteten Lichtes kann die Raumfrequenz des Abtastmusters gesteuert verändert werden. Es kann in weiterer Ausgestaltung ein zylindrischer Spiegel auf dem ebenen Spiegel gegenüber dem Probenträger angeordnet werden, wobei ein Abtastspiegel einen Laserstrahl auf den zylindrischen Spiegel richtet, um so einen variablen Winkelstrahl zu erzeugen, der auf die Probe und den ebenen Spiegel gerichtet ist. Bei einer zweiten Ausführungsform wird der vorerwähnte Winkel zwischen dem Lichtstrahl und dem ebenen Spiegel konstant gehalten und die Wellenlänge des verstellbaren Laser kann beispielsweise verändert werden, um damit die "Raumfrequenz" des auf der Probe des zu untersuchenden Gegenstandes erzeugten Streifenmusters zu verändern.

Weitere mit der Erfindung zu lösende und gelöste Probleme, Merkmale und Vorteile

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der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig.l die Verwendung eines ebenen Spiegels zur Bildung des Streifenmusters auf der Probe;

Fig.2 die Beziehung zwischen der Beobachtungsöffnung über der Probe und der vertikalen Seitenwand des Spiegels von Fig.l;

Fig.3 eine vorzugsweise optische Anordnung zur Veränderung des Auftreffwinkels des auf die Struktur von Fig.l gerichteten Lichtes,

Fig.4 eine zweite Ausführungsform, die mit einem einstellbaren Laser arbeitet, wobei einige Komponenten dargestellt sind, die auch bei der ersten Anordnung verwendet werden können,

Fig.5 das Detektorsignal am Leiter 34 und

Fig.6 eine andere Lösung zur Erhöhung des Auflösungsvermögens einer Fersehkamera.

Gemäß Fig.l ist eine einem zu untersuchenden Muster entnommene Probe 1 schematisch dargestellt, wie sie auf einem Probenträger 2 angeordnet ist, der mit einem vertikal angeordneten Spiegel 3 mit optisch reflektierender Fläche 4 einen rechten Winkel einschließt. Im allgemeinen wird die zu beobachtende Probe nur eine kleine Teilmenge des zu untersuchenden Musters sein und über dieser Probe befindet sich eine öffnungsvorrichtung, wie sie nachfolgend beschrieben wird. Ein beispielsweise von einem Laser erzeugter einfallender kohärenter Lichtstrahl ist auf die Probe gerichtet, wie es durch die Pfeile 6 und 7 dargestellt ist. Ein entsprechender Lichtstrahl ist auf den Spiegel 3 gerichtet, wie es durch den Pfeil 8

dargestellt ist. Dieser Lichtstrahl wird am Spiegel zu dem Lichtstrahl gemäß dem Pfeil 9 umgelenkt, wobei der Ausfallwinkel des Lichtes gleich dem Einfallwinkel ist. Als Ergebnis wird ein Streumuster 11 infolge der Interferenz zwischen dem reflektierten Licht und dem die Probe direkt beleuchtenden Licht erzeugt, wobei der Interferenzwinkel eine direkte Funktion des bei 12 eingetragenen Winkels θ ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Winkel θ von etwa 70° auf nahezu Null reduziert werden, um einen weiten Bereich von "Raumfrequenzen" abzudecken. Das über den durch die Pfeile 13 und 14 dargestellte, auf einen weiten Winkel gestreute Licht wird durch eine Linse oder einen Spiegel gesammelt und auf einen photoelektrischen Detektor gerichtet, wie er in der Zeichnung nicht dargestellt aber nachfolgend erörtert wird. Die das gestreute Licht sammelnden elektrischen Glieder können eine relativ zu der endgültigen Auflösung des wiederzugebenden Bildes geringe optische Qualität haben. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten Lösungen, wie Mikroskopen, die optische Komponenten hoher Qualität notwendig machen.

Gemäß Fig.3 haben die Probenaufnahmeplatte 16 und der vertikale Spiegel 17 zur Erzeugung von Streumustern die dargestellte Zuordnung zueinander. Der zylindrische Spiegel 18 ist über der Probe und dem Spiegel angeordnet und der kohärente Lichtgenerator, wie beispielsweise der Laser 19, richtet einen Lichtstrahl auf einen drehbaren Abtastspiegel 21, der seinerseits einen Lichtstrahl aus gerichteter kohärenter Strahlung auf einen vertikalen Spiegel und über den zylindrischen Spiegel 18 auf die Probe richtet. Die Kolimationslinse 22 ist vorzugsweise zwischen dem Laser 19 und dem Abtastspiegel 21 angeordnet. Die Drehung des Abtastspiegels erzeugt ihrerseits die notwendigen Wechsel des Einfallwinkels Θ, wie oben erwähnt, und die Streuung wird mit einer veränderlichen Abstandsfrequenz zwischen den Streifen erzeugt, wie sich der Winkel Qändert. Ein nicht dargestellter Analog-Digital-Wandler ist mit dem Antriebsmechanismus des Abtastspiegels verbunden, um die genauen Werte von θ einzustellen, so daß die Fourierphaseninformation mit hoher Genauigkeit gewonnen werden kann und die

Notwendigkeit für eine Punktreferenz (point reference) vermieden ist. Um eine Phasengenauigkeit von 1/20 eines Zyklus zu erhalten, was gleichbedeutend ist mit hoher Abbildungsqualität, kann sich eine 16 bit Codiereinrichtung als ausreichend erweisen. Es ist der Hinweis wichtig, daß der Spiegel als Phasenreferenz dient, weil das Streumuster auf dem Spiegel stets ein Maximum ist. Das zu beleuchtende Objekt muß in einer Entfernung angeordnet sein, die dem zweifachen Durchmesser der Spiegelfläche oder mehr ist. Das Streifenmuster kann als ein Zieharmonikabalg dargestellt werden, von dem eine Teilseite auf der Spiegelfläche festgelegt ist, wobei der Balg ausgezogen ist, wenn die "Raumfrequenz" der Aufeinanderfolge der Streifen verringert ist, während jedem Schnitt des Fourierabstandes. Während der Winkel θ von 0 bis ti /2 Winkelgrad veränderbar ist, ist die Streifenmusterraumfrequenz von 0 bis 2 Schwingungen je Wellenlänge des Lichtes veränderbar; die Musterperiode ist gleich der Wellenlänge des Lichtes dividiert durch 2 sin Θ. Fig.5 zeigt die Intensität eines typischen Streulichtsignales S, als Funktion des Strahlwinkels 9. Bei ansteigendem 9 ist ein generelles Abfallen von Höhe und Periode festzustellen. Die Natur dieses Signales wird nachfolgend verstärkt.

Wird die Erfindung als Mikroskop verwendet, so sollte der Eingangslaserstrahl einen kleinen Durchmesser haben (beispielsweise etwa 1 mm), um die Energie zu beschränken und er sollte auf die Probe konzentriert bleiben, während er rotiert. Daraus ergibt sich, daß der zylindrische Spiegel 18 den Strahl auf die Probe und den vertikalen Spiegel richtet unabhängig von der Stellung, die der Abtastspiegel im Rotieren einnimmt. Die Aberrationen in diesem optischen System sind vernachlässigbar, wenn ein 1 mm Lichtstrahl verwendet wird, solange der Radius des zylindrischen Spiegels größer als etwa 25,4 mm (1 inch) ist. Auf diese Weise ist das Abtasten über einen Quadranten oder mehr mit einer Anordnung gemäß Fig.3 leicht möglich. Darüberhinaus wird die Vorrichtung bei allen Wellenlängen zufriedenstellend arbeiten, weil die Optik reflektierend ist mit Ausnahme der parallel richtenden Linse 22.

Es ist wünschenswert, einen Teil der gesamten Probe so zu lokalisieren, daß das Interferenzstreifenmuster auf einen solchen Teil gerichtet ist, der zeitweise als zu beobachtender Probenteil ausgewählt ist. Um eine solche Lokalisierung zu erhalten, könnte die Beleuchtungsvorrichtung mit einer Maske versehen werden, der oben erwähnte Sammler für das von der Linse kommende Licht kann in seiner Strahlung eingeschränkt werden, oder es kann eine Maske über der Probe angeordnet werden oder es kann schließlich im Fall eines Lichtdurchganges durch die Probe eine Maske unter der Probe angeordnet werden. Alternativ kann, wie nachfolgend erläutert, ein langsam wirkendes Bildauflösungssystem verwendet werden, um im Bereich der Probe mehrere Bereiche zu definieren, von denen jeder Bereich für Fourierkomponenten einzeln analysiert wird. Danach können alle der wiedergegebenen Regionen hohen Auflösungsvermögens wie die Einzelteile eines Mosaikes zusammengesetzt werden, um ein wesentlich höheres Auflösungsbild des größeren Probenbereiches zu erhalten. Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird das reflektierte Licht verwendet, um die Fourierkomponenten des Bildes wieder zu beschaffen und eine Maske wird über der Probe angeordnet. Eine solche Maske ist in Fig.2 dargestellt und mit 23 bezeichnet. Sie schließt eine Öffnung 24 ein mit einem darin gebildeten Zentralpunkt 26.

Bei der Anordnung gemäß Fig.4 richtet ein abstimmbarer Laser 27 einen Laserstrahl 28 auf eine Probe auf einem Probenträger 2 und einen vertikalen Spiegel 3. Ein mit einer Linse ausgerüsteter Sammler bzw. eine mit einer Linse ausgerüstete Zelle 31 schließt eine Linse 30 geringer Qualität ein und fokussiert das weit gestreute Licht in einen Photodetektor 32 über eine Sehfeldblende 33. Die resultierenden elektrischen Signale am Ausgang 34 des Detektors 32 werden proportional sein der Amplitude des Integrales des Lichtes, das von der Probe gestreut wird unter die Beobachtung über einen weiten Winkel. Die Wellenlänge des von dem abstimmbaren Laser 27 erzeugten Lichtes kann während eines einzigen Abtastvorganges in den Bereich zwischen 0,4 und 1,5 u liegen. Der Probenumsetzer 36 spaltet

im Ergebnis die Ausgangssignale des Photodetektors bei 34 und ein Satz Signale wird darin proportional zur Intensität des Lichtes gespeichert, das von der Probe während einer Mehrzahl von Probenintervallen innerhalb eines einzigen Abtastintervalles zerstreut wird. Der Probenträger 2 wird danach um einen Winkel κ gedreht, der typischerweise 0,01 Winkelgrad beträgt und der geschilderte Verfahrensschritt wird wiederholt, so daß Serien von Signalen gespeichert werden und zwar proportional zum gestreuten Licht für jedes Abtasten oder jeden Schnitt im Fourierraum, bis die Rotationsschritte des Probenträgers beispielsweise nach 180° beendet sind. Aus den im Ergebnis gespeicherten Daten bildet der Datenprozessor 37 Daten, die indikativ sind für die Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten der Signale und danach ist das Verfahren abgeschlossen, der Rechner überträgt die gebildeten Daten, was wiederum die Bilddaten erzeugt, die die Rekonstruktion eines optischen Bildes durch an sich bekannte Fourierübertragungsoperationen ermöglicht. Solche Bilddaten könnten auf magnetischen Datenträgern gespeichert werden, um später abgerufen zu werden oder sie könnten auf eine CRT Wiedergabeeinheit (Kathodenstrahlröhre) 40 übertragen werden, die eine optische Wiedergabe des untersuchten Probenbereiches unter Prüfbedingunqen erzeugt. Das Ausmaß des Weges, den der CRT Elektronenstrahl während eines vorgegebenen Zeitraumes zurücklegt, kann durch an sich bekannte Mittel und Maßnahmen variiert werden. Sollte eine fachkundige Bedienungsperson die Bildwiedergabe vergrößern wollen, so müßten die CRT Elektronenstrahlgeschwindigkeit und der zurückgelegte Weg vergrößert werden, um in einer Weise eine größere Probenwiedergabe zu ergeben, wie sie z.B. aus der US-PS 3,221,009 bekannt ist.

Während bei der Vorrichtung gemäß Fig.4 mit einem abstimmbaren Laser 27 gearbeitet wird, kann auch ein Laser mit konstanter Frequenz verwendet werden, wobei die optischen Anordnungen gemäß Fig.l und 3 so angeordnet sind, daß sie die beleuchtete Probe und den ebenen Spiegel umgeben, so daß mehr der Winkel der Nebenstrahlung als die Frequenz, wie oben beschrieben, verändert wird. Es wurden

jedoch die Lichtsammelvorrichtungen 30 bis 33 wie auch die übrigen Komponenten der Fig.4 in jedem Fall die gleichen bleiben.

Ein hohes Bildauflösungsvermögen für den beobachteten Bereich kann gemäß der Erfindung durch Verwendung eines Systemes mit relativ geringem Bildauflösungsvermögen, beispielsweise eine normale Fernsehkamera, erreicht werden, um innerhalb des beobachteten Bereiches Mehrfachbereiche zu definieren. Jeder Mehrfachbereich kann für Fourierkomponenten einzeln analysiert werden, die in einem Rechner verarbeitet werden in einer Weise, die ähnlich ist der Daten^ verarbeitung in anderen Bereichen der Erfindung. Die resultierenden Bereiche mit hohem Auflösungsvermögen können sich dachziegelförmig überlagern, um ein wesentlich größeres Bildauflösungsvermögen für den zu beobachtenden Bereich zu ergeben, als es an sich bei einem System mit geringem Bildauflösungsvermögen der Fall wäre.

In Fig.6 wird ein zu beobachtender Bereich 41 durch ein sinusförmig sich bewegendes Energiemuster 42 beleuchtet, das im wesentlichen den oben beschriebenen bewegten Mustern entspricht. Dieses Beleuchtungsverfahren kann erleichtert werden durch Verwendung eines Projektors oder Beleuchters 43, um das sinusförmige Bild 42 auf den zu beleuchtenden Bereich mittels eines Strahlteilers 4*4 entlang der optischen Achse 45 zu projizieren. Eine übliche, einfache Fernsehkamera 46 ist wie dargestellte angeordnet, um den Bereich 41 zu beobachten, der von dem Muster 42 beleuchtet wird. Eine Sektion der Abbildungsvorrichtung ist mit 47 bezeichnet und schließt einen Standardfernsehkamerazielschirm ein, der ein optisches Bild in ein elektronisches Videosignal umwandet. Eine solche Abbildungssektion hat eine vorgegebene Anzahl von Zielelementen, wie es an sich bekannt ist. Da die Anzahl von Zielelementen im Verhältnis zu der Anzahl der in die Sektion 47 fokussieren Bildelemente oder Bilder relativ begrenzt ist, ist es wünschenswert, das Auflösungsvermögen des von der Fernsehkamera produzierten Bildes wesentlich

zu erhöhen. Dies kann ausgeführt werden durch individuelles rechnerisches Verarbeiten der von jedem Zielelement innerhalb des abzubildenden Bereiches gesammelten Daten in der nachfolgend beschriebenen Weise. Die Fouriertransformation wird ausgeführt im Rechner 47 und die resultierenden Daten werden einem Bildschirm 48 mit hohem Auflösungsvermögen zugeführt, der ein Abbild des Bereiches 41 mit wesentlich größerem Auflösungsvermögen erbringt, als das Bild das mit der Fernsehkamera 46 ohne die Lehre der Erfindung erzeugt werden könnte.

Darüberhinaus kann es als möglich unterstellt werden, den Bereich 41 mit einem sinusförmigen Energiemuster zu "beleuchten" das nicht Lichtenergie zum Gegenstand hat, sondern eine andere Energieform, beispielsweise akustische Energie. In einem solchen Fall wäre die Fernsehkamera durch eine Reihe von Mikrofonen zu ersetzen, die mit akustischen Linsen zum Fokussieren von Schall zusammenwirken, der im Bereich 41 seinen Ausgangspunkt hat. Im Zusammenhang mit der Erfindung können aber auch noch ander Energieformen zum Einsatz kommen.

Bisher wurde die Datenverarbeitung im Rechner 37 nicht im einzelnen beschrieben, um nicht die Klarheit der Darstellung der erfindungswesentlichen Kriterien zu beeinträchtigen. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Fouriertransoformation wird es jedoch ohne weiteres möglich sein, die für die Realisierung der Erfindung notwendige Hart- und Software bereitzustellen, insbesondere nach Kenntnisnahme der weiteren, nachfolgenden Erläuterungen.

Dabei soll unterstellt werden, daß die Lösung gemäß Fig.l zur Anwendung kommt und daß dabei die Probe 1 mit einem Interferenzmuster 11 bei einem mit θ bezeichneten Winkel 12beleuchtet wird. Bei einer festen Wellenlänge λ soll eine Abtastung von »Θ = /»0° bis Θ = 70° und eine Messung des Lichtes erfolgen, das gestreut wird vom örtlichen Bereich 24 der Probe, wie es in Fig.2 dargestellt ist; der örtliche Bereich hat einen Durchmesser ω und sein Zentrum 26 hat einen

Abstand vom Referenzspiegel 4. Nach jeder Abtastung soll die Probe um einen Winkel Δ φ gedreht werden, und die Abtastung des neuen Bereiches erfolgt in der beschriebenen Weise.

Die Raumfrequenz des Beleuchtungsmusters ergibt sich nach der Gleichung

Winkelgrade/Längeneinheit.

Das am Detektor 32 erhaltene Signal ist eine phasen- und amplitudenmodulierte Sinuswelle gemäß Fig.5. Ihr Wert ist durch folgende Gleichung gegeben:

₁ (K, φ) = I_o/dxdy I (χ,ν)ω (x,y) \l + cos (Kx cosiji + Ky sinif» + Kd)[

worin bedeuten:

= der Winkel der Probenrotation relativ zur Ausgangsposi tion der Probe,

(x,y) = Übertragungsfunktion des Fensters 24, die eine Einheit

innerhalb und Null außerhalb des Fensters ist,

I(x,y) = die Zielintensität des Musters, die zu bestimmen ist,

I = eine Konstante, die proportional ist zum Durchschnitts

intensitätsniveau des Signales,

(l + cos(Kxcos ^i ...J = auf dem Ziel einfallendes Randmuster.

Ziel der Datenspeicherung und -verarbeitung ist die Verwendung des Signales S, (K,A) für eine Anzahl von Werten K und j), um Informationen über die Zielintensität I(x,y) zu erhalten.

In diesem Fall ändert das Signal S₁ während einer Abtastung zu jeder Zeit und Kd

ändert sich um 1/4 Zyklus CJT /2 Winkelgrad).

Das entspricht einem Wechsel des Winkels entsprechend

^aö ~ 4d cps (9/2)

Proben werden "näher" bei θ für kleine Werte von θ und weiter von θ entfernt, wenn sich θ 70° nähert, weil sich K bei größeren Winkeln langsamer mit Qändert.

Schritt ο von 0 zu 7^ Winkelgraden (180°) in Einheiten von 2t/(j Winkelgraden, wobei r = schmälstes Probenelement (Auflösungsvermögen) ist für das endgültige Bild notwendig.

Digitalisieren und Speichern aller Messungen des Detektorsignales S..

Mit den gespeicherten Daten kann man für I(x,y) wie folgt auflösen:
Für jeden ψ Wert wird gerechnet

^iEK

S₂C Z, J) = I S₁ (K, j) e

Darin sind i = y-l und Z ist eine Variable entsprechend einer Position inenrhalb des Probenfensters. Die Berechnung der obigen Summe für alle Werte von Z wird dargestellt durch die Gleichung

ά -(J /2^Z^d + io /2 in Schritten von r.

S₇ (Z (J)) repräsentiert eine partielle Wiedergabe des Probenbildes entlang einer Winkelrichtung j>.

Die nächste Berechnung ist

S, (K, 4>) =r^: 5_ (Z + d,<p; e

Z = "^Ul2

Worin Z ist gestuft in Einheiten von r.

Die Berechnung der obigen Summe für alle Werte von K ist durch die folgende Gleichung gegeben:

ir tJ

r - - r

Wobei K gestuft ist in Eheiten von 2

Ui

S, ist nun einschnitt in der Fouriertransformation der Probenintensität I(x,y) entlang der Richtung «.

Die Transformation von S. zu S_ zu S, hat den sinusförmigen Träger vom Signal entfernt und die üblichen Fourierkomponenten des Probenbildes wiedergegeben.

Man kann nun das Bild Kx,y) in polaren Koordinaten (P, ^) durch folgende Gleichung finden

-rr/r «rr ·,

Kp₁ φ ) = X £ KS (K φ¹) e ^{iK cos (}Φ~Φ )

Diese Summe sollte entwickelt werden mit K und (j> gestuft in Einheiten von 2 TTIω bzw. 2tIω .

Um das Bild I(X,Y) in normalen rechtwinkligen Koordinaten aufzufinden wird χ + y und φ = tan ~1 (y/x) und die Summe für jeden Koordinatenpunkt (x,y)

ermittelt.

Zusammenfassend kann die Erfindung mit ihren wesentlichen Merkmalen nochmals wie folgt gekennzeichnet werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Mikroskop, bei dem jedoch übliche optische Elemente keine Anwendung finden. Eine zu untersuchende Probe unterliegt einem beweglichen Beleuchtungsmuster mit aufeinanderfolgenden hellen und dunklen Interferenzstreifen, wobei die Raumfrequenz während der Bewegung der Streifen über die Probe in einer ersten Richtung variiert, um die Sinuskomponenten des optischen Bildes der Probe zu erhalten. Das von der Probe reflektierte Licht wird von einem Weitwinkellichtdetektor gesammelt, um elektrische Signale zu erzeugen, die ihrerseits wieder zu der Speicherung eines Satzes von Signalen führen, die proportional zu der Intensität des von der Probe während einer Mehrzahl von Signalintervallen sind. Ein anderer Satz von Signalen wird gespeichert, nachdem die Richtung der Relativbewegung zwischen dem Muster und der Probe um beispielsweise etwa 1° verändert wurde. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis elektrische Daten für eine angemessene Anzahl von "Fourierblättchen" über der Probe gespeichert sind. Daten, die indikativ sind für Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten der resultierenden Signale werden extrahiert und eine Fouriertransformation wird danach ausgeführt, um Bildwerte zu erzeugen, die eine optische Bildwiedergabe der Probe mit hohem Auflösungsvermögen ermöglichen.

3. Oktober 1984

Claims

H 100 P. 100 Anmelder: Richard A. Hutchin, 56 Framingham Road, Marlboro, Massachusetts, Vereinigte Staaten von Amerika Bezeichnung der Erfindung: Vorrichtung zum Erzeugen von Bildern mit hohem Auflösungs vermögen ohne Präzisionsoptiken Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen der Wiedergabe eines optischen Bildes einer zu beobachtenden Probe, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte

a) die Probe wird einem sich bewegenden sinusförmigen Intensitätsmuster bekannter Phase und mit einander abwechselnden Hell-Dunkel-Interferenzstreifen ausgesetzt, wobei die Raumfrequenz während der Bewegung des Musters über die Probe in einer ersten Richtung sich zwischen einem ersten und einem zweiten Wert verändert;

b) Speicherung eines Satzes von Signalen proportional zur Intensität des von der Probe während einer Mehrzahl von Prüf intervallen ausgehenden Lichtes im Anschluß an Verfahrensschritt a;

c) Änderung der Richtung der Relativbewegung zwischen der Abbildung des Musters und der Probe unter Wertung durch vorgegebene Winkel und Wiederholen der Schritte a und b nach jedem Richtungswechsel;

d) Extrahieren von Daten, die indikativ für Phasen- und Amplitudenwerte zumindest einiger der Fourierkomponenten der aus den Schritten a, b und c sich ergebenden Signale sind;

e) Fourierumwandlung der für die Phasen und Amplitudenwerte indikativen Daten, um Bilddaten zu erzeugen, die eine Rekonstruktion des optischen Bildes der Probe ermöglichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Erzeugung eines optischen Bildes der zu untersuchenden Probe als Antwort auf die Erzeugung der Bilddaten, die bei Durchführung des Schrittes e erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch die Verwendung der Bilddaten zum Modulieren eines Licht erzeugenden Strahles.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht erzeugende Strahl um ein MaG verschwenkbar ist, das ausreicht, um ein vergrößertes Bild der zu beobachtenden Probe zu erzeugen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Schrittes b über einen großen Winkelbereich Licht gesammelt und integriert wird, das während der Durchführung des Schrittes a von der in Auswertung befindlichen Probe ausgeschickt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe ein Bereich ist, der zu beobachten ist, der dem Muster mit den alternativen Streifen aus maximalen und minimalen Signalamplituden ausgesetzt ist und daß das von dem Bereich ausgehende Licht die Form von Wellenenergie hat.

7. Vorrichtung zum Erzeugen der Wiedergabe eines optischen Bildes einer zu beobachtenden Probe, gekennzeichnet durch ein Mittel (3;18;28;44), mit dem die Probe (1;16;41) einem bewegten, sinusförmigen Muster ausgesetzt ist, das abwechselnd helle und dunkle Bänder bekannter Phase mit einer Raumfrequenz hat, die während jeder Bewegung des Musters über die Probe in verschiedenen Richtungen einen ersten und einen zweiten Wert hat; gekennzeichnet durch ein Mittel (36;46) zur Speicherung eines Satzes von Signalen, die proportional der Intensität des Lichtes sind, das von der Probe während jedes Durchganges des

Musters über die zu untersuchende Probe in jeder Richtung ausgeht; gekennzeichnet durch ein Mittel (37;47) zum Gewinnen von Daten, die indikativ für Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten der vom Speichermittel gespeicherten Signale sind; und gekennzeichnet durch ein Mittel zur Fouriertransformation der Daten, die indikativ sind für die Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten der Signale, die von dem Speichermittel gespeichert sind, um Bilddaten zu erzeugen, die die Rekonstruktion des optischen Bildes der zu beobachtenden Probe ermöglichen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daQ das Mittel, mit dem die Probe einem Muster ausgesetzt wird, ein Licht reflektierendes Mittel einschließt, das quer zur Ebene angeordnet ist, in der die Probe angeordnet ist, in einem vorgegebenen Abstand von dieser Ebene, um die Phase des Musters bezüglich der Position der zu beobachtenden Probe zu bilden, wobei ein Licht erzeugendes Mittel vorgesehen ist, um gleichzeitig das Licht reflektierende Mittel und die zu beobachtende Probe mit kohärentem Licht zu beleuchten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Lichtstrahlsteuermittel zur Veränderung des Winkels des Lichteinfalles des kohärenten Lichtstrahles gegenüber dem Licht reflektierenden Mittel, um auf der zu beobachtenden Probe ein Unterferenzmuster zu bilden, dessen Ortsfrequenz sich wie der Einfallwinkel ändert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Mittel einen ebenen Spiegel (3) einschließt, der im wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist, in der sich die Probe befindet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallwinkel zwischen 0 und 70° liegt und zwar während jeder Bewegung des Gitters über die Probe während der Untersuchung.

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12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daQ das den Lichtstrahl steuernde Mittel einen zylindrischen Spiegel (18) einschließt, der über dem Licht reflektierenden Mittel und der zu untersuchenden Probe angeordnet ist und daß das den Lichtstrahl steuernde Mittel einen rotierbaren Abtastspiegel (21) einschließt, der entlang der optischen Projektionsachse des den Lichtstrahl erzeugenden Mittels angeordnet ist, um das Licht an der zu untersuchenden Probe über den zylindrischen Spiegel umzulenken, wobei der Einfallwinkel nach einer Rotation des Abtastspiegels veränderbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Lichtkoüimator (22) zwischen der Lichtquelle und dem rotierbaren Spiegel (21).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Lichtstrahl erzeugende Mittel ein Mittel zur Änderung der Wellenlänge (42) des Lichtstrahles zur Erzeugung des Interferenzmusters mit veränderbarer Raumfrequenz auf der zu beobachtenden Probe einschließt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der Führung des Musters über die zu beobachtende Probe um einen Winkel von etwa 0,01 Winkelgrad abweichen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufzeichnungsmittel eine Eingangsvorrichtung aufweist, die einen Lichtübertrager einschließt, der Licht integriert, das von der zu beobachtenden Probe über einen größeren Winkel ausgeschickt wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei die Probe ein zu beobachtender Bereich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufzeichnungsmittel eine Fernsehkamera (46) mit einer vorgegebenen Anzahl von Zielelemnten im

Bildbereich zur Auflösung des optischen Abbildes des Bereiches einschließt; daß das Mittel (47) zur Gewinnung eines Satzes von Daten, die indikativ sind für Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten einen Satz von Daten liefert und daß das Mittel zur Fourierumformung des Satzes der Daten, die indikativ sind für die Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten der von dem Speichermittel gespeicherten Daten", Bilddaten erzeugt, die eine Rekonstruktion eines optischen Bildes des Bereiches ermöglichen, dessen Auflösungsvermögen wesentlich größer ist, als das der Bilder und die die Fernsehkamera zu ergeben vermag.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei die Probe ein zu beobachtender Berich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Aufzeichnung eine Reihe von Energiedetektoren mit einer vorgegebenen Anzahl von Elementen in der Bildsektion zum Auflösen des Bildes des Bereiches einschließt zusammen mit einem Mittel zum Fokussieren der Signale auf die Reihe der Energiedetektoren; daß das Gewinnungsmittel der Gewinnung von Daten dient, die indikativ sind für Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten der von jedem der Zielelemente des Aufzeichnungsmittels aufgenommenen Signale und daß das Mittel zur Fouriertransformation der Daten, die indikativ sind für die Phasen- und Amplitudenwerte der Fourierkomponenten der von dem Aufzeichnungsmittel gespeicherten Signale eine Rekonstruktion des Bildes des Bereiches ermöglicht, die ein wesentlich größeres Aufbringungsvermögen hat als die Bilder, die die Reihe der Detektoren aufzulösen vermag.

3. Oktober 1984