DE3447467A1

DE3447467A1 - Abtastmikroskop

Info

Publication number: DE3447467A1
Application number: DE19843447467
Authority: DE
Inventors: Martin Alan St. Bees Cumbria Brearley
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-07-03

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Abtastmikroskope und speziell,jedoch nicht ausschließlich Abtastmikroskope für die Verwendung bei der Handhabung von radioaktiven Materialproben oder Material.

Gemäß einem Aspekt nach der vorliegenden Erfindung umfaßt das Abtastmikroskop eine Quelle für kohärente elektromagnetische Strahlung, eine Einrichtung zur Abstützung eines zu betrachtenden Gegenstandes (Objektträger), eine Einrichtung zur Aufnahme eines parallelen Strahlenbündels der Strahlung von der Quelle, die dafür eingerichtet ist, die Strahlung auf das Objekt zu fokussieren, eine auf die Strahlung vom Objekt ansprechende Einrichtung, um ein Bild des Objektes zu formen, und eine Einrichtung zur Durchführung einer relativen Bewegung zwischen der Fokussierungseinrichtung und dem Träger für die Abtastung des Objektes.

Die Strahlung kann von dem Objekt reflektiert werden oder durch das Objekt hindurch übertragen werden.

Bei einer Anoxdnung wird der Träger in Bewegung gesetzt, um eine Bild-Abtastung zu erhalten und die Fokussierungseinrichtung wird in Bewegung gesetzt, um eine linienförmige Abtastung bzw. Zeilenabtastung zu erhalten.

Vor der Fokussierung kann die Strahlung polarisiert werden und es können Mittel vorgesehen sein, um die Polarisationsebene zu drehen, um beispielsweise unterschiedliche Bildformen zu erhalten.

Ferner kann ein Sichtdarstellelement vorgesehen sein und

aShängig von der Relativbewegung bewegt werden und die Intensität der Darstellung kann von der Strahlung vom Objekt bzw. Gegenstand abhängig gemacht werden.

Auf diese Weise wird ein vergrößertes Bild des Gegenstandes oder Objektes Element für Element entsprechend der Bewegung kartographisch dargestellt oder ausgearbeitet.

Die Abtasteinrichtung kann eine Kapazität aufweisen, die sich in Abhängigkeit von der Zeilenabtastung ändert.

Die auf die Strahlung ansprechende Einrichtung kann einen Strahlteiler umfassen, durch den das parallele Strahlenbündel hindurchtritt, eine Photodiode, um von dem Strahlteiler die vom Objekt reflektierte Strahlung aufzufangen, und ein Sichtanzeigegerät, welches an die Photodiode angeschlossen ist, um ein Bild des Objektes oder Gegenstandes darzustellen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein optisches Abtastmikroskop nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems zur Handhabung radioaktiver Materialproben;

"1.

Fig. 3 einen Teil der Fig.2 in vergrößertem Maßstab; Fig. 4 ein Abbildungssystem;

Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform; und 35

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform.

In Fig.1 ist ein Laser mit niedriger Energie mit L. bezeichnet, von welchem ein Ausgangs-Strahlenbündel 10 sich ausbreitet und durch eine StrahlaufWeitungsvorrichtung 01 verläuft, um ein paralleles Strahlenbündel 11 monochromatischen Lichtes zu erzeugen.

Der Strahl wird auf einen kleinen Punkt (z.B. 1 /um) durch eine Linse L2 fokussiert, die an dem Ende eines Abtastarmes 05 befestigt ist. Der Punkt oder Lichtfleck liegt auf der Fläche einer Probe S1. Wenn die Linse L2 vorwärts und rückwärts über der Probe bewegt wird bzw. eine Abtastung durchführt, werden unterschiedliche Bereiche des Strahlenbündels 11 fokussiert, um dadurch den Abtastpunkt bzw. Abtastfleck zu erzeugen. Die mit durchgehender Linie gezeigte Position und die mit strichlierter Linie gezeigte Position der Linse L2 geben die Grenzen der Abtastbewegung an. Die von der Probe reflektierten Strahlen verlaufen über den gleichen Pfad zurück und zwar durch die Linse L2 und werden von einem Strahlteiler 03 reflektiert, um ein Strahlbündel 11a zu erzeugen, welches durch eine Linse 04 verläuft und auf eine Photodiode d.. trifft und über einen Verstärker zur Anzeigeeinheit 70 gelangt. Die Diode d.. erzeugt ein analoges elektrisches Ausgangssignal, welches zu einer Sichtanzeigeeinheit gelangt, die ein Sichtanzeigeelement enthält, welches abhängig von der relativen Bewegung zwischen der Linse und einem Träger für die Probe bewegt wird, wobei die Darstellintensität des Elementes von dem Signal der Diode abhängig ist.

Eine Ausführungsform der Abtastanordnung ist in Fig.3 gezeigt. Die Linse L2 ist an einem Arm 05 befestigt, der an einem Torsionsstab 51 befestigt ist, welcher in einer Konstruktion 52 befestigt ist. Das andere Ende des Armes 05 verläuft zwischen zwei Elektromagneten 53, 54, die selektiv durch einen Leistungsverstärker 55 erregt werden können, um den Arm 51 zwischen Grenzen in seiner Eigenfrequenz'in

Vibration zu versetzen mit beispielsweise 200 Hertz. Die Linse L2 beschreibt somit -einen Bogen in einer Ebene parallel zur Probenfläche (zum besseren Verständnis ist die

Probe mit Abstand von ihrem Träger 61' veranschaulicht) . 5

Die Materialprobe oder der Objektivtisch oder Objektträger 61 wird hin und her bewegt (mit einer Periode von etwa 7 Sekunden) und zwar in der Y-Richtung mit Hilfe eines Motors 62, wobei ein Wandler 63 auf die Bewegung in Y-

'0 Richtung anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt. Die Bewegung (X) der Linse L2 und die Bewegung in Y-Richtung der Materialprobe verlaufen beide in rechten Winkeln zur optischen Achse 64. Da die Materialprobe nicht mit der hohen Frequenz für die Linsenabtastbewegung bewegt wird, werden entsprechend teure und leistungsstarke Zeilenabtasttreibereinrichtungen nicht benötigt.

Die Position des Armes 05 wird durch Positionsfühler 56,57 in der X-Richtung gemessen und durch den Wandler 63 für die Y-Richtung und diese Fühler können eine analoge Ausgangsgröße oder eine digitale Ausgangsgröße je nach Wunsch vorsehen. Beispielsweise kann der Wandler 63 eine Gitter-Lehre (grating gauge) enthalten; und die Fühler 56, 57 können aus leitenden Platten bestehen, wobei eine zentra-Ie Platte 58 Änderungen in der Kapazität zwischen den Teilen 56 und 58 und zwischen den Teilen 57 und 58 erfaßt und die in Zuordnung zu einem Ladeverstärker ein Ausgangssignal vorsehen, welches die Bewegung in der X-Richtung wiedergibt. Das Abbildungssystem kann so ausgeführt sein, daß nicht orthogonale Bewegungen in X-, und Y-Richtung kompensiert werden. Die Ausgangssignale gelangen zu einer Darstelleinheit 70 und bewegen den Darstellpunkt oder Darstellfleck in entsprechender Weise in X-und Y-Richtung. Die Intensität des Lichtfleckes wird abhängig vom reflektierten Licht von der Materialprobe S1 modifiziert, wel-• ches von der Photodiode d.. aufgefangen wird und die Dar-

*

• stellung am Schirm der Einheit 70 wird beispielsweise photographiert, um ein dauerhaftes Bild zu erzeugen. Die Dauer der Belichtung wird so eingestellt, daß sie einer einzelnen Rahmenabtastung (Y) entspricht, so daß also das Bild aufgebaut wird und auf einem Negativ gespeichert wird. Das Signal kann auch zu einem Videospeicher geführt werden, so daß dann die angesammelten Darstellungen bzw. die Gesamtdarstellung betrachtet werden kann.

Durch sorgfältige Auswahl der Laser-Fokussierungslinse L2 kann erwartet werden, daß eine Lichtfleckgröße von nur 0,8/um mit einem Heliumneon-Laser erreicht werden kann. Es kann auch ein Nickel-Cadmium-Laser, der Licht im UV-Bereich aussendet oder eine Rontgenstrahlguelle verwendet werden, um noch eine höhere Auflösung zu erreichen ^

Es kann auch ein "Oberwellen-Abtastmikroskop" verwendet werden. Diese Anpassung des optischen Abtastmikroskops kann zu einer Auflösung führen, die oberhalb der klassischen Grenze liegt, welche durch das Beleuchtungslicht gesetzt wird. Der Betrieb dieses Mikroskops basiert auf den Eigenschaften bestimmter Kristalle, bei denen ein Symmetrie-Zentrum fehlt, so daß Harmonische-Lichtfreguenzen bei hohen Lichtintensitäten erzeugt werden. Das von der Probe in der Grundfreguenz reflektierte Licht wird ausgefiltert und es wird ein Bild der Probe auf dem normalen Weg unter Verwendung des Oberwellen-Lichtes aufgebaut.

Der Zweck der Linse L2 besteht einfach darin, das parallel verlaufende Licht zu fokussieren und die Linse braucht daher nicht aufwendig korrigiert zu sein. Sie kann auch durch ein Beugungsgitter ersetzt werden und die Größe des Abtastarmes kann reduziert werden oder kann durch einen Piezo-Zweielementkristallstreifen (piezo bi-morph-strip) ersetzt werden. Das sich dabei ergebende System kann auf sehr viel höheren Freguenzen schwingen und kann daher ein

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Biiä in einer höheren Vollbildfrequenz als die Anordnung nach Fig.1 erzeugen.

Es können auch Mittel vorgesehen sein., wie beispielsweise ein Elektromagnet 72, der oberhalb oder unterhalb des Abtasters angeordnet oder befestigt ist, um die Lage der Linse L2 in einer Richtung parallel zur optischen Achse zu ändern, um eine Fokussierung durch Anwenden einer Biegebewegung hinsichtlich des Endes des Abtastarmes 0.5 zu erreichen. Der gleiche Mechanismus kann dazu verwendet werden, die Fokussierung während der Periode einer Abtastung zu halten.

Gemäß den Figuren 1 und 3 ist ein Elektromagnet 71 auf der optischen Basis 61 dicht bei einem Weicheisen-Polteil 72 mit geringem Gewicht befestigt, wobei dieses Polteil am Ende des Abtastarmes 05 befestigt ist. Wenn durch die Wicklung 71 Strom hindurchgeschickt wird, wird der Abtaster nach oben in der Z-Richtung gezogen. Eine automatische Fokussierung wird von einem Quadrant-Diodendetektor d₂

(Fig.5) in der folgenden Weise abgeleitet bzw. realisiert: Das bereits aufgeteilte rückkehrende Strahlenbündel wird am Strahlteiler 06 aufgeteilt und gelangt zu einer schwachen Zylinderlinse 07, die zwischen den Strahlteiler 06 und der Photodiode d„ angeordnet ist. Der auf diese Weise eingeführte Gesamt-oder Brutto-Astigmatismus verleiht dem rückkehrenden Strahlenbündel eine asymmetrische Einhüllende, die dazu verwendet wird, um dem Steuersignal für die Wicklund oder Spule eine Richtung zu geben.

Ein Mikroskop vom Abtasttyp wird von Natur aus ferngesteuert und ist speziell für die Prüfung radioaktiver Materialproben in abgeschirmten Zellen geeignet. Die einzige Verbindung zwischen dem Steuerpult 20 der Fig.2 und den in der Zelle gelegenen Teilen besteht aus einem Bündel von Steuerkabeln 22. Die optischen Verlängerungsrohre, die dazu verwendet

• werden das Bild von einem herkömmlichen Mikroskop von der abgeschirmten Zelle oder Kammer nach außen zu bringen, sind nicht erforderlich. Die Ausgangsgröße liegt in Form eines elektronischen Signals vor, welches auf einfache Weise mit einem Rechner verbunden werden kann, um eine automatische Meßung, eine Bildanalyse oder Verarbeitung vorzunehmen. Die Einrichtung ist sehr viel kleiner und kompakter ausführbar und nicht an die Zellenwand gebunden. Im Gegensatz zur herkömmlichen an die Zelle oder Kammer gebundenen Mikroskopen, kann die Ausrüstung von den Kabeln abgetrennt werden, nach Bedarf in der Zelle oder Kammer umher bewegt werden, ersetzt werden oder entfernt werden. Dies hat eine große Auswirkung auf die Wartungskosten und führt zur Vereinfachung der Strahlenschutzverfahren oder Strahlenüberwachungsverfahren für die Wartungsvorbereitung.

Fig. 2 veranschaulicht wie das Mikroskop in der Zelle oder Kammer aussehen kann. Die Bedienungsperson steht lediglich vor der Kammer oder Zelle für eine kurze Zeitdauer während die Materialprobe auf das Mikroskop gelegt wird.

Es existiert ein Bereich 80 mit niedriger Strahlung, ein Bereich 81 mit mittlerer Strahlung, ein Bereich 82 mit hoher Strahlung und eine Optik-Kammer oder Raum 83 mit einer Laserquelle L1.

Das optische Abtastmikroskop verwendet eine Laser-Lichtquelle. Der Leistungspegel kann aus einem großen Bereich ausgewählt werden und kann um Größenordnungen heller sein als herkömmliche Mikroskoplampen. (Hochleistungslaser werden nicht dazu verwendet herkömmliche Mikroskope zu beleuchten aufgrund der Gefahr einer Augenverletzung). Das gesamte Licht wird nach unten auf einen Punkt oder Fleck in der Größenordnung von 1 /im Burchmesser fokussiert, so daß das Reflexionssignal selbst bei einem schwachen Reflektor groß sein kann verglichen mit anderen Mikroskoptypen.

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T Dies führt zu zwei Vorteilen des optischen Laserabtastmikroskops.

a) Der Detektor-Verstärker braucht nur eine geringere Ver-Stärkung zu haben, und es wird damit der Rauschabstand (Signal-zu-Störsignal Verhältnis) des Bildes höher.

b) Die übliche Schwärzung der Objektivlinse eines Mikroskops bei Beleuchtung mit einer Strahlung reduziert eventuell die Bildintensität auf einen solchen Wert, daß die Objektivlinse ersetzt werden muß. Dies ist aber kein Problem in Verbindung mit dem optischen Abtastmikroskop, da ausreichend Licht zur Verfügung steht, um dieses automatisch zu steuern, um eine konstante Intensität über die gesamte Lebensdauer des Mikroskops hinweg vorzusehen.

Die Eigenschaften des zuvor erläuterten optischen Abtast- * mikroskops sind insbesondere von Bedeutung, wenn die Probe in polarisiertem Licht mit "Kreuzpolarisierung" (Dunkelfeld) beobachtet wird.

Bei dieser Situation ist es nicht unüblich, daß die Bildintensitäten um Größenordnungen geringer sind als im Normälfall und häufig ist die Arbeitsleistung der herkömmlichen Ausrüstung schwerwiegend eingeschränkt.

Für radioaktive Arbeit ist bei dem Mikroskop 30 keine Anforderung gestellt, wenn es sich nicht um ein herkömmliches Mikroskop handelt, um Linsenänderungskontrollen durchzuführen. Die Teile des Mikroskops 30, die in der Zelle oder Kammer 21 gelegen sind, sind billig und von geringer Größe und diese Merkmale treffen für eine nicht nukleare Verwendung zu. Es kann daher ins Auge gefaßt werden, daß in der Zelle oder Kammer ein Ersatzmikroskop 31 in Bereitschaft gehalten wird. Dies bedeutet, daß ein Mikroskop immer für . die Verwendung zur Verfügung steht.

Wenn ein herkömmliches Mikroskop verwendet wird, hat die Bedienungsperson nur eine begrenzte Steuermöglichkeit hinsichtlich des Bildes im Okular. Um die Vergrößerung zu ändern, muß die Bedienungsperson entweder das Okular oder das Objektiv austauschen. Bei einem hinter einer Abschirmung angeordneten Mikroskop ist dies ein zeitaufwendiger Vorgang, wenn die Forderung besteht, die Vergrößerung häufig nach oben und nach unten zu ändern. Bei einem optischen Abtastmikroskop ist jedoch die Vergrößerung keine Funktion der Linsenbrennweite, sondern sie wird schnell und einfach vom Steuerpult 20 aus durch Ändern der Empfindlichkeit der Lage-Meßwandler gesteuert. Dies hat zur Folge, daß das Videosignal über einen größeren oder kleineren Bereich des Anzeigeschirmes dargestellt wird.

Die Anordnung ist speziell für einen Betrieb mit polarisiertem Licht geeignet. Die Laserquelle LI sendet polarisiertes Licht aus und ist so angeordnet, daß die Polarisationsebene der Ebene der maximalen Übertragung des polarisierten Lichtes des Strahlteilers 03 entspricht. Eine veränderbare Phasenverzögerungseinrichtung (Soleil Babinet Compensator) 02 schafft die Möglichkeit,die Polarisationsebene über einen Winkel θ zu drehen. Das Strahlenbündel verläuft ein zweites Mal durch die Phasenverzögerungsvorrichtung 02 und wird erneut um einen Winkel θ gedreht. Wenn 2Θ = 90°, wird das gesamte von der Probe reflektierte Licht zur Photodiode d1 durch den Strahlteiler 03 reflektiert. Wenn 2Θ = 180°, wird nur Licht, welches um 90° durch die Probenstruktur gedreht wurde, von der Diode aufgefangen (der größte Teil des Lichtes wird durch die Probe über den Strahlteiler zurück zur Laserquelle reflektiert und wird aus Sicherheitsgründen, wenn dies erforderlich, ist, gedämpft) . Diese Bedingungen werden dazu verwendet, um ein Bild von Proben zu erzeugen, bei denen die Polarisationsebene gedreht wird, um die Oberflächenstruktur der Proben sichtbar zu machen. Die Probe kann nun durch Drehen der Vorrichtung

analysiert werden, wobei das von der Materialprobe gedrehte Licht zu den Bilddektoren d1 gelangen kann.

Bei bestimmten Fällen wie beispielsweise bei transparenten biologischen Materialproben kann ein Bild der inneren Struktur dadurch erhalten werden, indem die Strahlung erfaßt wird, die durch die Materialprobe hindurchgeschickt wurde und somit nicht reflektiert wurde, wobei die Photodiode so angeordnet wird, daß sie die hindurchgetretene bzw. übertragene Strahlung auffängt.

Fig. 4 zeigt Einzelheiten des Rechner-Bilderzeugungssystems für das Mikroskop. Die X-Abtastposition und das Videosignal 91 werden in einem Zeilen-Pufferspeicher 90 gespeichert, um abtastmäßig eine sinusförmige Abtasteingangsgröße in eine Raster-Abtastung oder Abtastgröße umzuwandeln. Das y Sägezahnsignal 92 wird ebenfalls nicht direkt eingegeben, sondern wird gezwungen über eine Rückkopplungsregelung einem Raster-Sägezahn bzw. linearen Spannungsanstieg zu folgen. Die Inhalte des Speichers werden fortwährend zu einem 1000 Zeilenmonitor 94 über einen Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog-Wandler 93 ausgelesen. Gleichzeitig wird durch die Lese/Schreib-Operation die Möglichkeit geschaffen, das Bild zu betrachten, während es in dem Speicher gebildet wird. Dies ist für die Überprüfung der Fokussierung vorteilhaft und schafft die Möglichkeit, daß die Materialprobe über eine Abtastung teilweise bewegt wird. Das ursprüngliche langsame Abtastbild kann auf dem Bildschirm 70 unter Verwendung eines elektronischen Photoaufzeichnungsgerätes 95 dargestellt werden, welches die Möglichkeit einer Synchronisation der Bildabtastung mit der Zeilenabtastung eines Oszillators (400 Hz) gibt; dadurch kann der gleiche Video-Monitor als Photoaufzeichnungsmodul durch Photographieren des Bildschirmes verwendet werden. Ein Tastenfeld 96 bietet eine Steuerungsmöglichkeit des Systems über den Rechner

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Die*Bilder können auch auf einer Magnetscheibe 97 gespeichert werden, die zu dem und von dem Bildspeicher 98 bewegt werden kann und es können nach Wunsch Kopien von der Video-Photoaufzeichnungseinrichtung 94 erhalten werden.

Linsen-Aberrationen

Viele optische Abtastsysteme basieren auf herkömmlichen Richtlinien der Bilderzeugung eines Objektes unter Verwen-

IQ dung einer Linse, wobei dann dieses zweidimensionale Bild abgetastet wird. Das zuvor erläuterte System ist insofern anders als der Zwischenschritt weggelassen ist und ein Bild so lange nicht geformt wird, bis die Daten den digitalen Speicher erreichen. Dies wird durch Verwendung eines paralel-

-jg len Strahlenbündels und durch Abtasten im rechten Winkel zur optischen Achse erreicht. Die Objektivlinse L2 fokussiert dann ein paralleles Strahlenbündel auf einen hinsichtlich der Beugung begrenzten Fleck und es wird das reflektierte Licht aufgefangen. Die Aberrationen des Astigmatismus oder

ng Coma der Linse treten somit nicht in Erscheinung, die jedoch dann auftreten würden, wenn die Linse zur Abbildung eines zweidimensionalen Objektes verwendet würde. Darüber hinaus sind auch chromatische Aberrations-Ungenauigkeiten nicht vorhanden und zwar aufgrund des Einlinienspektrums des Lasers. Das Ergebnis besteht darin, daß die einzige bedeutsame Aberration aus der sphärischen Aberration besteht, die jedoch in einem großen Ausmaß korrigiert werden kann. In gleicher Weise kann die Linse auch hinsichtlich einer maximalen Brennweite berechnet werden, wobei dennoch eine

7Q hinsichtlich der Beugung begrenzte Qualität bzw.Leistung beibehalten werden kann. In der Praxis besteht zwischen der verwendeten Linse L2 und der Materialprobe S1 ein Spielraum 3 mm verglichen mit einem normalen Hochleistungsobjektiv von 1 mm.Eine weitere Folge davon besteht darin, daß ' das Abtastmikroskop dafür geeigent ist, um Bruchflächen abzubilden, wenn bei Verwendung eines herkömmlichen Mikroskops

Ί vorspringende oder vorragende Teile nicht die Möglichkeit bieten, einen ausreichenden Zwischenraum vorzusehen.

Ein photographisches Aufzeichnungsmedium wurde bereits früher erwähnt. Jeglicher Versuch Messungen von einem photographischen Film abzunehmen, würde zu Fehlern führen und zwar aufgrund der Kennlinien der Kathodenstrahlröhre einer Kamera und des Films, wobei dieser Fehler beispielsweise einige Prozent betragen kann. Ein weiterer Vorteil des Abtastmikroskopsystems wird erreicht, wenn diese Messungen oder Manipulationen hinsichtlich der Bilddaten vorgenommen werden, wenn diese in einem Digitalspeicher wie beispielsweise dem Speicher des Rechners gespeichert sind. Ein derartiges Rechnersystem kann dazu ausgelegt sein, daß sich eine Genauigkeit von 0,1% erreichen läßt. Die Grenze der Bilderzeugungsgenauigkeit wird dann durch die folgenden Parameter bestimmt:

a) Räumliche Linearität und Auflösungsvermögen, 20

b) Grauskala-Linearität und Auflösungsvermögen.

Bei der vorliegenden Anordnung werden eine Reihe von optischen Bild-Aberrationen dadurch vermieden, indem kein optisches Bild erzeugt wird und indem ein paralleles Strahlenbündel verwendet wird. Ferner werden Linearitätsfehler, die bei eindimensionalen und zweidimensionalen Detektoren auftreten können wie beispielsweise bei Video-oder bei Fernsehkameras, durch Verwendung eines Einzelpunktdetektors vermieden. Die Raumlinearität hängt somit lediglich von den Eigenschaften und Kennlinien des Positionsmeßsystems ab. Es können eine Reihe von Positionsmeßinstrumenten bei dem Mikroskop zur Anwendung gelangen. Die folgenden Anforderungen sollten dabei jedoch berücksichtigt werden:

a) Maximale Linearität.

*

ι b) Maximales Auflösungsvermögen

c) Hohe Geschwindigkeit (200 kHz im Falle der X-Abtastung), und

d) keine Berührung oder leichtes Gewicht, um die Arbeitsleistung des Abtasters nicht nachteilig zu beeinflussen.

Die MeßVorrichtungen können entweder analog oder digital arbeiten, was von den Anforderungen hinsichtlich der Schnittstelle abhängig ist.

Zusätzlich kann ein alternatives System eine X-Abtaster-Position ableiten, die angenoramenexmaßen als sinuswelle geliefert wird, während die Y-Position aus eii^er Sägezähnspannung bzw. einer glatten linear ansteigenden Spannung bestehen kann. Auf diese Weise lassen sich ein hoher Störabstand (Signal-zu-Störsignal-Verhältnisse) erhalten, möglicherweise mit einem Kompromiß hinsichtlich der Linearität.

Die folgenden Instrumententypen genügen den zuvor erläuterten Anforderungen für eine Positionsmeßuhg:

Optisch Interferometer

Gitter Spiegel-Ablenkung

Magnetisch Induktivität

Wirbelstrom

Hall-Effekt -_: 30

Elektronisch Beschleunigungsmesser

Dehungsmeßstreifen

Kapazität

Die räumliahe Auflösung wird andererseits letzten Endes durch die Größe des Abtastfleckes oder Punktes begrenzt.

T Bei dem vorliegenden System kann diese bei einem Mikrometer liegen. Der Abtastbereich und damit die maximal erreichbare Vergrößerung wird durch den dynamischen Bereich der Positionsmeßvorrichtungen begrenzt, obwohl, wenn eine verminderte Auflösung in Kauf genommen wird, dann eine größere Abtastamplitude erreicht werden kann und zwar bis zur Grenze des Abtasters. Die Grauskala-Eigenschaften werden durch die Störgeräuscheigenschaften von Photo-Detektor, Videoverstärker, Digitalisierer bestimmt. Moderne Photo-Detektoren haben gute Qualität bzw. Leistung mit einem Rauschabstand (Signal-zu-Störsignalverhältnis) besser als 60 dB und mit einem Dynamikbereich von über drei Größenordnungen. Die beschriebene Anordung erzeugt ein sichtbares reflektiertes Signal, welches die Möglichkeit bietet, daß die Photodiode bei Raumlichtbedingungen arbeiten kann und ^ da es sich um einen Punktdetektor handelt,wird viel von dem starken Licht von anderen Stellen als der Laserstrahl-Fokussierung abgewiesen. Die Bandbreite des Videosignals bei langsamer Abtastung beträgt lediglich 200 kHz, so daß proportional weniger Störgeräusche mitgeführt werden als beispielsweise bei einer Fernsehkamera mit einer Bandbreite von 4 MHz.

Das optische Abtastmikroskop erzeugt eine Ausgangsgröße in Form eines elektronischen Signals, so daß das Signal nicht nur auf einer Kathodenstrahlröhre dargestellt werden kann und von jeder beliebigen Zahl von Betrachtern beobachtet werden kann, sondern das Signal auch an einen Rechner gekoppelt werden kann zur Durchführung von Funktionen wie beispielsweise:

1. Archivspeicherung in einem digitalen Speicher.

2. Erzeugung von einer Hartkopie in kürzerer Zeit als bei

Photographien.
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3. Elektronische Verarbeitung wie beispielsweise Bildvergrößerung (enhancement).

4. Automatische Operationen wie beispielsweise das Zählen von Teilchen.

a) Bei der Vorrichtung kann eine Fernbeobachtung des Bildes vorgesehen sein, um beispielsweise die Strahlungsdosis für die Bedienungsperson zu reduzieren, wenn die Materialprobe radioaktiv ist und wobei eine

Zentralisierung von Operationen in einem Kontrollraum ermöglicht wird.

b) Zur Vereinfachung Kopplung des Mikroskops an eine

andere Hardware;
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1. Bildvergrößerung (enhancement) durch einen Rechner;

2. umfangreiche Archivspeicherung in einem Rechnerspeieher;

2. Erzeugen einer "Hartkopie" durch einen Video-Drucker anstelle von Photographien;

4. Messen der Bildparameter, automatisches Zählen von Teilchen usw. unter Verwendung von Software-Programmen.

Die Auflösung kann ca 2 /lim betragen und liegt sehr dicht bei der Auflösungsgrenze, die durch die Wellenlänge des beleuchtenden Lichtes gesetzt wird. Diese ist gleich, wenn nicht besser als diejenige, wqlche bei bestehenden Ausrüstungen erzeugt wird.

Das Bild des optischen Abtastmikroskops zeigt Einzelheiten von metallurgischen Merkmalen in einer Weise,die sie von anderen Mikroskopen unterscheidet. Dies kann bei der Abbildung von Gegenständen oder Objekten vorteilhaft

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-M-

sexn, die man bisher nur schwierig bei Verwendung einer bisherigen Ausrüstung beobachten konnte (z.B. Oxidschichten).

Das System leidet auch nicht an einer Verschlechterung des

Bildes bzw. der Bildqualität aufgrund der Strahlungswirkungen

auf die Linse. Die hohe von dem Laser erzielbare Intensität

schafft die Möglichkeit, daß jegliche Linsenschwärzung kompensiert werden kann.

Die hohe von dem Laser verfügbare Lichtintensität führt zu einer höheren Bildqualität als bei anderen Systemen bei verminderten elektrischen Störungen bei dem dargestellten Bild, insbesondere dann, wenn die Bildintensität gering ist, also beispielsweise dann, wenn unter Verwendung polarisierten Lichtes ein dunkles Feld beobachtet wird.

Geringere Wartungskosten ergeben sich auch, wenn das Mikroskop in problematischer Umgebung der abgeschirmten Zelle oder Kammer eingesetzt wird. Die innerhalb der Zelle vorhandenen Komponenten des Mikroskops bilden nicht mehr als 10% der Gesamtkosten des Instruments.

Mögliche Abwandlungen sind folgende:Ein Dreifarb-System und eine Erweiterung der Abtastung auf größere Bereiche oder Flächen. Eine Erhöhung der Abtastfrequenz zur Erzeugung eines Bildes in einer kürzeren Zeitdauer ermöglicht der Bedienungsperson die Probe schneller umher zu bewegen. Weitere Abbildungsbetriebsarten; z.B. durch Verwendung eines Mikrofon-Detektors kann die Ausrüstung zu einem akustisehen Mikroskop gemacht werden, um Unterflächen-Strukturen möglicherweise zu erfassen. Eine Erfassung der Infrarot-Reflexionen führt dann zu einer Bildkartographierung der Leitfähigkeit und spezifischen Wärme; das Erfassen einer Raman-Streuung unter Verwendung eines Spektralanalysiergerätes im Strahlenbündel 11a führt zu einem Einblick hinsichtlich vorhandener Molekülarten. Die Genauigkeit des

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Bildes hängt von der Positions-Meßausrüstung ab. Es existiert ein weiter Bereich von Möglichkeiten, von denen der Interferometertyp wahrscheinlich der genaueste ist und die Möglichkeit bietet, eine Auflösung besser als 1 jam zu erreichen.

Das System ist auch für automatisierte Meßungen mit hoher Genauigkeit geeignet wie beispielsweise zum Zählen von Teilchen unter Verwendung eines Rechners.

Es wurde somit ein Mikroskop beschrieben, welches eine Laserquelle einen Objektträger oder Tisch für ein zu betrachtendes Objekt, eine Einrichtung zur Fokussierung der Strahlung von der Laserquelle auf das Objekt, eine Einrichtung zur Durchführung einer relativen Bewegung zwischen dem Objektträger und der Fokussierungseinrichtung eine Sichtanzeige oder Darstellung, die in orthogonalen Richtungen bewegbar ist, und eine auf die relative Bewegung ansprechende Einrichtung zur Bewirkung einer Bewegung der Darstellung in orthogonalen Richtungen enthält. Es wurde auch ein Mikroskop beschrieben, welches eine Quelle für eine elektroT magnetische Strahlung, einen Träger für ein zu beobachtendes Objekt, eine Einrichtung zum Fokussieren der Strahlung von der Strahlenquelle auf das Objekt, eine Einrichtung zur Bewirkung einer Relativbewegung zwischen der Strahlung und dem Objektträger und eine Sichtdarstelleinrichtung enthält, um eine von der vom Objekt stammenden Strahlung abhängige Darstellung oder Anzeige vorzusehen.

GOPY ■

Claims

BERG · STAPF SCHWABE · SANDMAiR

PATENTANWÄLTE
STUNTZSTRASSE 16 · 8000 MÜNCHEN 80 3447467

Anwaltsakte 33 926

United Kingdom Atomic Energy Authority London SW1Y 4QP/England

ABTASTMIKROSKOP

PATENTANSPRÜCHE

Abtastmikroskop, mit einer Quelle (L1) einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung, einer Vorrichtung (61) zur Abstützung eines zu beobachtenden Objektes (Sl), mit einer Einrichtung (01, 03, 05, L2) zum Empfangen der Strahlung von der Strahlungsquelle (L1), um die Strahlung auf das Objekt (S1) zu lenken, eine auf die Strahlung vom Objekt (S1) ansprechende Einrichtung (04, d1, 69,70), um von dem Objekt ein Bild zu formen, und mit einer Einrichtung (51, 52, 53, 54, 58) zur Bewirkung einer relativen Bewegung zwischen der Strahlung und der Vorrichtung (61), um das Objekt (S1) abzutasten, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlung aufnehmende Einrichtung (L2) dafür ausgebildet ist,ein paralleles Strahlenbündel aufzunehmen und das Strahlenbündel auf das Objekt (S1) zu fokussieren.

»(089)988272-74 Telex: 524 560 BERG d . Bankkonten: Bayer. Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) ^

Telegramme (cable):. Telekopierer: (089) 983049 ' Hypo-Bank München 4410122850 (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM «

»ΓηΛΓτιι,Γο.τίΜΐι,.Λ,. KpIIp inlotec 6350 Gr Il + III Postscheck München 653 43-808 (BLZ 70010080)

Ί 2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von dem Objekt (S1) reflektiert wird.

3. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung durch das Objekt (S1) hindurchgeschickt wird.

4. Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Strahlung polarisiert wird und daß Mittel (02) vorgesehen sind, um die Polarisationsebene zu drehen.

5. Mikroskop nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß ein Sicht-Anzeigeelement (d1) vorgesehen ist, und abhängig von der relativen Bewegung bewegt wird.

6. Mikroskop nach Anspruch 5, gekennze ichnet durch eine Einrichtung (99) , um die Intensität der Darstellung oder Anzeige und die Strahlung von dem Objekt (S1) in Korrelation zu bringen.

7. Mikroskop nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß die Fokussierungseinrichtung (L2) zur Erzielung einer zellenförmigen Abtastung bewegbar ist, und daß die Abstützvorrichtung (61) zur Erzielung einer Bildabtastung bewegbar ist.

8. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Strahlung ansprechende ·>Einrichtung einen Strahlteiler (03), durch welchen das paralle Strahlenbündel tritt, eine Photodiode (D1) zum Empfangen der Strahlung vom Strahlteiler (03), die von dem Objekt (S1) reflektiert wurde, und ein Sicht-Anzeigegerät (70) um-. faßt, 'welches zur Darstellung eines Bildes des Objektes (S1)

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mit der Photodiode (D1) verbunden ist.

9. Mikroskop nach Anspruch 7, gekennze ichnet durch eine Fühlereinrichtung (56, 57) mit einer Kapazitat, die in Abhängigkeit von der zellenförmigen Abtastung veränderbar ist.