DE3819603A1

DE3819603A1 - Method and apparatus for the generation of phase contrast images in the X-ray range

Info

Publication number: DE3819603A1
Application number: DE19883819603
Authority: DE
Inventors: Augustin Dr Siegel; Guenter Prof Dr Schmahl; Dietbert Dr Rudolph
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1988-06-09
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1989-12-14

Abstract

For the generation of phase contrast images in an X-ray scanning microscope, it is proposed to arrange the photoelectric detector (6) of the detection apparatus directly behind the object plane (4) without condenser optics upstream as seen in the light direction and to match the form of the photosensitive surface of the detector to the geometry of the phase-shifting elements (3) in the lens (1), for example by means of an annular diaphragm (5) upstream. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Erzeugung von Phasenkontrastbildern mit einem Röntgenmikroskop.The invention relates to a method and a device for Generation of phase contrast images with an X-ray microscope.

In der konventionellen Lichtmikroskopie ist der "Phasenkontrast nach Zernicke" eine bereits seit langem eingeführte Kontrastierungsmethode. Die Theorie und Praxis dieses Ver fahrens ist beispielsweise sehr ausführlich in dem Buch von Dr. H. Beyer, "Theorie und Praxis des Phasenkontrastsverfahrens", Akademische Verlagsgesellschaft Frankfurt/Main 1965, be schrieben. Das Verfahren besteht kurz gesagt darin, eine ring förmige Blendenöffnung in der hinteren Brennebene des Kondensors eines Durchlichtmikroskopes auf eine entsprechend ringförmige Phasenplatte in der Pupille des verwendeten Objektivs abzubilden. Das Phasenkontrastbild entsteht durch Interferenz des direkt durch das Objekt und die Phasenplatte hindurchgehenden Lichtes mit dem am Objekt gebeugten, neben dem Phasenring durch das Objektiv gehenden Lichtes. Eine komprimierte Darstellung dieses Effektes findet sich auch im ABC der Optik, Herausgeber Karl Mütze, Verlag Werner Dausien Hanau/Main 1961 auf den Seiten 634 bis 638.In conventional light microscopy the "phase contrast according to Zernicke "a long established one Contrast method. The theory and practice of this ver driving is, for example, very detailed in the book by Dr. H. Beyer, "Theory and Practice of the Phase Contrast Method", Academic Publishing Company Frankfurt / Main 1965, be wrote. The procedure in a nutshell is a ring shaped aperture in the rear focal plane of the Condenser of a transmitted light microscope on a corresponding annular phase plate in the pupil of the used Map lens. The phase contrast image is created by Interference of the directly through the object and the phase plate light passing through with the object bent, next to the Phase ring of light going through the lens. A compressed representation of this effect can also be found in ABC of optics, publisher Karl Mütze, publisher Werner Dausien Hanau / Main 1961 on pages 634 to 638.

Aus der älteren Anmeldung P 36 42 457.9 ist außerdem ein Röntgenmikroskop bekannt, das zur Erzeugung von Phasenkontrast bildern geeignet ist. Dieses Röntgenmikroskop besitzt einen Kondensor in Form einer ersten sogenannten Zonenplatte zur Bestrahlung des Objekts und ein Objektiv in Form einer weiteren Zonenplatte, mit dem das Objekt abgebildet wird. In der Fourierebene der zweiten Zonenplatte ist ein phasenschiebendes Element angeordnet, das ähnlich wie in der konventionellen Lichtmikroskopie den Phasenkontrast bewirkt.From the earlier application P 36 42 457.9 is also a X-ray microscope known to produce phase contrast pictures is suitable. This X-ray microscope has one Condenser in the form of a first so-called zone plate Irradiation of the object and a lens in the form of another Zone plate with which the object is imaged. In the Fourier plane of the second zone plate is a phase shift Element arranged similar to that in the conventional Light microscopy effects the phase contrast.

In ihrem Buch "Theorie and Practice of Scanning Optical Microscopy", Academic Press 1984 haben T. Wilson und C. Sheppard beschrieben, daß das Phasenkontrastverfahren nach Zernicke auch auf Licht-Rastermikroskope angewendet werden kann. Hierbei wurde allerdings der gleiche, bereits aus der konventionellen Mikroskopie bekannte Aufbau unter Verwendung eines Kondensors und einer ringförmigen Blendenöffnung in dessen hinterer Brennebene vorausgesetzt.In her book "Theory and Practice of Scanning Optical Microscopy, "Academic Press 1984, T. Wilson and C. Sheppard described that the phase contrast method after Zernicke can also be applied to scanning light microscopes can. Here, however, was the same, already from the conventional microscopy using known setup a condenser and an annular aperture in assuming its rear focal plane.

Es sind auch Rastermikroskope für den Röntgenbereich bekannt. In diesen Geräten wird das Objekt rasterförmig unter einem punktförmig fokussierten Röntgenstrahl bewegt und die durch das Objekt transmittierte Röntgenstrahlung direkt mit einem Detektor nachgewiesen. Auf einen Kondensor wird bei Röntgen- Rastermikroskopen in der Regel verzichtet. Denn die als Kondensoren sonst verwendeten Zonenplatten besitzen nur eine geringe Beugungseffizienz von wenigen Prozent. Infolge des Verzichts auf den Kondensor kann deshalb mit niedrigerer d.h. das Objekt schonenderer Röntgendosis gearbeitet werden.Scanning microscopes for the X-ray area are also known. In these devices, the object becomes a grid under one point-focused X-ray moves and through the X-rays transmitted directly with an object Detector detected. A condenser is used for X-ray Scanning microscopes are generally not used. Because the as Zone plate condensers otherwise used have only one low diffraction efficiency of a few percent. As a result of Dispensing with the condenser can therefore be achieved with a lower the object of more gentle x-ray dose can be worked.

Eine Einrichtung zur Erzeugung von Phasenkontrastbildern ist für Raster-Röntgenmikroskope jedoch bisher nicht bekannt. Denn man ging bisher davon aus, daß für ein derartiges Verfahren ein Kondensor benötigt wird, und dementsprechend wieder mit höherer Röntgendosis gearbeitet werden müßte.A device for generating phase contrast images is not yet known for scanning X-ray microscopes. Because So far it was assumed that such a method Condenser is required, and accordingly again with higher X-ray dose would have to be worked.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die Anwendung auf Röntgen-Rastermikroskopen geeignetes Kontrastierungsver fahren zu schaffen, das einen möglichst geringen Aufwand erfordert und ein Arbeiten mit niedriger Röntgendosis erlaubt.The invention has for its object one for the application Contrast Ver. suitable on X-ray scanning microscopes driving to create the least possible effort requires and allows working with a low X-ray dose.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Merkmale bzw. durch ein Gerät mit dem im Kennzeichen des Anspruches 2 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved in the characterizing part of claim 1 Characteristics mentioned or by a device with the in the license plate of claim 2 specified features solved.

Die Erfindung macht von der überraschenden Erkenntnis Gebrauch, daß in Röntgen-Rastermikroskopen auch zur Realisierung von Phasenkontrastbildern kein Kondensor benötigt wird. The invention makes use of the surprising knowledge that in X-ray scanning microscopes also for the realization of Phase contrast images no condenser is needed.

Es ist lediglich erforderlich, eine an die Form der phasen schiebenden Bereiche einer Phasenplatte in der Pupillenebene des im Objektivs angepaßte Blende mit nachgeschaltetem Detektor oder einen Detektor, dessen photoempfindliche Fläche auf die Form der phasenschiebenden Bereiche abgestimmt ist, an ge eigneter Stelle direkt unterhalb der Objektebene anzubringen.It is only necessary to match the shape of the phases pushing areas of a phase plate in the pupil plane the aperture in the lens with a detector connected downstream or a detector whose photosensitive surface is on the Shape of the phase shifting areas is matched to ge appropriate place directly below the object level.

Die genaue Position von Ringblende und Detektor relativ zur Objektebene ist unkritisch, solange die Ringblende mit ihren Radien an den Hohlkegel angepaßt ist, der durch die Phasenplatte und das Objektiv definiert ist. Diese Anpassung läßt sich berechnen oder experimentell durchführen.The exact position of the ring diaphragm and detector relative to Object level is not critical as long as the ring diaphragm with its Radii is adapted to the hollow cone by the Phase plate and the lens is defined. This adjustment can be calculated or carried out experimentally.

Zwar sind die geometrischen Beziehungen von der Apertur und dem Abbildungsmaßstab des verwendeten Objektivs abhängig, für unterschiedliche Objektive lassen sich jedoch immer Lösungen finden, indem entweder die Blende bzw. die ringförmige Detektorfläche in unterschiedliche Abstände zum Objekt gebracht wird, oder entsprechend mehrere Blenden mit unterschiedlichem Ringdurchmesser und unterschiedlicher Ringweite z.B. auf einem Revolver eingesetzt werden.The geometric relationships between the aperture and the Image scale of the lens used depends on different lenses, however, can always be solutions find by either the aperture or the annular Detector surface brought to the object at different distances is, or correspondingly several apertures with different Ring diameter and different ring width e.g. on one Revolvers are used.

Die Erfindung ermöglicht es somit, zur Realisierung von Phasenkontrast bei Röntgen-Rastermikroskopen ohne Kondensor und demzufolge mit geringer Röntgendosis zu arbeiten. Eine Einbuße an Bildqualität tritt hierbei nicht auf.The invention thus makes it possible to implement Phase contrast in X-ray scanning microscopes without condenser and consequently work with a low x-ray dose. A loss image quality does not occur here.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren der beigefügten Zeichnung, die eine Prinzipskizze der wesentlichen Komponenten zur Erzeugung eines Phasenkontrastbildes in einem Röntgen-Rastermikroskop zeigt.Further advantages of the invention result from the The following description of exemplary embodiments using the Figures of the accompanying drawing, which is a schematic diagram of the essential components for generating a Shows phase contrast image in an X-ray scanning microscope.

In dem in der Figur dargestellten Röntgen-Rastermikroskop dient eine Zonenplatte (1) zur punktförmigen Fokussierung der von einer nicht dargestellten Röntgenquelle ausgehenden Strahlung (10) auf das Objekt (4). Eine solche Zonenplatte ist beispielsweise in der genannten älteren Anmeldung P 36 42 457.9 beschrieben.In the X-ray scanning microscope shown in the figure, a zone plate ( 1 ) is used to focus the radiation ( 10 ) emanating from an X-ray source (not shown) onto the object ( 4 ). Such a zone plate is described, for example, in the aforementioned older application P 36 42 457.9.

Das Objekt (4) befindet sich auf einem Kreuztisch, der von einer ebenfalls hier nicht näher dargestellten Vorrichtung rasterförmig bewegt wird.The object ( 4 ) is located on a cross table, which is moved in a grid-like manner by a device which is also not shown here.

In Lichtrichtung gesehen vor der Zonenplatte (1) ist eine Phasenplatte (2) in der Fokussierebene der Zonenplatte (1), d.h. der Pupillenebene des Objektivs angeordnet. Diese Phasenplatte trägt einen mit (3) bezeichneten Phasenring, der die Phase des hindurchtretenden Teils der Röntgenstrahlung gegenüber der außerhalb des Ringes (3) durchtretenden Teils der Strahlung verschiebt. Die Phasenverschiebung ist vorzugsweise auf 90° oder einen anderen im Hinblick auf möglichst optimalen Bildkontrast gewählten Betrag eingestellt.Seen in the direction of light in front of the zone plate ( 1 ), a phase plate ( 2 ) is arranged in the focal plane of the zone plate ( 1 ), ie the pupil plane of the objective. This phase plate carries a phase ring denoted by (3), which shifts the phase of the light passing portion of the X-ray radiation with respect to the passing through of the outside ring (3) part of the radiation. The phase shift is preferably set to 90 ° or another amount selected with a view to optimally image contrast.

Hinter der Objektebene (4), in der das Objektiv (1) den ab rasternden Röntgenstrahl beugungsbegrenzt fokussiert, ist unter einem Abstand (a) eine Ringblende (5) und direkt dahinter ein Detektor (6) mit relativ großflächiger photoempfindlicher Fläche angeordnet. Bei dem Detektor handelt es sich beispiels weise um einen Proportionalzähler wie er in "Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering - Vol. 733 (1986)" mit dem Titel "Soft x-ray optics and technology" auf S. 496-503 beschrieben ist.Behind the object plane ( 4 ), in which the lens ( 1 ) focuses the diffraction-limited X-ray, a ring diaphragm ( 5 ) and a detector ( 6 ) with a relatively large-area photosensitive surface are arranged at a distance ( a ). The detector is, for example, a proportional counter as described in "Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering - Vol. 733 (1986)" with the title "Soft x-ray optics and technology" on p. 496 -503 is described.

Der durch den Phasenring (3) hindurchgehende Strahlkegel (7) ist gestrichelt dargestellt. Der Abstand (a) zwischen der Blende (5) und der Objektebene (4) und der Durchmesser (c) der ringförmigen Blendenöffnung (8) sind so gewählt, daß dieser Strahlkegel (7) die Blendenöffnung (8) passiert und innerhalb des photoempfindlichen Bereiches auf den Detektor (6) auf trifft.The beam cone ( 7 ) passing through the phase ring ( 3 ) is shown in dashed lines. The distance ( a ) between the diaphragm ( 5 ) and the object plane ( 4 ) and the diameter ( c ) of the annular diaphragm opening ( 8 ) are selected so that this beam cone ( 7 ) passes through the diaphragm opening ( 8 ) and within the photosensitive area hits the detector ( 6 ).

Es ist nun möglich, Phasenkontrastbilder zu erhalten, wenn man das zu untersuchende mikroskopische Objekt in der Objektebene (4) rasterförmig bewegt und die Signale des Detektors (6) zur Bilddarstellung benutzt. Die Position von Ringblende (5) und Detektor (6) relativ zur Objektebene ist unkritisch, solange durch geeignete Wahl von (a) und (c) dafür gesorgt ist, daß der durch die Phasenplatte (3) und das Objektiv (1) definierte Strahlkegel (7) die Blendenöffnung (8) durchsetzt. Zur Unter drückung von Störlicht aus der Umgebung kann über oder unter der Blende (5) ein Interferenzfilter angeordnet werden.It is now possible to obtain phase contrast images if the microscopic object to be examined is moved in a grid pattern in the object plane ( 4 ) and the signals from the detector ( 6 ) are used to display the image. The position of the ring diaphragm ( 5 ) and detector ( 6 ) relative to the object plane is not critical as long as suitable selection of (a) and (c) ensures that the beam cone defined by the phase plate ( 3 ) and the objective ( 1 ) ( 7 ) passes through the aperture ( 8 ). To suppress interference light from the environment, an interference filter can be arranged above or below the diaphragm ( 5 ).

Die Phasenplatte (2) trägt neben dem Phasenring (3) zusätzlich eine Zentralblende (9). Diese Blende dient dazu, den Teil der andernfalls unbeeinflußt durch die Phasenplatte (2) hin durchtretenden Röntgenstrahlung vom Objekt (4) fernzuhalten, der aufgrund der begrenzten Röntgenbeugungseigenschaften des Objekts (4) ohnehin nicht durch die Blendenöffnung (8) hin durchtreten und dort mit dem phasenverschobenen Teil der Röntgenstrahlung interferieren kann und demzufolge das Objekt (4) nur unnötig belasten würde.In addition to the phase ring ( 3 ), the phase plate ( 2 ) also carries a central diaphragm ( 9 ). This aperture is used to keep the part of the otherwise unaffected by the phase plate ( 2 ) out through X-ray radiation from the object ( 4 ), which due to the limited X-ray diffraction properties of the object ( 4 ) anyway does not pass through the aperture ( 8 ) and there with can interfere with the phase-shifted part of the X-ray radiation and would therefore only unnecessarily burden the object ( 4 ).

Es ist klar, daß der Durchmesser (c) bzw. die Entfernung (a) der Blende (5) dann geändert werden muß, wenn ein Objektiv mit anderer Apertur bzw. anderen Abmessungen des Phasenringes be nutzt werden soll. Beispielsweise befinden sich der Detektor (6) und die vorgeschaltete Blende (5) bei gleichem Durchmesser (c) der Blendenöffnung (8) in einem geringeren Abstand unter halb der Objektebene (4), wenn die Anpassung an ein Objektiv mit höherer Apertur und kleinerer Brennweite erfolgen soll. Statt dessen ist es auch möglich, die Anpassung unter Beibe haltung des Abstandes zwischen Blende und Objektebene über den Durchmesser und die Breite der ringförmigen Blendenöffnung (8) vorzunehmen und hierfür beispielsweise mehrere Blenden mit unterschiedlichen Abmessungen auf einem Revolver anzuordnen.It is clear that the diameter ( c ) or the distance ( a ) of the diaphragm ( 5 ) must be changed if a lens with a different aperture or different dimensions of the phase ring is to be used. For example, the detector ( 6 ) and the upstream diaphragm ( 5 ) with the same diameter ( c ) of the diaphragm opening ( 8 ) are located at a smaller distance below half the object plane ( 4 ) when adapting to a lens with a higher aperture and a smaller focal length should be done. Instead, it is also possible to make the adjustment while maintaining the distance between the diaphragm and the object plane via the diameter and the width of the annular diaphragm opening ( 8 ) and, for example, to arrange several diaphragms with different dimensions on one turret.

Claims

1. A method for generating phase contrast images with an X-ray microscope scanning the object in a punctiform manner, characterized in that a lens (zone plate 1 ) with phase-shifting areas in or near its pupil plane is used to illuminate the object ( 4 ), and that of the object Diffracted X-ray radiation is avoided directly by a detector that is adapted to the geometry of the phase-shifting areas with its photosensitive surface.

2. X-ray scanning microscope for point-by-point scanning of objects by means of an X-ray beam focused by a lens with a photoelectric detection device for the X-ray radiation coming from the object, characterized in that an element ( 2 ) in or near the pupil plane of the lens (zone plate 1 ) is arranged with phase-shifting areas ( 3 ), and that the detector ( 6 ) of the detection device without upstream condenser optics, viewed in the beam direction, is arranged behind the object plane ( 4 ) and the shape of the photosensitive surface of the detector ( 6 ) corresponds to the geometry of the phase-shifting areas ( 3 ) is adjusted.

3. Microscope according to claim 2, characterized in that the phase-shifting region ( 3 ) and the effective photosensitive surface of the detector ( 6 ) are annular.

4. Microscope according to claim 3, characterized in that the element ( 2 ) in addition to the annular phase-shifting region carries a central diaphragm ( 9 ).

5. Microscope according to claim 2, characterized in that an aperture ( 5 ) is connected upstream of the detector ( 6 ) to adapt its photosensitive surface to the geometry of the phase-shifting regions ( 3 ).

6. Microscope according to claim 5, characterized in that several panels are provided at different intervals.

7. Microscope according to claim 5, characterized in that several panels with different diameters or different ring thickness of the annular aperture are arranged on a revolver.

8. Microscope according to claim 2, characterized in that a filter is connected upstream of the detector ( 6 ) to suppress ambient light.