DE68906040T2

DE68906040T2 - Verfahren zur optischen Abtastmikroskopie in konfokaler Anordnung mit grossem Tiefenschärfenbereich und Vorrichtung zur durchführung des Verfahrens.

Info

Publication number: DE68906040T2
Application number: DE89400202T
Authority: DE
Inventors: Bernard Picard
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1988-01-27
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: EP0327425B1; FR2626383B1; JPH01245215A; EP0327425A1; DE68906040D1; FR2626383A1; US4965441A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Abtastmikroskopie in konfokaler Anordnung mit großem Tiefenschärfebereich und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Sie bezieht sich besonders auf mikroskopische Bildherstellung mit großem Tiefenschärfebereich, die mit großer Geschwindigkeit durchgeführt wird, besonders bei der mikroelektronischen Überprüfung.
Um die optische Abtastmikroskopie in konfokaler Anordnung auszuführen, verfährt man im Allgemeinen wie folgt man bildet einen Lichtstrahl, den man auf ein System zur Fokussierung richtet.
Man fokussiert den Strahl, mittels diesem System zur Fokussierung, auf ein zu untersuchendes Objekt.
Man sendet durch einen Strahlteiler einen, von dem zu untersuchenden Objekt reflektierten, Lichtstrahl auf ein System zur Detektion, zur Analyse und zur numerischen Verarbeitung des detektierten Signals zurück.
Man detektiert die Intensität des durch den Strahlteiler zurückgesendeten Lichts, man analysiert und man verarbeitet numerisch die detektierten Signale.
Man führt ein Abtasten des Lichtstrahls auf dem zu untersuchenden Objekt aus, sowohl durch Verschieben des Lichtstrahls, wobei das Objekt fixiert ist, als auch durch Verschieben des Objekts, wobei der Strahl fixiert ist.
Eine bekannte Vorrichtung, welche die Durchführung dieses Verfahrens ermöglicht, ist schematisch in Figur 1 dargestellt.
Ein von einer monochromatischen Lichtquelle 10, wie zum Beispiel einem Laser, gelieferter Lichtstrahl wird durch Hilfsmittel 12 zur Fokussierung, zum Beispiel einer Linse, und zur Filterung, zum Beispiel einer Blende, fokussiert und räumlich gefiltert. Dies ermöglicht es, eine gleichmäßig auf den Querschnitt des Strahls verteilte Intensität zu erhalten. Der Strahl wird dann durch Hilfsmittel 14 zur Fokussierung, zum Beispiel einem Objektiv, auf das zu untersuchende Objekt 16 zurück fokussiert. Der Strahl wird durch das zu untersuchende Objekt reflektiert und durch einen Strahlteiler 18 auf ein System zur Detektion 20 zurückgesendet, welches mit einem System 22 zur Analyse und zur numerischen Verarbeitung der detektierten Signale verbunden ist. Das System zur Detektion 20 umfaßt eine Blende 21, die an einem, dem Brennpunkt des Hilfsmittels 14 zur Fokussierung zugeordneten Punkt angeordnet ist. Das nach der numerischen Verarbeitung erhaltene Bild ist stellvertretend für die Variationen der Reflektierung des im mikroskopischen Meßbereich zu untersuchenden Objekts. Die Blende 21, deren Öffnung zum Beispiel einige Zehner Mikrometer beträgt, ermöglicht es, die Detektion des Lichts zu vermeiden, das von den nicht auf das zu untersuchende Objekt fokussierten Strahlen stammt. Die Wirkung der Defokussierung auf die Bilderstellung wird in Figur 2 erläutert.
Man bezeichnet FO den Brennpunkt des Strahls nach Durchlaufen der Hilfsmittel 14 zur Fokussierung.
Wenn das Objekt 16 in der Brennebene der Hilfsmittel 14 zur Fokussierung angeordnet ist, dann ist der dem Punkt FO zugeordnete Punkt der in der Ebene der Blende 21 gelegene Punkt F'O. Die Abmessung des Lichtflecks in dieser Ebene ist also minimal und die durch das System zur Detektion 20 aufgefangene Energie ist maximal.
Wenn das Objekt 16 aus der Brennebene der Hilfsmittel 14 zur Fokussierung entfernt ist, so ist das Bild F'1 des von dem Objekt reflektierten Lichtstrahls entfernt von F'O. Der Lichtfleck in der Ebene der Blende 21 ist vergrößert, die durch das System 20 zur Detektion aufgefangene Lichtenergie ist viel schwächer als vorher.
In Anwesenheit einer solchen Blende 21 wird das Mikroskop in der besagten konfokalen Anordnung verwendet. Die Blende 21 ermöglicht eine Verstärkung der Auflösung des letztendlichen Bildes um schätzungsweise einen Faktor 1,4 bezüglich der Auflösung eines ohne Blende erhaltenen Bildes
In der Figur 1 sind nicht die zum Erhalten des Abtastens des Strahls auf dem Objekt 16 eingesetzten Hilfsmittel dargestellt.
Bei diesem Typ der Vorrichtung ist die Tiefenschärfe sehr gering, in der Größenordnung von 0,3 bis 0,5 µm.
Ausgehend von der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung kann man die Bildherstellung mit großem Tiefenschärfebereich machen. Es genügt, Schnitte in aufeinanderfolgenden Höhen in zum Beispiel 0,5 um Abstand zu machen. In der bekannten Weise führt man ein Abtasten des Objekts 16 in einer Höhe z1 durch, dann verschiebt man das Objekt 16 in der z-Achse der Vorrichtung auf eine Höhe z2, in welcher man ein neues Antasten durchführt und so weiter.
Dieses Verfahren ist in Kapitel 5, Seite 123 des Buchs Theory and Practice of SCANNING OPTICAL MICROSCOPY, geschrieben von Tony Wilson, Colin Sheppard, Academic Press 1984, ebenso wie in dem Dokument DE-A-3 447 467 beschrieben.
Der erhaltene Tiefenschärfebereich wird also durch die Anzahl der nacheinander ausgeführten Schnitte beschränkt.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, mehrere aufeinanderfolgende Bilderfassungen zu benötigen, was ebensosehr die Geschwindigkeit der Bildherstellung des Mikroskops verringert. Entsprechend den bekannten verwendeten Vorrichtungen kann die Bilderstellung eines Schnitts des Objekts 16 (Schärfebereich 0,5 um) bis zu 2s betragen. Im Fall einer mit einem Videomonitor synchronisierten Vorrichtung, ist die Zeit zur Bilderstellung die Zeit des Antastens eines Rasters des Videomonitors. Man muß diese Zeiten mit der Anzahl der aufeinanderfolgend gewünschten Bilder entsprechend dem gewünschten großen Tiefenschärfebereich multiplizieren.
Man kannte also gemäß dem Dokument EP-A-O 108 497 eine Vorrichtung, die es ermöglicht, die verschiedenen Höhen auf einem Objekt durch Messung der Interferenzen zwischen den Bestandteilen eines akusto-optisch modulierten Laserstrahls zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die optische Antastmikroskopie mit großem Tiefenschärfebereich in einem einzigen Abtasten des zu untersuchenden Objekts 16 durch den Strahl. Man vermeidet die aufeinanderfolgende Erfassung und reduziert somit ebensosehr die Erfassungsdauer eines kompletten Bildes.
Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur optischen Antastmikroskopie mit konfokaler Anordnung und großem Tiefenschärfebereich. Das Verfahren besteht aus:
- der Bildung eines Hauptlichtstrahls, der aus einer Vielzahl von Sekundärlichtstrahlen gebildet wird, die sich untereinander durch mindestens eine ihrer Kennzeichen unterscheiden,
- dem Ausrichten des Hauptlichtstrahls auf die Hilfsmittel zur Fokussierung, deren Brennweite von mindestens einem der besagten Kennzeichen abhängig ist,
- dem Fokussieren der verschiedenen Sekundärlichtstrahlen auf eine Stelle des zu untersuchenden Objekts, mittels der Hilfsmittel zur Fokussierung, in verschiedenen Höhenpunkten,
- dem Zurücksenden der von dem zu untersuchenden Objekt reflektierten Sekundärlichtstrahlen auf ein Detektionssystem,
- dem Detektieren der Lichtintensität der Sekundärstrahlen,
- dem Analysieren und numerischen Verarbeiten der detektierten Signale, und
- dem Wiederholen der vorhergehenden Abschnitte an verschiedenen Stellen des Objekts, wobei somit ein Abtasten des Hauptlichtstrahls auf der Gesamtheit des zu untersuchenden Objekts ausgeführt wird.
Gemäß einem Kennzeichen des Verfahrens unterscheiden sich die Sekundärlichtstrahlen untereinander durch ihre Wellenlänge, die für jeden der Sekundärstrahlen verschieden ist.
Gemäß einem anderen Kennzeichen des Verfahrens unterscheiden sich die Lichtstrahlen untereinander durch ihre Amplitude, die auf für jeden der Sekundärstrahlen kennzeichnende Weise zeitmoduliert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens. Diese Vorrichtung umfaßt:
- eine Lichtquelle, die ein Hauptlichtstrahl liefert, das sich auf ein zu untersuchendes Objekt ausbreitet,
- erste Hilfsmittel zur Fokussierung und zur räumlichen Filterung des besagten Hauptlichtstrahls,
- zweite Hilfsmittel zur Fokussierung, welche den besagten Strahl auf das zu untersuchende Objekt fokussieren,
- einen Strahlteiler, der einen durch das Objekt reflektierten Lichtstrahl zurücksendet,
- ein Detektionssystem, welches an einem Ausgang ein Signal liefert, und eine Blende umfaßt, die an einem, dem Brennpunkt der zweiten Hilfsmittel zur Fokussierung zugeordneten Punkt angeordnet ist,
- ein System zur Analyse und zur numerischen Verarbeitung, welches eine mit dem Ausgang des Detektionssystems verbundenen Eingang hat.
Die Lichtquelle ist polychromatisch und der Hauptlichtstrahl wird von einer Vielzahl von Sekundärstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen gebildet. Die zweiten Hilfsmittel zur Fokussierung weisen eine Chromatik bezüglich der Ausbreitungsrichtung des besagten Hauptlichtstrahls auf (Axialchromatik).
Diese Vorrichtung unterscheidet die verschiedenen Ebenen der Fokussierung nicht und liefert ein Bild, in dem man das Relief des zu untersuchenden Objekts 16 nicht auftreten sieht: die Einzelheiten der Oberfläche erscheinen in derselben Ebene, welche auch immer die Höhe der betrachteten Oberfläche ist.
In einer bevorzugten Ausführungsweise umfaßt die Vorrichtung:
- ein optisches System, das auf dem Weg des von dem zu untersuchenden Objekt reflektierten und durch den Strahlteiler zurückgesendeten Strahls liegt und das seitlich bezüglich deren entsprechenden Ausbreitungsrichtungen trennt, zur seitlichen Streuung der Sekundärstrahlen mit verschiedener Wellenlänge, welche den besagten reflektierten Strahl bilden,
- Detektionssysteme, die dazu fähig sind, jedes der durch das optische System zur seitlichen Streuung getrennten Sekundärstrahlen zu empfangen, wobei jedes Detektionssystem eine Blende umfaßt, die an einem, dem Brennpunkt der Hilfsmittel zur Fokussierung zugeordneten Punkt angeordnet ist, und die Detektionssysteme Signale auf die, mit den Eingängen eines Systems zur Analyse und zur Verarbeitung der besagten Signale verbundenen Ausgänge liefern.
Diese letzte Ausführungsweise ermöglicht es ,das Relief des zu untersuchenden Objekts wiederherzustellen.
Die Größe des Tiefenschärfebereichs entspricht der axialen chromatischen Streuung der Hilfsmittel zur Fokussierung und der chromatischen Ausdehnung der polychromatischen Lichtquelle.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsweise ist die optische Vorrichtung zur seitlichen Streuung ein Brechungsgitter.
Gemäß einer anderen Ausführungsweise ist die optische Vorrichtung zur seitlichen Streuung ein Prisma.
In einer anderen Ausführungsweise umfaßt die Vorrichtung gemäß der Erfindung auf dem Weg des Hauptlicht-
strahls, zwischen der Lichtquelle und den ersten Hilfsmitteln zur Fokussierung und zur Filterung:
- Hilfsmittel, um die verschiedenen Sekundärstrahlen räumlich zu trennen,
- Hilfsmittel ur Zeitmodulation der Amplituden eines jeden Sekundärstrahls mit einer bestimmten Frequenz,
- Hilfsmittel, um die verschiedenen Sekundärstrahlen zu überlagern, um wieder einen Hauptstrahl zu bilden, und um den besagten Hauptstrahl auf die ersten Hilfsmittel zur Fokussierung und zur räumlichen Filterung zu lenken.
In einer bevorzugten Ausführungsweise umfassen die Hilfsmittel, um die verschiedenen Sekundärstrahlen räumlich zu trennen, Strahlteiler und einen Spiegel, um den verbleibenden Hauptstrahl nach Durchlaufen der Strahlteiler, welcher einen Sekundärstrahl bildet, zurückzusenden;
die Hilfsmittel zur Überlagerung der Sekundärstrahlen umfassen Strahlteiler und einen Spiegel zum Zurücksenden des Sekundärstrahls, der von einer ersten Trennung eines Sekundärstrahls vom Hauptstrahl stammt;
die Strahlteiler reflektieren nur einen einzigen Sekundärstrahl und nicht die anderen.
In einer anderen Ausführungsweise umfassen die Hilfsmittel, um die Sekundärlichtstrahlen räumlich zu trennen, ein Brechungsgitter und eine Linse, so daß die Sekundärlichtstrahlen nach Durchlaufen der besagten Linse parallel sind und die Hilfsmittel zur Überlagerung der Sekundärstrahlen eine Linse umfassen, die von den besagten Sekundärstrahlen durchlaufen wird, und ein Brechungsgitter, welches die überlagerten Strahlen auf die ersten Hilfsmittel zur Fokussierung und zur räumlichen Filterung zurücksendet.
In einer bevorzugten Ausführungsweise sind die Hilfsmittel zur Zeitmodulation der Amplitude jedes Sekundärstrahls akusto-optische Elemente.
In einer bevorzugten Ausführungsweise ist die polychromatische Lichtquelle ein Laser, der Strahlen mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen aussendet.
In einer anderen Ausführungsweise wird die polychromatische Lichtquelle aus mindestens zwei Lasern gebildet, welche Strahlen mit verschiedenen Wellenlängen aussenden.
In einer anderen Ausführungsweise umfaßt die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Lichtquelle, die einen Hauptlichtstrahl liefert, der dich auf ein zu untersuchendes Objekt hin ausbreitet.
Sie umfaßt auch:
- Hilfsmittel zur Trennung des Hauptlichtstrahls in eine Vielzahl von Sekundärstrahlen und zum Zurücksenden der Sekundärstrahlen auf Hilfsmittel zur Zeitmodulation der Amplitude eines jeden Sekundärstrahls mit einer bestimmten Frequenz,
- erste Hilfsmittel zur Fokussierung, welche für jeden Sekundärstrahl eine verschiedene Brennweite aufweisen,
- Hilfsmittel zum Wiedervereinigen und zum Zurücksenden der Sekundärstrahlen in einen Hauptstrahl, der aus der Wiedervereinigung resultiert,
- zweiter Hilfsmittel zur Fokussierung, welche ein erstes System und ein zweites System zur Fokussierung umfassen und die Defokussierung in verschiedenen Höhen für jeden der Sekundärstrahlen ermöglichen, und einen Strahlteiler, der zwischen der Lichtquelle und den Hilfsmitteln zur Teilung des Hauptstrahls auf dem Weg des, durch das zu untersuchende Objekt reflektierten, Strahls angeordnet ist, wobei der besagte reflektierte Strahl, der im entgegengesetzten Sinn die verschiedenen Elemente der Vorrichtung zurückdurchlaufen hat, den besagten reflektierten Strahl auf ein Detektionssystem zurücksendet, durch Zwischenschaltung von Hilfsmitteln zur Fokussierung und zur Filterung.
In einer Ausführungsweise dieser letzten Vorrichtung erfolgt die Modulation der Amplitude jedes Sekundärstrahls mit derselben Frequenz für jeden der Sekundärstrahlen, wobei die Phase für jede der Modulationen verschieden ist.
In einer Ausführungsweise dieser letzten Vorrichtung erfolgt die Modulation der Amplitude jedes Sekundärstrahls bei unterschiedlicher Frequenz für jeden der Sekundärstrahlen.
Andere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung treten mehr bei der folgenden Beschreibung hervor, die rein beschreibend und keineswegs beschränkend bezüglich der angefügten Figuren 3 bis 7 gegeben wird, in welchen:
- die Figur 3 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt;
- die Figur 4 eine Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt;
- die Figur 5 eine Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt;
- die Figur 6 eine Vorrichtung zur räumlichen Trennung der Sekundärlichtstrahlen darstellt;
- die Figur 7 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt, welche eine monochromatische Lichtquelle verwendet.
Man sieht in der Figur 3 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung. Eine polychromatische Lichtquelle 11 liefert einen Hauptlichtstrahl, welcher aus einer Vielzahl von Sekundärstrahlen gebildet wird. Die Lichtquelle 11 kann zum Beispiel ein Laser sein, dessen aktives Material Argon ist und der Strahlen bei mehreren Wellenlängen aussendet. Die Lichtquelle kann zum Beispiel die Vereinigung von mehreren Lasern sein, welche Strahlen bei verschiedenen Wellenlängen aussenden. Der Hauptstrahl wird durch Hilfsmittel 12 zur Fokussierung und zur Filterung fokussiert und räumlich gefiltert, um einen Strahl zu erhalten, dessen Intensität gleichmäßig über seinen Querschnitt verteilt ist. Diese Hilfsmittel 12 zur Fokussierung und zur Filterung werden zum Beispiel durch eine achromatische Linse und eine Blende gebildet, wobei sich die Öffnung der Blende im Brennpunkt der achromatischen Linse befindet.
Der Hauptstrahl wird dann wieder auf ein zu untersuchendes Objekt (nicht dargestellt) fokussiert, durch Hilfsmittel 30 zur Fokussierung, welche eine axiale Chromatik aufweisen, ein Objektiv, das zum Beispiel mithilfe von Linsen ausgeführt wird, die aus demselben Glastyp hergestellt werden. Die verschiedenen Sekundärstrahlen haben nicht denselben Brennpunkt; die Brennpunkte sind auf den Höhen z1, z2, ..., zn, verteilt, wobei n eine ganze Zahl gleich der Anzahl der in dem Hauptstrahl auftretenden Sekundärstrahlen ist. Die Achse z, welche die Höhenachse der Brennpunkte darstellt, fällt mit der Achse der Vorrichtung zusammen.
Die Sekundärstrahlen werden durch das zu untersuchende Objekt reflektiert und durch einen Strahlteiler 18 auf Hilfsmittel 20 zur Detektion zurückgesendet.
Während dem Abtasten des zu untersuchenden Objekts durch den Hauptstrahl, ist für jeden sondierten Punkt nur ein richtig auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts fokussierter Sekundärstrahl im, seinem Brennpunkt zugeordneten Punkt P fokussiert. Im Gegenteil wird jeder Strahl, der auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts fokussiert ist, durch die Hilfsmittel 30 zur Fokussierung auf denselben Brennpunkt fokussiert, der dem Punkt P zugeordnet ist.
Die Anwesenheit einer Blende 21, die einen Teil des Detektionshilfsmittels 20 ausmacht, ermöglicht die Filterung der Sekundärstrahlen, welche nicht richtig auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts fokussiert sind.
Das Detektionssystem liefert auf einen Ausgang ein Signal, das analysiert und numerisch verarbeitet wird durch Hilfsmittel 22 zur Analyse und zur Verarbeitung.
Diese Vorrichtung verarbeitet alle richtig auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts fokussierten Strahlen auf gleichem Fuße. Es ermöglicht nicht, das Relief des Objekts, jedoch gleichmäßig den Zustand seiner Oberfläche auf eine Dicke von zum Beispiel 0,5 um zu berücksichtigen.
Um das Relief des zu untersuchenden Objekts berücksichtigen zu können, wird in Figur 4A eine Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorgeschlagen.
In einer Bemühung zur Vereinfachung, die keineswegs beschränkend ist, hat man drei auf die Höhen z1, z2 und z3 fokussierte Sekundärstrahlen dargestellt.
Ein optisches System 32 zur seitlichen Streuung ist auf dem Weg der von dem zu untersuchenden Objekt reflektierten und von dem Strahlteiler 18 zurückgesendeten Sekundärstrahlen angeordnet. Die verschiedenen Sekundärstrahlen werden also räumlich getrennt und jeder auf ein System 20 zur Detektion gesandt.
Man sieht in Figur 4B, daß das System 32 zur seitlichen Streuung ein Brechungsgitter 32' sein kann. Man sieht in Figur 4C, daß das System 32 zur seitlichen Streuung ein Prisma 32'' sein kann.
Die Detektionssysteme 20 umfassen jedes eine Blende 21, die im dem Brennpunkt der verschiedenen Sekundärstrahlen zugeordneten Punkt P angeordnet ist.
Die Detektionssysteme 20 liefern an einen Ausgang ein Signal, welches von den Hilfsmitteln 22 zur Analyse und zur Verarbeitung analysiert und numerisch verarbeitet wird.
Diese Vorrichtung ermöglicht für jeden sondierten Punkt des zu untersuchenden Objekts, die Höhe des richtig auf die Oberfläche des Objekts fokussierten Sekundärstrahls nach numerischer Verarbeitung wiederherzustellen.
Eine andere Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es, dasselbe Ergebnis zu erhalten. Man sieht in Figur 5, daß die Sekundärstrahlen, die in dem von der Lichtquelle 1 gelieferten Hauptstrahl enthalten sind, räumlich durch Hilfsmittel 34 getrennt werden. Man hat in einem nicht beschränkenden Bemühen zur Vereinfachung nur drei Sekundärstrahlen dargestellt. Jeder der Sekundärstrahlen wird mit einer bestimmten Frequenz durch Hilfsmittel 36 zur Modulation amplitudenmoduliert. Die Sekundärstrahlen werden dann überlagert, um einen Hauptstrahl zu bilden, durch Zwischenschalten von Hilfsmitteln 38, von derselben Art, wie diejenigen, die für die Trennung der Sekundärstrahlen verwendet wurden. Diese Hilfsmittel 34, 38 zur räumlichen Trennung und zur Überlagerung sind Strahlteiler, die so geformt sind, daß sie zum Beispiel nur einen Sekundärstrahl reflektieren und nicht die anderen.
Das Detektionssystem 20 umfaßt Hilfsmittel zur Demodulierung jedes Sekundärstrahls, der von dem Strahl teiler 18 zurückgesendet wird.
Man hat in Figur 6 andere Hilfsmittel dargestellt, welche zur Trennung der Sekundärstrahl, zu ihrer Amplitudenmodulation und zu ihrer Wiedervereinigung eingesetzt werden können.
Man trennt räumlich die Sekundärstrahlen, welche den von der Lichtquelle stammenden Hauptstrahl bilden, mithilfe eines Brechungsgitters 40; eine Linse 42 ermöglicht es, die Ausbreitungsrichtungen der Sekundärstrahlen zu parallelisieren (drei dieser Sekundärstrahlen sind in einer nicht beschränkenden Bemühung zur Vereinfachung dargestellt). Jeder der Sekundärstrahlen wird durch Hilfsmittel 36 mit einer bestimmten Frequenz in der Amplitude zeitmoduliert. Diese Hilfsmittel 36 zur Modulation können zum Beispiel akusto-optische Elemente sein.
Die Sekundärstrahlen werden wieder durch eine Linse 44 und ein Brechungsgitter 46 überlagert und auf die Hilfsmittel 12 zur Fokussierung und zur räumlichen Filterung (in Figur 6 nicht dargestellt) zurückgesendet.
Eine andere Ausführungsweise einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Figur 7 dargestellt.
Eine Lichtquelle 10, wie zum Beispiel ein Laser, liefert einen Hauptstrahl.
Hilfsmittel 52 zum Teilen des Hauptstrahls in eine Vielzahl von Sekundärstrahlen mit gleicher Intensität werden auf dem Weg des Hauptstrahls angeordnet.
Dieses sind zum Beispiel Strahlteiler. Nach Durchlaufen dieser Strahlteiler wird der verbleibende Hauptstrahl, welcher auch einen Sekundärstrahl bildet, durch einen Spiegel 53 zurückgesendet.
Man hat in einem nicht beschränkenden Bemühen zur Vereinfachung nur drei Sekundärstrahlen dargestellt.
Jeder der Sekundärstrahlen hat seine mit einer bestimmten Frequenz durch Hilfsmittel 36 zur Modulation, die zum Beispiel akusto-optische Elemente sein können, zeitmodulierte Amplitude.
Jeder Sekundärstrahl durchläuft nach der Modulation Hilfsmittel 51 zur Fokussierung, zum Beispiel Linsen mit verschiedenem Brennpunkt, die die verschiedene Fokussierung von jedem der Sekundärstrahlen ermöglichen.
Die verschiedenen Sekundärstrahlen werden durch die Hilfsmittel 52 zur Vereinigung wiedervereinigt, um wieder einen Hauptstrahl zu bilden, ein Spiegel zum Zurücksenden 53 ermöglicht die Wiedervereinigung des vom ersten Durchlaufen des Hauptstrahls durch einen halbtransparenten Teiler stammenden Sekundärstrahls mit den anderen Sekundärstrahlen.
Der aus den amplitudenmodulierten Sekundärstrahlen gebildete Hauptstrahl durchläuft eine erstes System 54 zur Fokussierung, dann ein zweites System 56 zur Fokussierung. Somit sind die verschiedenen Sekundärstrahlen auf die verschiedenen Höhen (z1, z2, z3) fokussiert.
Die Sekundärstrahlen werden durch ein zu untersuchendes Objekt (nicht dargestellt) reflektiert und durchlaufen wider im entgegengesetzten Sinn die verschiedenen Elemente der Vorrichtung zurück. Ein Strahlteiler 50 ermöglicht das Zurücksenden des reflektierten Strahls auf ein System 12 zur Fokussierung und zur Filterung. Nur die auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts fokussierten Strahlen werden zu dem System 20 zur Detektion durchgelassen. Die an einem Ausgang von dem System 20 zur Detektion gelieferten Signale werden analysiert, dann numerisch
verarbeitet von einem System 22 zur Analyse und zur Verarbeitung.

Claims

1. Verfahren zur optischen Abtastmikroskopie in konfokaler Anordnung mit großem Tiefenschärfebereich, dadurch gekennzeichnet, daß:

- ein Hauptlichtbündel formt, das aus einer Vielzahl von Sekundärlichtbündeln gebildet wird, welche sich voneinander in mindestens einem ihrer Merkmale unterscheiden,

- man das Hauptlichtbündel auf die Fokussierungseinrichtung (30, 51, 54, 56) lenkt, wobei die Brennweite von mindestens einem der genannten Merkmale abhängt,

- man mittels der Fokussierungsvorrichtung (30) die verschiedenen Sekundärlichtbündel auf eine Stelle des Studienobjekts mit Punkten verschiedener Höhe scharfstellt,

- man die durch das Studienobjekt auf ein Detektorsystem (20) reflektierten Sekundärlichtbündel zurückstrahlt,

- man die Lichtinsität des Sekundärbündels detektiert,

- man die detektierten Signale analysiert und numerisch verarbeitet,

- man die vorhergehenden Schritte an verschiedenen Stellen des Objekts wiederholt, wobei folglich auf der Gesamtheit des Studienobjekts ein Abtasten durch das Hauptlichtbündel ausgeführt wird.

2. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärlichtbündel sich gegenseitig durch ihre Wellenlänge unterscheiden, welche für jedes der Sekundärbündel verschieden ist.

3. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärlichtbündel sich gegenseitig durch ihre Amplitude unterscheiden, welche auf eine für jedes der Sekundärbündel charakteristische Art zeitmoduliert ist.

4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 und 2 gestattet:

- eine Lichtquelle (11), welche ein sich gegen ein Studienobjekt ausbreitendes Hauptlichtbündel aussendet:

- erste Vorrichtungen (12) zur Fokussierung und räumlichen Filterung des besagten Hauptlichtbündels,

- sekundäre Vorrichtugen (30) zur Fokussierung, welche das besagte Bündel auf das Studienobjekt fokussieren,

- eine Trennplatte (18), welche ein durch das Studienobjekt reflektiertes Lichtbündel zurücksendet,

- ein Detektorsystem (20), welches ein Signal auf den Ausgang sendet, und ein an einem mit einem Brennpunkt der sekundären Vorrichtungen (30) zur Fokussierung konjugierten Punkt plazierten Diaphragma (21),

- ein System (22) zur Analyse und zur numerischen Verarbeitung, welches ein mit dem Ausgang des Detektorsystems (20) verbundenen Eingang hat,

dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Lichtquelle (11) polychromatisch ist und das Hauptlichtbündel aus einer Vielzahl von Sekundärbündeln verschiedener Wellenlänge gebildet wird, und dadurch, daß die sekundären Vorrichtungen (30) zur Fokussierung eine Färbung hinsichtlich der Ausbreitungsrichtung des besagten Hauptlichtbündels aufweisen.

5. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem:

- ein optisches System (32), welches auf der Strecke des durch das Studienobjekt reflektierten und durch die Trennplatte (18) zurückgestrahlten Bündels angeordnet ist und in Hinsicht auf ihre entsprechenden Ausbreitungsrichtungen seitlich auftrennt, zur seitlichen Streuung der Sekundärbündel verschiedener Wellenlänge, welche die besagten reflektierten Bündel bilden,

- Detektorsysteme (20), welche dazu dienen, jeweils ein durch das optische System (32) zur seitlichen Streuung aufgetrenntes Sekundärbündel aufzufangen, umfassen jeweils ein an einem, mit einem Brennpunkt der sekundären Vorrichtungen

(30) zur Fokussierung konjugierten Punkt plaziertes Diaphragma (21) und liefern die Signale auf die mit den Eingängen des Systems (22) zur Analyse und zur numerischen Verarbeitung der besagten Signale, verbundenen Ausgänge,

umfaßt.

6. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (32) zur seitlichen Streuung ein Beugungsgitter (32') ist.

7. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (32) zur seitlichen Streuung ein Prisma (32'') ist.

-

8. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf der Strecke der Hauptbündel, zwischen der Lichtquelle (11) und den ersten Vorrichtungen (12) zur Fokussierung und zur Filterung:

- Hilfsmittel (34) zur räumlichen Auftrennung der verschiedenen Sekundärbündel,

- Hilfsmittel (36) zur Zeitmodulation der Amplituden eines jeden Sekudärbündels bei einer bestimmten Frequenz,

- Hilfsmittel (38) zur Überlagerung der verschiedenen Sekundärbündel, um wieder ein Hauptbündel zu bilden, und zur Lenkung des besagten Hauptbündels auf die ersten Vorrichtungen (12) der Fokussierung und der räumlichen Auftrennung, umfaßt.

9. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmittel (34) zur räumlichen Auftrennung der verschiedenen Sekundärbündel, welche Trennplatten und einen Spiegel zum Zurückstrahlen der nach Durchquerung der Trennplatten verbleibenden Hauptbündel umfassen, ein Sekundärbündel bilden,

und daß die Hilfsmittel (38) zur Überlagerung der Sekundärbündel Trennplatten und einen Spiegel zum Zurückstrahlen der aus der ersten Auftrennung eines Sekundärbündels des Hauptbündels entsprossenen Sekundärbündels umfassen,

und daß die Trennplatten nur eine einziges Sekundärbündel reflektieren und keine weiteren.

10. Vorrrichtung gemäß dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmittel (34) zur räumlichen Auftrennung der Sekundärlichtbündel ein Beugungsgitter (40) und eine Linse umfassen, derart, daß die Sekundärlichtbündel nach dem Durchgang durch besagte Linse (42) parallel sind und daß die Hilfsmittel (38) zur Überlagerung der Sekundärbündel eine Linse (44), welche durch die besagten Sekundärbündel durchstrahlt wird, und ein Beugungsgitter (46), welches die überlagerten Bündel auf die ersten Vorrichtungen (12) der Fokussierung und der räumlichen Filterung zurückstrahlt, beinhalten.

11. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (36) zur zeitlichen Amplitudenmodulation eines jeden Sekundärbündels akkusto-opptische Elemente sind.

12. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die polychromatische Lichtquelle (11) ein Laser ist, welcher Bündel mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen aussendet.

13. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die polychromatische Lichtquelle (11) aus mindestens zwei Lasern, gebildet wird, welche Bündel verschiedener Wellenlängen aussenden.

14. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 und 3, welche eine Lichtquelle (10) zulässt, die ein sich gegen das Studienobjekt ausbreitendes Hauptlichtbündel aussendet, dadurch gekennzeichnet, daß sie:

- die Hilfsmittel (52, 53) zum Aufteilen des Hauptlichtbündels in eine Vielzahl von Sekundärbündeln und zum Zurücksenden der Sekundärbündel auf die Vorrichtung (36) zur zeitlichen Amplitudenmodulation eines jeden Sekundärbündels bei einer bestimmten Frequenz,

- erste Hilfsmittel (51) zur Fokussierung, welche für jedes Sekundärbündel verschiedene Brennweitern aufweisen,

- Hilfsmittel (52, 53) zur Wiederverbindung und zum Zurücksenden der Sekundärbündel auf ein aus der Wiederverbindung resultierendes Hauptbündel,

- zweite Hilfsmittel (54, 56) zur Fokussierung, welche ein erstes System (54> und ein zweiters System (56) zulassen und die Fokussierung der verschiedenen Höhen von jedem der Sekundärbündel erlauben,

umfaßt und daß eine Trennplatte (50), welche zwischen der Lichtquelle (10) und den Hilfsmitteln (52) zur Auftrennung des Hauptbündels auf der Strecke eines durch das Studienobjekt reflektierten Bündels, welches die verschiedenen Elemente der Vorrichtung in der Gegenrichtung zurück durchlaufen hat, angeordnet ist, das besagte reflektierte Bündel durch die dazwischenliegenden Hilfsmittel (12) zur Fokussierung und zur Filterung auf einem Detektorsystem (20) sendet.

15. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenmodulation eines jeden Sekundärbündels für jedes der Sekundärbündel bei derselben Frequenz ausgeführt wird, wobei die Phase jeder dieser Modulationen verschieden ist.

16. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Amplitudenmodulation eines jeden Sekundärbündels bei einer für jedes dieser Sekundärbündel verschiedenen Frequenz ausgeführt wird.