DE911184C

DE911184C - Method for measuring the thickness of microscopic objects

Info

Publication number: DE911184C
Application number: DEM15038A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Erich Menzel
Original assignee: ERICH MENZEL DR ING
Current assignee: ERICH MENZEL DR ING
Priority date: 1952-08-06
Filing date: 1952-08-06
Publication date: 1954-05-10

Description

Verfahren zur Dickenmessung mikroskopischer Objekte Die Interferenzerscheinungen hinter einem kohärent beleuchteten Dreifachspalt können zur Bestimmung der Phasenverhältnisse des Lichts in den drei Spalten dienen.Method for measuring the thickness of microscopic objects The interference phenomena behind a coherently illuminated triple slit can be used to determine the phase relationships of light in the three columns.

Y. Väisälä verwendete I922 dieses Prinzip zur Ausmessung der Wellenfläche hinter einem Objektiv und damit zur Bestimmung von Linsenfehlern. Y. Väisälä used this principle in 1922 to measure the wave surface behind a lens and thus for determining lens defects.

F. Zernike beschrieb 1950 ein analoges Verfahren zur Dickenmessung an dünnen Schichten von größerer Ausdehnung: Der Dreifachspalt befindet sich an Stelle des Beugungsgitters in einer Spektrometeranordnung. In der Umgebung der Brennebene des Fernrohrobjektivs können Interferenzerscheinungen beobachtet werden, die mit der Stellung des Okulars ihr Aussehen verändern. Stellt man stets auf die gleiche charakteristische Interferenzfigur ein, so gibt die Position des Okulars ein Maß für die Phasenverhältnisse in den drei Spalten.In 1950, F. Zernike described an analog method for measuring thickness on thin layers of greater extent: the triple gap is on Place of the diffraction grating in a spectrometer arrangement. In the vicinity of the focal plane of the telescope lens, interference phenomena can be observed with change their appearance depending on the position of the eyepiece. If you always stand on the same characteristic interference figure, the position of the eyepiece is a measure for the phase relationships in the three columns.

Wird die zu messende Schicht vor den mittleren Spalt gesetzt, muß man das Okular verschieben, um wieder die charakteristische Interferenzfigur zu beobachten. Aus dieser Verschiebung ist die optische Dicke der Schicht zu ermitteln.If the layer to be measured is placed in front of the middle gap, must move the eyepiece to get the characteristic interference figure again watch. The optical thickness of the layer can be determined from this shift.

Das Verfahren von Zernike fordert die Homogenität der zu messenden Schicht und ihrer Unterlage in der Ausdehnung des ganzen Dreifachspalts. The Zernike method requires the homogeneity of the to be measured Layer and its base in the extent of the entire triple gap.

Die Objekte dürfen eine gewisse Ausdehnung nicht unterschreiten. Die tSbertragung der Dreispaltinterferenzen auf das Mikroskop gemäß der Erfindung ermöglicht Dickenmessungen auch bei Objekten von sehr kleiner Ausdehnung, beispielsweise von biologischen Präparaten. Gleichförmigkeit von Objekt und Träger ist hier nur für sehr kleine Bereiche zu fordern.The objects must not be less than a certain extent. the This enables the three-slit interference to be transmitted to the microscope according to the invention Thickness measurements even on objects of very small dimensions, for example from biological preparations. Uniformity of object and carrier is here only for asking for very small areas.

Da der Dreifachspalt nicht beliebig klein gemacht werden kann, bildet man ihn gemäß der Erfindung verkleinert auf das Objekt ab. Das geschieht beispielsweise im Strahlengang der Köhlerschen Be- leuchtung: Die monochromatische Lichtquelle Q mit dem Filter F heleuchtet über den Kondensor hond einen verstellbaren Spalt S, bei geringeren Ansprüchen genügt auch gefiltertes Glühlicht. Die Kollektivlinse K bildet S in das Mikroobjektiv Ot ali, das an Stelle des Kondensors in das Durchlichtmikroskop eingesetzt ist: der Beleuchtungsspiegel des Mikroskops muß an der Oberfläche belegt sein, um Doppelbilder zu vermeiden. In der Nähe von ksteht der Dreifachspalt DrS, er wird von Oj in das Objekt abgebildet. Der Mikroskoptubus ist wie üblich mit Objektiv 02 und Okular Ok versehen, seine Höhenstellung kann mit einer Skala Z und einem Ahlesemikroskop gemessen werden. Since the triple gap cannot be made arbitrarily small, it forms it is reduced according to the invention on the object. This is what happens, for example in the beam path of Koehler's lighting: the monochromatic one Light source Q with the filter F hlights an adjustable condenser via the condenser Gap S, if the requirements are not so high, filtered incandescent light is also sufficient. The collective lens K forms S in the micro objective Ot ali, which instead of the condenser in the transmitted light microscope is inserted: the illumination mirror of the microscope must be covered on the surface to avoid double vision. In the vicinity of k there is the triple slit DrS, it is mapped into the object by Oj. As usual, the microscope tube has an objective 02 and eyepiece Ok, its height can be set with a scale Z and a Ahlead microscope can be measured.

Zu Beginn der Messung stellt man das Mikroskop auf das Objekt scharf; gleichzeitig erscheint das verkleinerte Bild des Dreifachspalts. Zur Orientierung kann man das Objekt zusätzlich mit weißem Licht beleuclhten. Zunächst bringt man das Dreispaltbild in einen homogenen Objektbereich nahe am zu messenden Detail. Beim Heben oder Senken des Mikroskoptubus erscheinen die charakteristischen Interferenzen in der Höhe i über dem Objekt. Nun wird wieder auf das Objekt eingestellt und das zu messende Detail (Fall a) auf das Bild des Mittelspalts oder (Fall b) auf einen Seitenspalt geschoben; die beiden anderen Spalte liegen weiter im homogenen Umfeld. Das charakteristische Interferenzbild- findet sich nun im Abstand 2 über dem Objekt. At the beginning of the measurement, the microscope is focused on the object; at the same time the reduced image of the triple slit appears. For orientation you can also illuminate the object with white light. First you bring the three-slit image in a homogeneous object area close to the detail to be measured. The characteristic interferences appear when the microscope tube is raised or lowered at height i above the object. Now the object is set again and that detail to be measured (case a) on the image of the central gap or (case b) on a Side gap pushed; the other two columns are still in the homogeneous environment. The characteristic interference image can now be found at a distance 2 above the object.

Die Genauigkeit der Dickenmessung hängt sehr empfindlich ah von einer genauen Kenntnis des Abstands d der Spaltbilder im Objekt. Diese Größe läßt sich beispielsweise festlegen durchVermessung des Dreifachspalts im Komparator und eine Bestimmung der Verkleinerung bei seiner Abbildung ills Objekt. The accuracy of the thickness measurement depends on a very sensitive ah precise knowledge of the distance d between the slit images in the object. This size can for example set by measuring the triple gap in the comparator and a Determination of the reduction in its illustration ills object.

Besitzt das Objektdetail die Dicke D und die Brechzahl n und hat seine Umgehung die Brechzahler,, so gilt für die optisehe Dicke Fall 1) bringt nur die halbe Empfindlichkeit loul Fall a, er muß aber angewendet werden, wenn das zu messende Objektdetail nicht als Streifen vorliegt, sondern größere Ausdehnung besitzt (z. B.If the object detail has the thickness D and the refractive index n and has bypassed the refractive index, then applies to the optical thickness Case 1) brings only half the sensitivity loul case a, but it must be used if the object detail to be measured is not in the form of a strip, but rather has a larger dimension (e.g.

Mikrotomschnitte). Dicke und Brechzahl können getrennt angegeben werden, wenn man die optischen Dicken in zwei verschiedenen Einbettungsmitteln von bekannter Brechzahl mißt. Es ist mögloch, die Höhe des Dreifachspalts so weit zu verringern, daß das zu messende Objekt auch die Gestalt eines Scheibchens haben darf (z.B.Bakterien) und dennoch das Bild des einen Spalts völlig überdeckt.Microtome sections). Thickness and refractive index can be specified separately, when considering the optical thicknesses in two different embedding media of known Measures the refractive index. It is possible to reduce the height of the triple gap so much that the object to be measured may also have the shape of a disc (e.g. bacteria) and yet completely obscures the image of one gap.

Im Auflichtmikroskop liefern die Dreistrahlinterferenzen eine geeignete Methode zur Messung von Stufenhöhen: Der Dreifachspalt wird über den Opakilluminator vom Objektiv in das Objekt abgebildet. Die Interferenzen erscheinen beispielsweise in der Umgebung der hinteren Brennebene des Objektivs. Das Objektiv bildet Objekt und Dreifachspalt beispielsweise in die gewohnte Zwischenbildebene ab. Durch ein in der Höhe meßbar verschiebliches Hilfsmikroskop wird der Abstand der charakteristischen Interferenzen z von der Ebene des Zwischenbildes bestimmt. Das Auswerten der Messungen erfolgt wie bei der Durchlichtbeobachtung. In the incident light microscope, the three-beam interference provides a suitable one Method for measuring step heights: The triple gap is made over the opaque illuminator imaged from the lens into the object. The interferences appear for example in the vicinity of the rear focal plane of the lens. The lens forms the object and triple slit, for example, into the usual intermediate image plane. Through a The height-adjustable auxiliary microscope is the distance of the characteristic Interferences z determined by the plane of the intermediate image. Evaluating the measurements takes place as with the transmitted light observation.

Vergütete Objektive lassen für die Interferenzstreifen noch besseren Kontrast und damit höhere Einstellgenauigkeit erwarten. Wenn man bei spielsweise durch ein Vergleichsmikroskop Musterinterferenzstreifen vorgibt, wird es möglich, auch weißes Licht zu verwenden; so können Präparatdicken vom Mehrfachen der Lichtwellenlänge gemessen werden. Coated lenses leave even better ones for the interference fringes Expect contrast and thus higher setting accuracy. If you for example using a comparative microscope provides pattern interference fringes, it is possible to also to use white light; in this way, specimen thicknesses can be several times the wavelength of light be measured.

PATENTANSPR(JCHE: I. Verfahren zur Dickenmessung mikroskopischer Objekte, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise drei, Spalte auf dem Prüfling und seiner Umgebung abgebildet werden. PATENT CLAIM (JCHE: I. Method for thickness measurement microscopic Objects, characterized in that several, preferably three, column on the DUT and its surroundings are mapped.

Claims

2. The method according to claim I, characterized in that the removal characteristic interference fringe from the test object or its image Position measurements of an auxiliary microscope or a magnifying glass is determined.