JP7488587B2 - 対物レンズに対する試料の変位を検出する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、対物レンズに対する試料の変位を検出する方法に関する。特に、本発明は、試料と接続された少なくとも１つの基準物体からの光が連続した時点に対物レンズにより像平面内の基準物体像に投影されて、像平面内の基準物体像がカメラにより記録され、記録された基準物体像が互いに比較される方法に関する。

更に、本発明は、対物レンズと、対物レンズを含む投影光学系の像平面内に配置されたカメラとを備えた、そのような方法を実施するための装置に関する。

特に、回折限界を超えた空間分解能を達成する高分解能の顕微鏡において、各顕微鏡の対物レンズに対する検査試料の変位は、その変位がナノメートル範囲を上回らなくとも大きく作用する。二つの時点の間に起こる対物レンズに対する試料の変位は、そのような二つの時点に計測される、試料内の物体の位置を互いに相対的にシフトさせる。起こった対物レンズに対する試料の変位が検出されない場合、その変位を補正できず、関心を抱いている構造の顕微鏡による投影時の有効な空間分解能が、そのような変位の大きさによって決まる。

顕微鏡の対物レンズに対する試料の変位は、特に、長い測定時間に渡って、決して完全には防止できず、起こった変位を小さな値に制限することも大きい技術的な負担を生じさせるので、起こった変位を検出して、その変位を考慮する、即ち、特に、補正できるようにするとの関心が生まれる。しかし、変位の検出は、対物レンズの本来の使用形態を出来る限り阻害せずに、理想的には、そのような本来の使用形態と並列的に実施できるべきである。

特許文献１により、検査物体に設けられた物体支持ユニットに基準物体が配備された顕微鏡、特に、共焦点式又は二重共焦点式走査顕微鏡とそのような顕微鏡の動作方法が周知である。その顕微鏡の校正、調整及び／又は設定のために、基準物体を光学顕微鏡により検出し、ドリフトを発生させる変位を検出して、補正している。その基準物体は、物体支持ユニットの一部である、ガラス板のテクスチャード加工又は構造化された面であるとすることができる。その基準物体は、例えば、ランダムに分布させることができるビーズ又はナノ結晶などの物体支持ユニットに取り付けられた顕微鏡サイズの物体から構成することもできる。その基準物体は、画像撮影又は走査プロセスにより検出されて、基準物体の検出された画像データに基づき、検出された物体領域に対して相対的なその位置及び／又は向きを推定している。基準物体の検出された画像データを事前に検出された画像データと比較することによって、物体／物体支持ユニットのドリフトを推定している。次に、そのドリフトは、物体支持ユニットの動きによって、又はデジタル画像処理方法を用いて補正される。その周知の顕微鏡及び周知の方法では、その校正、調整及び／又は設定が顕微鏡の本来の使用形態を中断する、即ち、顕微鏡の本来の使用形態に対して並列的に実行できない。

特許文献２により、独立請求項１及び２２の上位概念の特徴を有する、顕微鏡のドリフトを計算する方法とそれに対応する顕微鏡が周知である。その方法を実施する場合、動かない物体が選定されて、その動かない物体の関心を抱いている領域から、第一の時点で第一の画像が撮影され、時間的にそれに続く第二の時点で第二の画像が撮影される。それらの第一及び第二の画像が、それぞれ走査によりブロックに分割され、次に、ブロック毎にシフトに関して比較される。その比較から、ドリフトが算出されて、顕微鏡のドリフトを修正するために保存される。その手順も、顕微鏡の標準的な動作中には実行できない。

特許文献３により、試料支持体に配置された基準物体を使用する、顕微鏡におけるドリフト修正が周知である。１つの同じ光源を用いて、基準物体と関心を抱いている物体の両方が照明されて、基準物体と関心を抱いている物体から放射される光子が１つの同じ画像センサーを用いて登録される。基準物体の位置は、画像センサーにより記録された画像から抽出されて、顕微鏡のドリフトを修正するために使用される。基準物体の位置を決定するために、具体的には、画像センサー上のそれに対応する光の強度分布の重心が決定される。実際には、その周知の方法を実施するためには、関心を抱いている物体と同様に、光を放射するように励起して、同じ画像センサーにより同様に投影できる基準物体を発見することが難しいことが分かっている。

光学顕微鏡に関して、補助レーザービームを照明光と共に、しかし、瞳の周縁に対して側方にシフトさせて、各光学顕微鏡の対物レンズに入射させるオートフォーカス機器が商業的に入手可能である。浸漬媒質とカバーガラスの間又はカバーガラスと包埋媒質の間の境界面において、その補助レーザービームの後方反射が起こって、それが対物レンズにより位置検知用検出器に投影される。検出器上の後方反射の位置は、対物レンズに対する境界面の間隔に依存し、その結果、検出器の位置信号を制御ループ用の測定信号として用いて、試料テーブルのｚ方向ドライバ又は追加のアクチュエータを駆動することによって、試料テーブルの発生した軸方向のドリフトを補正することができる。原理的には、そのオートフォーカス機器は、浸漬媒質とカバーガラスの間又はカバーガラスと包埋媒質の間の屈折率の飛躍的な差に頼っており、その結果、例えば、グリセリン対物レンズの使用時のような、カバーガラスのガラス位置、浸漬媒質及び包埋媒質の所定の組み合わせにおいて、オートフォーカス機器がその機能を阻害されるか、又は完全に故障する。更に、周知のオートフォーカス機器は、専らｚ方向における、即ち、対物レンズの光軸に沿った軸方向のドリフトの補正を実行できるが、それに対して直角に延びるｘ方向及びｙ方向における補正を実行できない。

ドイツ特許公開第１０１００２４６号明細書 欧州特許第１５８４４８５号明細書 国際特許公開第２０１３／０１６３５６号明細書 米国特許登録第９，３７０，９５６号明細書

本発明の課題は、関心を抱いている物体を対物レンズにより投影又は測定する各時点において、測定時間を延ばすこと無く、対物レンズに対する試料の変位を精確に検出して、補正できるような形で、関心を抱いている物体の投影又は別の測定のために対物レンズを使用している間に実行可能又は使用可能である、対物レンズに対する試料の変位を検出する方法及び装置を提示することである。

本発明の課題は、独立請求項１の特徴を有する対物レンズに対する試料の変位を検出する方法と、独立請求項２２の特徴を有する、その方法を実施するための装置とによって解決される。本発明による方法及び本発明による装置の有利な実施構成は、従属請求項に定義されている。

本発明では、対物レンズに対する試料の変位を検出する方法であって、試料と接続された少なくとも１つの基準物体からの光が連続する時点に対物レンズによって像平面内の基準物体像に投影され、この像平面内の基準物体像が、カメラにより記録され、この記録された基準物体像が互いに比較される方法は、カメラの前の像平面に対してフーリエ共役の平面において、低空間周波数が基準物体像から取り除かれることを特徴とする。

この対物レンズにより投影又は測定される基準物体は、試料の関心を抱いている物体に追加して配備することができる。しかし、好適な関心を抱いている物体では、基準物体が、その関心を抱いている物体の構造であるとすることもできる。

本発明は、少なくとも１つの基準物体の二つの投影像の間のシフトに関する情報が、専ら基準物体像の強度勾配を有する領域において得られるとの知見に基づいている。それに対して、基準物体像の強度分布が均一である領域からは、少なくとも１つの基準物体の投影像の相対的なシフトに関する情報は得られない。従って、投影像のシフトに関する情報は、特に、投影像における光強度の勾配を大きくする、暗い背景の前の明るい基準物体又はその逆の出来る限り鋭いエッジにおいて得られる。

従って、本発明による方法では、カメラの前の像平面に対してフーリエ共役の平面において、低空間周波数が基準物体像から取り除かれる、言い換えると、基準物体像における低空間周波数が高空間周波数に対して弱められる。このようにして、基準物体像の輝度勾配が大きい領域に対して均質な領域を抑制するエッジ検出フィルタリングが実行される。

基準物体像の均一な明るい像領域に対応する、取り除かれる低空間周波数が、前もって全くカメラに到達しないことによって、例えば、散乱光のために増大された信号雑音により、投影像の位置に関する情報の価値が高い高空間周波数の記録が阻害されないようにすることができる。更に、カメラの飽和強度を大きくかつ広範囲に上回ること無く、基準物体像内の少なくとも１つの基準物体の投影像の位置に関する情報の価値が最も高い基準物体像の領域において、カメラのダイナミックレンジを全体的に活用することができる。

このエッジ検出フィルタリングは、像平面に対してフーリエ共役の平面において、対物レンズの瞳の中央領域を起源とする光の成分を取り除くことによって実現することができる。それによって、瞳の中心点の近くに有る低空間周波数が抑制される。ここで、並びに以下において、レンズの瞳とは、射出瞳とも呼ばれる、その接眼レンズ側の瞳を意味する。接眼レンズ側の瞳は、軸像点から観察者に見える、対物レンズの開口絞りの像である。顕微鏡の対物レンズでは、接眼レンズ側の瞳は、実際には、その後方の焦点面と一致する。そのことは、無限光路用の対物レンズでは、正確に成り立ち、有限光路用の対物レンズでは、少なくとも近似的に成り立つ。従って、接眼レンズ側の瞳は、しばしば、ここでも対物レンズのより後方の焦点面に対する同意語として使用される。更に、接眼レンズ側の瞳は、対物レンズの物体面に対するフーリエ共役の平面の近くに有り、そのため、非常に良好な近似で、電磁界の振幅分布が像平面内に出現し、その分布は、瞳内の電磁界の振幅分布をフーリエ変換したものと一致する。従って、対物レンズの瞳の中央領域を起源とする少なくとも１つの基準物体の光の成分は、取り除くべき低空間周波数と見做される。

対物レンズの瞳の中央領域を起源とする光の成分を像平面に対してフーリエ共役の平面において取り除くために、対物レンズの瞳を正にこのフーリエ平面に投影することができる。

本発明による方法では、有利には、専ら高空間周波数が、そのため対物レンズの瞳の周縁領域を起源とする光の成分がカメラの方に透過される。更に、この高空間周波数又は瞳の周縁領域からの成分を出来る限り完全にカメラの方に透過させるのが有利である。その場合、基準物体像は、少なくとも１つの基準物体の投影像の位置に関する最大限の情報を保有する。

具体的には、低空間周波数は、そのため、対物レンズの瞳の中央領域を起源とする光の成分は、その中央領域をカバーする円板により取り除くことができる。取り除くために、この円板の代わりに、中央領域を覆うミラーを使用することもできる。その場合、このミラーは、例えば、少なくとも１つの基準物体の投影像の輝度に関する評価のために、低空間周波数を別の検出器の方に偏向することができる。カメラの前で低空間周波数を取り除くために、空間光変調器（ＳＬＭ）を使用する場合、このＳＬＭを駆動することによって、フーリエ共役の平面での取り除かれる領域を速く変えて、その領域を最適化することができる。更に、基準物体を従来の手法により、又は基準物体像に対して補助的な像としてカメラに投影するように、ＳＬＭを駆動することもできる。

フーリエ共役平面内の瞳の中央領域を覆う円板は、具体的には、中央を円形に金属蒸着したガラス基板によって実現することができる。最も簡単な場合、本発明による方法では、エッジ検出フィルタリングが、像平面に対してフーリエ共役の平面内を対物レンズの瞳の中心を通って延びる、例えば、金属から成る薄いワイヤーを用いて行われる。このフィルターは、確かに方向に依存して空間周波数をフィルタリングするが、空間周波数が高くなる程方向依存性が低下する形で、少なくとも１つの基準物体の全ての投影像に対して同様にフィルタリングする。従って、本発明による方法では、投影像の位置の変化だけを観察するので、このフィルタリングの方向依存性は重要ではない。

本発明による方法では、如何にしてカメラの前で低空間周波数が取り除かれるのかに関係無く、そのような光の成分がカメラに到達しない。即ち、本発明によるエッジ検出フィルタリングは、カメラで撮影された像の画像処理工程ではない。むしろ、本発明では、本発明によるエッジ検出フィルタリングを既に実行された基準物体像がカメラ上に直に出現する。

本発明による方法では、少なくとも１つの基準物体は、基準物体から出て来る光の強度が少なくとも９０％低下するとともに、像平面に対して平行な幅が光の波長よりも短い鋭いエッジを有するのが有利であることが分かっている。そして、少なくとも１つの基準物体からの単色光が、即ち、単一波長の光が像平面における基準物体像に投影された場合、エッジ検出フィルタリングされた基準物体像において、そのエッジに回折パターンが現れる。具体的には、光強度分布は、低空間周波数が取り除かれているために強度を大きく低減された第０の次数の最大値に続いて、第１の次数の最小値を示し、それに、第１の次数の最大値が続く。第１の次数の最小値に隣接する、第０次と第１次の最大値への二つの強度上昇は、全光量に対して、少なくとも１つの基準物体の各エッジ位置に関する高い情報密度を有する。低空間周波数を取り除く上限と投影の開口に応じて、第２次の最小値と第２次の最大値も第１次の最大値に続くことができ、第２次の最小値に隣接する、第１次と第２次の最大値への二つの強度上昇が、少なくとも１つの基準物体の各エッジ位置に関する高い情報密度を有する。

この少なくとも１つの基準物体が、照明光の波長のサイズ又はそれを下回るサイズを有する場合、実際には、それが、エッジからのみ生じて、そのように、全光量に対して、基準物体の各位置に関する最大の情報密度を提供する。具体的には、この少なくとも１つの基準物体は、光の波長を下回る直径の点形状のマーキング又はビーズであるとすることができ、その際、基準物体像における基準物体のエッジ検出フィルタリングされた単色投影像が、二つ又はそれを上回る数の同心状の強度リングを示す。商業的に入手可能であり、５０ｎｍ～１５０ｎｍの範囲内、例えば、７５ｎｍ又は１００ｎｍの直径と、３００ｎｍ～２，０００ｎｍの範囲内、例えば、５００ｎｍ又は１，０００ｎｍの長さとを有することができる、所謂金ナノロッドも基準物体として非常に良く適している。

本発明による方法において、少なくとも１つの基準物体からの単色光が、像平面内の基準物体像に投影される場合、その少なくとも１つの基準物体からの光は、その波長に基づき、対物レンズによりカメラと異なる検出器に投影される試料の測定光から分離することができる。言い換えると、本発明による方法は、別の検出器に測定光を投影する形の対物レンズの本来の使用形態と並列的に実施することができる。

具体的には、試料は、その試料と接続された少なくとも１つの基準物体からの光の放射を引き起こす照明光によって、広角に照明することができる。

ここで、この少なくとも１つの基準物体が対物レンズを通して照明される場合、照明光は、典型的には、対物レンズの瞳の中心に集束され、その理由は、その場合に照明光の平坦な波面が物体空間内に生じるからである。この照明光の集束は、基本的に、対物レンズの瞳の近くに位置するレンズ表面での照明光のカメラに向かった大きな反射を発生させることと関連する。しかし、本発明による方法では、照明光も瞳の中心領域を起源とする光であるので、照明光のそのような反射は自動的に取り除かれる。

それに代わって、対物レンズを通過させる代わりに、完全に別個の照明機器を用いて、この少なくとも１つの基準物体からの光の放射を引き起こす照明光によって、この少なくとも１つの基準物体を照明することができる。１つの別個の照明機器は、対物レンズの側方の傍に配置された照明光源、試料を介して対物レンズに対向する照明光源又は対物レンズと試料の間に置かれた照明光源を備えることができる。

また、ここで、カメラの前で低空間周波数が基準物体像から取り除かれるとの特徴から独立して発明として開示される、本発明による方法の１つの実施構成では、この少なくとも１つの基準物体は、対物レンズの光軸に対して直角の方向に向けられた試料の導波体を通して、この少なくとも１つの基準物体からの光の放射を引き起こす照明光によって照明される。試料のガラス板又はそれ以外の光学的に透明な材料から形成された板を導波体として使用することができる。この照明は、この少なくとも１つの基準物体が板の表面又は板の中に有る場合に、特に効果的である。この板は、具体的には、物体支持体又は試料のカバーガラスであるとすることができる。この物体支持体又はカバーガラスが、散乱中心として作用する欠陥を有する場合、それらの欠陥は、基準物体としての役割を果たすことができる。照明光がコヒーレントな光である場合、例えば、対物レンズの瞳の中央領域を起源とする光の成分を取り除かなくても、この少なくとも１つの基準物体又は試料の別の部分により散乱された照明光のスペックルパターンをカメラで検出して、変化を観察することができる。

ここで、この少なくとも１つの基準物体を照明するために、明示的にコヒーレントな単色の照明光が使用されない場合でも、この少なくとも１つの基準物体が十分に鋭いエッジと、特に、照明光の波長を下回る直径とを有すれば、基準物体像において、照明パターンが現れることを指摘しておきたい。

如何なる場合でも、本発明による方法では、単一波長の単色の照明光で試料を照明して、この少なくとも１つの基準物体から正にそのような波長の光を生じさせるのが有利である。この場合、照明光に関する「単色」又は「単一波長」との記述は、常に照明光の波長の帯域幅が、ここで述べた照明パターンが対物レンズに対する試料の変位を検出するために利用可能な形状で発生するような狭さであることであると理解する。そのためには、レーザーダイオードを含む、従来の安価なレーザーを使用すれば、それで十分である。

有利には、この少なくとも１つの基準物体は、試料からの測定光及び試料からの測定光を引き起こす励起光の波長とそれぞれ少なくとも５０ｎｍ、又は有利には、少なくとも１００ｎｍだけ異なる波長の照明光によって照明される。このような照明光と、少なくとも１つの基準物体からの光、試料の測定光及び測定光を引き起こす励起光との間の波長差は、この少なくとも１つの基準物体からの光を測定光からスペクトル的に分離することだけでなく、励起光による試料の測定と照明光による少なくとも１つの基準物体からの光の生起とを問題無く並存させることをも可能にする。

本発明による方法では、基準物体像において、更に、試料と物体の間に有る少なくとも１つの光学的な境界面又は対物レンズに配置された少なくとも１つの別の基準物体からの別の光をカメラによって記録することができる。この別の光は、対物レンズに対する光学的な境界面又はカメラに対する対物レンズの相対的な位置に関する、そのため、補正を必要とする、場合によっては発生する追加のドリフトに関する更なる情報を有する。本発明による方法では、この別の光に関しても、エッジ検出フィルタリングを実行することができる。

本発明による方法では、カメラは、有利には、基準物体像における最大画像強度がカメラの飽和強度の９０％～１，０００％に達するように制御される。この場合、最大光強度がその飽和強度の１００～１５０％に達するのが有利である。言い換えると、カメラは、そのダイナミックレンジがフルに利用されるように制御され、その際、最大光強度がカメラの飽和強度を上回り、そのため、最早解像されないことを甘受することとなる。それは、本発明による方法で出現する、エッジ検出フィルタリングされた基準物体像においても、最も高い光強度が少なくとも１つの基準物体の関心を抱いている投影位置に関して僅かな情報しか含まないとの考察に基づいている。その下で出現する強度勾配を最大限に解像することが、より重要である。

本発明による方法の枠組みにおいて、記録された基準物体像を比較する場合、基準物体像の間の少なくとも１つの基準物体の投影像のシフトから、対物レンズの光軸に対して直角の、即ち、ｘ方向及びｙ方向における対物レンズに対する試料の横方向の変位を推定することができる。このシフトは、例えば、基準物体像の間の相関を計算することによって決定することができる。それに対して、基準物体像の間の少なくとも１つの基準物体の投影像の変形から、対物レンズの光軸に沿った対物レンズに対する試料の変位を推定することができる。この場合、基準物体像における少なくとも１つの基準物体の投影像と基準物体比較像におけるその基準物体又は別の基準物体の投影像との類似度から、対物レンズの光軸に沿った対物レンズに対する試料の絶対値及び／又は方向に関して決定された変位を推定することができる。即ち、具体的には、本発明による方法を実施する最初に、光軸に沿った対物レンズに対する試料の様々な間隔に関する一連の基準物体比較像を記録することができる。次に、基準物体像の中の１つにおける少なくとも１つの基準物体の投影像と基準物体比較像における基準物体の投影像との類似度から、各基準物体像に対応する間隔を推理することができる。この推理は、カメラと対物レンズの間に配置された円筒レンズ又は別の光学部品を用いて、対物レンズの焦点面に対する間隔が増大する程、少なくとも１つの基準物体の投影像の変形の対称性を増大させて、その結果、カメラへの投影時の収差又は別の投影誤差を取り入れた場合に簡単になり、この間隔の方向が検知可能となる。

本発明による方法では、この少なくとも１つの基準物体は、集束された光パルスによって、試料のガラス板又はそれ以外の光学的に透明な材料から成る板に設けることができる。ガラス板自体が、集束された光パルスにより、例えば、蒸着によって、局所的に変更可能であることは、基本的に周知である（例えば、特許文献４を参照）。本発明による方法では、この少なくとも１つの基準物体を試料の特に適した位置に設定する、又は試料に組み込むために、それを利用することができる。そのために、対物レンズを用いて、光学的に透明な材料から成る各板に光パルスを集束させることができる。この場合、集束された光パルスは、試料から測定光を発生させるために、局所的な光強度分布により試料を走査するためのスキャナを用いて、板に対して位置決めすることができる。それは、特に、レーザー走査顕微鏡のスキャナを意味する。例えば、レーザーが、そのためにそのレーザーパワーを特に短時間の光パルスに集中させるのに適している場合、試料から測定光を発生させるために、局所的な光強度分布を提供する、そのようなレーザー走査顕微鏡のレーザーも、試料に基準物体を組み込むための光パルスを提供するために用いることができる。集束された光パルスを用いて基準物体を組み込んだ、光学的に透明な材料から成る試料の板としては、試料のカバーガラスも、試料支持体も考慮の対象となる。

更に、光パルスの繰り返しにより、試料の板又はそれ以外の光学的に透明な材料から成る板に、情報を符号化した連続的なパターンを試料に組み込むことができる。その際の符号化された情報は、例えば、試料の既に実施された測定の形式、範囲及び／又は時点を記録することができる。

既に繰り返し述べた通り、本発明による方法は、試料を測定するための対物レンズの本来の利用中に実施することができる。具体的には、共焦点式ＳＴＥＤ顕微鏡、ＲＥＳＯＬＦＴ顕微鏡又はＭＩＮＦＬＵＸ顕微鏡により試料の関心を抱いている構造を投影している間に、基準物体像をカメラにより記録することができる。ここで、対物レンズに対する試料の変位を本発明による方法により検出した場合、試料の顕微鏡による投影のために、それらの変位を補正することができる。この補正は、変位の直接的な平準化によって、対物レンズに対する試料の逆向きの変位によって、又は対物レンズに対する試料の仮想的な動きを適応光学系の駆動によって実行することによって実現できるが、試料の顕微鏡による投影の計算による修正によっても実現することができる。

この少なくとも１つの基準物体が、対物レンズの光軸の方向において試料の関心を抱いている物体から明らかに間隔を開けた基準物体平面内に有る場合、対物レンズに対して追加された少なくとも１つのレンズを用いて、この少なくとも１つの基準物体を像平面内の基準物体像に投影するのが合理的である。即ち、基準物体平面は、対物レンズにより投影される、試料の関心を抱いている物体が配置された物体平面に対して、対物レンズの光軸の方向にずらすことができる。より一般的に述べると、投影光学系の焦点距離が調整可能であり、その結果、投影光学系により像平面に投影される基準物体平面が、対物レンズが投影する物体平面に対して対物レンズの光軸の方向にスライド可能であるのが有利である。

対物レンズと、対物レンズを含む投影光学系の像平面に配置されたカメラとを備えた、本発明による方法を実施するための本発明による装置では、対物レンズとカメラの間において、投影光学系が像平面に投影する基準物体像から低空間周波数を取り除くように構成された光学機器が、像平面に対してフーリエ共役の平面内に配置される。

そのように配置され、構成された光学機器は、対物レンズの瞳の中央領域を起源とする光の成分を取り除く。

有利には、この機器は、対物レンズの瞳が投影される、像平面に対してフーリエ共役の平面内に配置される。

具体的には、この低空間周波数を取り除く光学機器は、軸像点の周り、そのため瞳の中央領域の周りの像平面の領域を覆う円板、本装置の別の検出器の方に低空間周波数を偏向させるミラー又は空間光変調器（ＳＬＭ）を備える。最も簡単な場合、この光学機器は、軸像点又は瞳の投影像の中心を通ってフーリエ共役平面内を延びるワイヤーである。

フーリエ共役の平面と対物レンズの間には、照明光源が照明光を対物レンズの方に入射させるための偏光ビームスプリッタを配置することができ、その際、対物レンズの前に配置された少なくとも１つの基準物体での照明光の反射後に対物レンズに戻って来る光が、その偏光方向に基づき、偏光ビームスプリッタからカメラの方に送り出される。

円偏光方向を維持する反射された光だけをカメラの方に通過させるために、偏光ビームスプリッタと対物レンズの間に、１／４波長遅延板を配置することができる。この偏光ビームスプリッタと対物レンズの間の１／４波長遅延板のために、基準物体により散乱された光が、偏光ビームスプリッタに当たった際に、主に照明光に対して直角の偏光を有し、その偏光が、偏光ビームスプリッタによって、照明光から分離された後、カメラに投影される。それに対して、偏光ビームスプリッタと１／４波長遅延板の間に有る光学部品の表面での照明光の起こり得る反射が、偏光ビームスプリッタによって、照明ビームの方向に偏向される。

しかし、この１／４波長遅延板を省いて、目的通り、各々の光学的な境界面で反射された照明光と逆向きに円偏光方向を変えた、少なくとも１つの基準物体からの光だけを偏光ビームスプリッタからカメラの方に送り出すこともできる。

本発明による装置は、対物レンズとカメラの間に、少なくとも１つの基準物体からの単一波長の光だけをカメラの方に通過させるバンドパスフィルターを備えることができる。

本装置の少なくとも１つの基準物体を照明する照明光源は、単色の照明光、即ち、単一波長の照明光を提供することができ、その波長は、通常は対物レンズとカメラの間に配置されたバンドパスフィルターがカメラの方に通過させる波長である。

有利には、照明光は、直線偏光され、コリメートされた照明ビームの形で偏光ビームスプリッタを介して入射される。具体的には、照明光は、約８００ｎｍ、又は有利には、約９００ｎｍ～１，３００ｎｍの赤外線領域の波長を有することができる。照明光が、チューブレンズを介して、対物レンズの瞳に集束された場合、試料は、その照明ビームによって広範囲に、即ち、広角に照明される。ここで、照明光が、試料の領域に照明光の平坦な波面を形成するように対物レンズの瞳の中心に集束された場合、光軸に対して直角である、瞳の近くのレンズ表面で、カメラの方への照明光の大きな反射が起こり、この反射は、基準物体像の撮影を損なう可能性が有るとともに、偏光ビームスプリッタとそのスプリッタと対物レンズの間に配置された１／４波長遅延板を用いてもカメラによって捉えられない。光軸に対して或る角度で第一のレンズ表面に到達するビームの光又は集束された照明光の円錐も、そのレンズ表面に垂直又はほぼ垂直に当たることができ、その結果、それ自体が鏡面反射され、それに応じて、同じくカメラの方に向かって行く照明光の反射に寄与する。しかし、これらの全ての反射も、瞳の中央領域からの光を取り除く光学機器によって自動的に取り除かれる。

基準物体は、有利には、試料のカバーガラスの表面におけるマーキングである。

既に明らかにした通り、対物レンズとカメラの間における本発明による装置の光路は、対物レンズにおいて、有利には無限光路として始まる。ここで、それに対応して、対物レンズは、試料の本来の測定時においても、無限光路に繋がる。

本発明の有利な改善構成は、請求項、明細書及び図面から明らかになる。明細書で述べた特徴及び複数の特徴の組合せの利点は、単に例であって、それらの利点が必ずしも本発明の実施構成により実現する必要が無いものであっても、代替的又は累積的に作用することができる。それによって、添付した請求項の対象を変更すること無く、本来の出願書類及び特許の開示内容に関して、以下のことが言える。更なる特徴が図面（特に、図示された複数の構成要素の幾何学的形状及び互いの相対的なサイズとそれらの相対的な配置構成及び作用連携形態）から読み取れる。本発明の異なる実施構成の特徴又は異なる請求項の特徴の組合せは、同じく請求項の選定された引用形態と異なる形で可能であり、そのため推奨される。このことは、別個の図面に図示されるか、又はそれらの記述で言及された特徴とも関連する。これらの特徴は、異なる請求項の特徴と組み合わせることもできる。同様に、請求項に記述された、本発明の更なる実施構成に関する特徴を考慮に入れないことも可能である。

請求項及び明細書で言及された特徴は、そこでの数に関して、「少なくとも」との形容詞の明示的な使用を必要とすること無く、厳密にはその数が存在するか、又は言及された数よりも多い数が存在すると理解されたい。即ち、例えば、１つの光学部品について記述されている場合、厳密には１つの光学部品、二つの光学部品又はそれを上回る光学部品が存在すると理解されたい。請求項に記述された特徴は、別の特徴によって補完するか、又は各方法又は各装置が有する幾つかの特徴であるとすることができる。

請求項に含まれる符号は、その請求項によって保護される対象の範囲を制限するものではない。それらは、単に請求項をより容易に理解できるようにするとの目的を果たすものである。

以下において、図面に図示された有利な実施例に基づき、本発明を更に説明して、記述する。

本発明による方法を実施するための本発明による装置の第一の実施構成の模式図 図１による装置の実施構成の細部の模式図 図２による細部の変化形態の模式図 本発明によりエッジ検出フィルタリングされた基準物体像の簡略図 本発明によりエッジ検出フィルタリングされた基準物体像においてフィルタリングで取り除かれた画像成分から成る、図４による基準物体像に対する補足的な像の簡略図 本発明によりエッジ検出フィルタリングされた実際の基準物体像の図 実際の基準物体像への基準物体の投影による図６に記入された断面線に沿った強度プロファイルの図 図１における本発明による装置の補正機器のブロック構成図 同じく基準物体の入射光照明部を備えた本発明による装置の別の実施構成の模式図 基準物体の透過光照明部を備えた本発明による装置の実施構成の模式図 基準物体の横方向照明部を備えた本発明による装置の実施構成の模式図 図９の本発明による装置の実施構成の変化形態の細部の模式図 図９の本発明による装置の別の変化形態の細部の模式図

図１に図示された装置１は、対物レンズ３に対する試料２の変位を検出する役割を果たす。試料２は、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向に移動可能な試料位置決め機４の上に配置され、ｚ方向は、対物レンズ３の光軸４４と一致する。試料２は、物体支持部５、カバーガラス６及びそれらの間に配置された関心を抱いている物体を有する。この物体は、一次的には対物レンズ３を用いて検査される、即ち、例えば、顕微鏡により投影又は測定されるが、そのことは、図１に詳しく図示されていない。この対物レンズ３を用いた関心を抱いている物体の検査は、その間に生じるドリフトを検出して、補正するために、対物レンズ３に対する試料２の変位を検出する装置１の使用と並列的に行われる。

本装置１は、単一波長の照明光８、即ち、単色の照明光８から成るビームを提供する照明光源７を有する。この照明光８は、偏光ビームスプリッタ９とチューブレンズ１０を介して、対物レンズ３に入射されて、具体的には、対物レンズ３の光軸４４上の有る、対物レンズ３の接眼レンズ側の瞳１９の中心に入射されて、広角に試料２を照明する。ここで全ての図面に図示された無限光路、試料２から到来する光、並びに接眼レンズ側の瞳１９を通って再び対物レンズ３から出て行く光（平行な、又は無限の位置に集束される光束）において、接眼レンズ側の瞳１９は、対物レンズ３の後方の焦点面と一致し、その結果、ここでは、「接眼レンズ側の瞳」との用語は、対物レンズ３の後方の焦点面と同意語である。しかし、顕微鏡の対物レンズ３から再び出て行く収斂する光の焦点が有限の位置に有る有限光路の場合でも、接眼レンズ側の瞳は、以下の説明に関して関連する違いがその結果生じない程度に、対物レンズ３の後方の焦点面の近くに存在することができる。

図１に図示されている通り、最初にｓ直線偏光された照明光８を右回りに偏光させる１／４波長遅延板１１をチューブレンズ１０と対物レンズ３の間に配置することができる。それに対応する試料２内の基準物体によって散乱された光４３は、ほぼ右回りに偏光されたままであり、そして１／４波長遅延板１１を新たに通過した後、ｐ直線偏光され、その結果、偏光ビームスプリッタ９からカメラ１２に向かって送り出される。それに対して、偏光ビームスプリッタ９と１／４波長遅延板１１の間の光学的な境界面で反射された光は、引き続きｓ直線偏光されて、偏光ビームスプリッタ９から照明光源７に戻される。

１／４波長遅延板１１を省略した場合、光学的な境界面で偏光ビームスプリッタ９から試料２を含めて試料２にまで反射される全ての光が、引き続きｓ直線偏光されるとともに、偏光ビームスプリッタ９から照明光源７に戻される。これは、凡そ基準物体から対物レンズ３に戻された光にも言えることである。しかし、或る程度の基準物体で散乱された照明光８は、ｐ直線偏光されて、偏光ビームスプリッタ９を通ってカメラ１２に到達する。そのように基準物体からカメラ１２に選択的に到達する光４３の絶対量は、必要な場合に照明光８の強度を高めることによって増大させることができる。

試料２内の基準物体からの光４３は、接眼レンズ１３及び別のレンズ１４を用いて像平面１５内の基準物体像に投影される。これらの像平面１５内の基準物体像は、カメラ１２によって記録される。この場合、偏光ビームスプリッタ９とカメラ１２の間には、更に、照明光の波長の光４３だけをカメラ１２の方に送り出すバンドパスフィルター１６が配置されている。更に、そこの像平面１５に対してフーリエ共役の平面１７には、フーリエ共役平面１７における瞳１９の投影像の中心領域に配置された円板２０を用いて、対物レンズ３の瞳１９の中央領域を起源とする光の成分を取り除く振幅フィルター１８が配置されている。それによって、振幅フィルター１８は、像平面１５における基準物体像のエッジ検出フィルタリングを実現し、詳しくは、カメラ１２の前で実現し、その結果、カメラ１２は、像平面１５に渡る光強度分布を登録することによって、漸くエッジ検出フィルタリングされた基準物体像を記録する。

基準物体が単色の照明光８により照明されるので、基準物体像の光強度分布における基準物体の鋭いエッジにおいて、エッジ検出フィルタリングによって大きく減衰された第０次の最大値に続いて、第１次の最小値が出現し、その最小値に対して、再び第１次の最大値が続く。第１次の最小値に隣接する、第０次と第１次の最大値への強度上昇は、全体的な量に対して、基準物体のエッジ位置に関する高い情報密度を有する。基準物体が照明光８の波長のサイズ又はそれを下回るサイズを有する場合、実際には、基準物体は、エッジだけから構成されて、そのように全体的な量に対して基準物体の位置に関する最大限の情報密度を提供する。

更に、円板２０は、図１の１／４波長遅延板１１が存在する場合でも、光軸４４上の接眼レンズ側の瞳１９に集束され、接眼レンズ側の瞳１９の近くに有る、光軸４４の領域における光軸４４に対して直角の方向を向いた対物レンズ３の光学的な境界面によって反射された照明光８の成分がカメラ１２に到達せず、カメラ１２によるエッジフィルタリングされた基準物体像の記録を妨げないとの作用を奏する。むしろ、この瞳１９の投影像の中心領域に配置された円板２０は、対物レンズ３の瞳１９の中心領域からの光のそのような成分も取り除く。

本装置１を用いて、基準物体像が連続した時点に撮影されて、これらの基準物体像は、試料位置決め機４を駆動することによって、基準物体像の変化のために目視可能となった対物レンズ３に対する試料の変位を補正するために、補正機器２１により比較される。

図２は、振幅フィルター１８を軸方向から見た平面図で図示している。この円板２０は、透明な基板２２の金属製の被膜として形成されており、振幅フィルター１８が配置されたフーリエ共役平面１７における対物レンズ３の瞳の投影像２３の中心に位置決めされる。このフーリエ共役平面１７は、像平面１５に対するフーリエ平面であり、その結果、円板２０は、基準物体像から低空間周波数を取り除く一方、より高い空間周波数を通過させる。

図３による振幅フィルター１８の実施構成では、そのフィルターは、フーリエ共役平面１７における対物レンズ３の瞳１９の投影像２３に渡って、その中心を通って直線的に延びるワイヤー２４として形成されている。このワイヤー２４は、確かにフーリエ平面において、より高い空間周波数を取り除くが、僅かしか取り除かない一方、図２による円板２０と同様に低空間周波数を完全に取り除く。

図４は、基準物体１６からの光の強度が増大する周縁領域だけからの個々の基準物体の投影像２６から成る、本発明によるエッジ検出フィルタリングから得られた基準物体像５を図示している。図４による基準物体像２５に対する補足的な図５による像２７において示された、基準物体像２５内の投影像２６の位置に関して利用可能な情報を含まない、これらの投影像２６の中心におけるほぼ一定の高さの強度は、基準物体像２５から取り除かれたものである。従って、それらは、カメラ１２によっても登録されず、カメラ１２に影響を与えない。むしろ、カメラ１２は、図４による基準物体像２５における投影像２６の強度上昇領域を最大限に解像するように制御される。

図４による基準物体像２５を図５による補足的な像２７と重ね合わせると、基準物体の従来の像が得られる。しかし、そのような基準物体の従来の像は、本発明による装置１のカメラ１２を用いて記録されず、それに対応して、画像処理によっても、図４による基準物体像２５とそれに対して補足的な図５による像２７とに分解されない。

図４及び５は、ほぼ点形状の基準物体の基準物体像２５及びそれに対して補足的な像２７の簡略図を図示する一方、図６は、直径が光の波長よりも短い所謂金ナノロッドの形の本発明によるエッジ検出フィルタリングされた実際の基準物体像２５を図示している。個々の基準物体の像２６は、各金ナノロッドの長手方向の延びに対して直角の方向において、それぞれ１つの第０次の強度最大値４６とそれに隣接する二つの第１次の強度最大値４８とを有する回折パターンを示している。

図７には、図６に記入された基準物体の中の１つの投影像２６の断面線４５に沿った光強度の推移が、図１によるカメラ１２のピクセル単位の距離に関してプロットされている。このカメラ１２により記録された光強度は、第０次の最大値４６の領域において、エッジ検出フィルタリングによって第１次の最大値４８の光強度レベルに抑制されるだけでなく、カメラ１２の制御によっても、１つの最大値でカットされている。ここで、後者は、左側に表示された第１次の最大値４８の光強度にも言えることである。第０次と第１次の強度最大値４６と４８の間には、第１次の最小値４７が有る。基準物体の位置に関する特別な情報密度が、第１次の強度最小値４７に隣接する強度上昇領域４９及び５０に現れる。第２次の強度最小値５２から第１次の強度最大値４８までの強度上昇領域５１も利用可能な位置情報を含む。

図８は、図１による補正機器２１又は本発明による方法の１つの実施構成を図示している。先ずは、この補正機器２１の学習モードにおいて、対物レンズ３の光軸に沿った軸方向位置ｚ_ｉが異なる一連の基準物体が撮影されて、基準物体比較像として比較像貯蔵メモリ２８に保存される。次に、試料２が位置決め機４を用いて目標位置に移動されて、補正機器２１の補正モードがスタートする。この補正モードでは、制御ループが実行される。この制御ループの実行毎に、基準物体像２５がカメラ１２で撮影される。次に、像相関器２９によって、撮影された基準物体像と比較像貯蔵メモリ２８内の基準物体比較像の中の少なくとも幾つかとの空間的な相互相関が計算される。これらの計算から、相関最大値の位置の形で横方向の位置偏差Δｒが得られる。この相関最大値の位置は、基準像貯蔵メモリ２８内の基準物体比較像の中の１つ又は複数における投影像２６の位置に対する実際の基準物体像における基準物体の投影像２６のずれに対応する。この横方向の位置偏差Δｒは、学習モードでの基準物体比較像の撮影以降の対物レンズ３の光軸４４に対する試料２の横方向のドリフトを表す。更に、像相関器は、実際の基準物体像２５に対する像類似度が最も高い、即ち、基準物体の投影像２６と同様に成形された、又は変形した基準物体比較像を求める。この最も類似する基準物体比較像の軸方向の位置ｚ_ｉから、軸方向の位置偏差Δｌが推定される、詳しくは、試料２の実際の軸方向の位置が類似度が最も高い基準物体比較像の軸方向の位置ｚ_ｉに等しいと見做されるか、又は対物レンズ３に対する試料２の実際の軸方向の位置が、類似度が最も高い基準物体比較像の軸方向の位置ｚ_ｉから外挿されることによって推定される。制御信号波形器３０及び３１を用いて、カメラ１２への試料２の投影倍率を考慮して、横方向の位置偏差Δｒと軸方向の位置偏差Δｌを補正するための制御信号３２及び３３が、これらの位置偏差を解消するとの意味で成形される。これらの制御信号３２及び３３による試料位置決め機４の駆動後に、カメラ１２により次の基準物体像２５を撮影する制御ループの次の実行が行われる。

実際の基準物体像２５と比較像貯蔵メモリ２８内の基準物体比較像の間の相互相関の計算に関して、起こり得る妨害信号を取り除くために、像全体を考慮する代わりに、基準物体像と基準物体比較像の部分領域だけを考慮することもできる。基準物体比較像の撮影は、軸方向の等間隔の位置で行うことができるが、必ずしもそうする必要はない。むしろ、試料２の目標位置の周りの基準物体比較像の軸方向の間隔を非常に短く選定して、目標位置に対する軸方向の間隔が大きくなる程長くするのが有利である。このようにして、軸方向のドリフトが小さい領域において、細かく区分された基準物体比較像が出現し、その結果、漸く小さい偏差を検出することができる。それと同時に、より大きなドリフト範囲をカバーすることができ、そのために多数の基準物体比較像を撮影して、制御ループの実行毎に処理する必要がなくなる。

更に、基準物体像２５の投影像２６の形で基準物体によって生成される信号の外に、対物レンズ３又は対物レンズ３の瞳１９の前に配置されたメニスカスレンズによる後方反射をカメラ１２に投影することが可能である。この後方反射に基づき、基準物体像２５への基準物体の投影に関与する光学部品の場合によっては起こるドリフトを別個に、即ち、対物レンズ３に対する試料２のドリフトと独立して検出して、修正することができる。

図９による本装置１の実施構成は、振幅フィルター１８が確かに像平面１５に対してフーリエ共役の平面１７に配置されてもいるが、接眼レンズ１３の後方に、そのため対物レンズ３の瞳１９が投影される、物体平面に対してフーリエ共役の平面に配置されていない多少コンパクトな構造である点が図１による本装置と異なる。しかし、この場合でも、カメラ１２の前の円板２０が、低空間周波数を取り除くととともに、対物レンズ３の瞳１９の中央領域からの光の成分も取り除く。図９に照明光８と基準物体からの光の偏光機器が記入されていないことは、そこに図１と同じ偏光機器が存在できないことを意味しない。光路内の別の場所にバンドパスフィルター１６が配置されていることは、図１と比べてその機能を何ら変更するものではない。

図１０による本装置１の実施構成では、照明光８が対物レンズ３を通して入射光形態で試料２に入射されない。それに代わって、ここでは、照明光８が、透過光形態で照明光源７から集光レンズ３４、明視野絞り３５、開口絞り３６及び集束レンズ３７を介して対物レンズ３に対して後方から試料２に入射される。図１０による本装置１の実施構成では、カメラ１２が配置された像平面１５上への試料２内の照明光８で照明された基準物体の投影像は、図１による本装置１の実施構成での投影像と一致する。この場合、図１で同じく存在するが、図示されていない中間像平面３８が更に記入されている。本装置１のこの実施構成においても、図１０において照明光源７が電球として描かれていても、基準物体からカメラ１２に到達する光４３は、単一波長だけを有す、即ち、単色であるとすることができる。

図１１は、更に試料２内の基準物体を照明する別の手法が実現された本装置１の実施構成を図示している。この照明形態は、細部を拡大した形で図示されている。照明光８のビームがプリズム３９を介して、そのように照明光８の導波体としての機能を果たすカバーガラス６に横方向から入射される。試料２内の基準物体４０は、カバーガラス６に導入された照明光８によって照明される。基準物体４０からカメラ１２への光の投影像は、図１及び図１０と一致する。

図１２は、光導波体を介して照明光８を図１１によるプリズム３９に入射させるために、如何にして保持機器４２を用いて光導波体４１を対物レンズ３に固定できるのかを図示している。

図１３は、横方向からの照明の代替実施構成を図１１に対応する図面の細部を拡大した形で図示している。この光導波体４１は、ここでは、試料支持体５上に配置されたプリズム３９に照明光８を入射させ、その結果、ここでは、試料支持体５が、照明光を試料２内の基準物体４０に案内するための照明光８用の導波体としての役割を果たす。基準物体４０は、試料２内に、又はカバーガラス６又は試料支持体５内にレーザー光を用いて設けたマーキングであるとすることができる。そのために、レーザー光は、高い密度の短いパルスで試料２の各位置に投入することができ、その際、各ガラスの破壊閾値が達成される。このようにして、各試料の特に適した位置に基準物体４０を設けることができる。

ここで、図１１～１３に基づき説明した横方向からの基準物体の照明は、対物レンズの瞳の中央領域を起源とする光の成分がカメラの前で取り除かれるとの特徴と独立した形でも、発明として開示される。
なお、本願は、特許請求の範囲に記載の発明に関するものであるが、他の態様として以下の構成も包含し得る。
１．
対物レンズ（３）に対する試料（２）の変位を検出する方法であって、
試料（２）と接続された少なくとも１つの基準物体（４０）からの光（４３）が、連続した時点に対物レンズ（３）により像平面（１５）内の基準物体像（２５）に投影され、 これらの像平面（１５）内の基準物体像（２５）がカメラ（１２）により記録され、
これらの記録された基準物体像（２５）が互いに比較される当該方法において、
カメラ（１２）の前の像平面（１５）に対してフーリエ共役の平面（１７）で、低空間周波数が、これらの基準物体像（２５）から取り除かれる当該方法。
２．
対物レンズ（３）の瞳（１９）の中央領域を起源とする光（４３）の成分が像平面（１５）に対してフーリエ共役の平面（１７）で取り除かれることによって、前記低空間周波数がカメラ（１２）の前で取り除かれる上記１に記載の方法。
３．
前記対物レンズ（３）の瞳（１９）が、像平面（１５）に対してフーリエ共役の平面（１７）に投影される上記２に記載の方法。
４．
前記低空間周波数が、円板（２０）、この低空間周波数を別の検出器の方に偏向させるミラー又は空間光変調器（ＳＬＭ）を用いてカメラ（１２）の前で取り除かれる上記１～３のいずれか１つに記載の方法。
５．
前記少なくとも１つの基準物体（４０）がエッジを有し、このエッジを介して、その基準物体（４０）から出て来る光（４３）の強度が少なくとも９０％低下するとともに、このエッジの像平面に対して平行な幅が、この光（４３）の波長よりも短い上記１～４のいずれか１つに記載の方法。
６．
前記少なくとも１つの基準物体（４０）が前記光（４３）の波長を下回る直径を有する点形状のマーキング又はビーズである上記５に記載の方法。
７．
単一波長の光（４３）が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）から像平面（１５）内の基準物体像（２５）に投影される上記１～６のいずれか１つに記載の方法。
８．
前記少なくとも１つの基準物体（４０）からの光（４３）が、その波長に基づき、対物レンズ（３）により前記カメラ（１２）とは別の検出器上に投影される試料（２）の測定光から分離される上記１～７のいずれか１つに記載の方法。
９．
前記試料（２）が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）からの光のビームを生じさせる照明光（８）によって、広角に照明される上記１～８のいずれか１つに記載の方法。
１０．
前記照明光（８）が対物レンズ（３）の瞳（１９）の中心に集束される上記９に記載の方法。
１１．
前記少なくとも１つの基準物体（４０）が、
対物レンズ（３）を介して、又は
対物レンズ（３）の近くに配置されるか、試料（２）を介して対物レンズ（３）に対向するか、又は対物レンズ（３）と試料（２）の間に置かれた照明光源（７）からの、照明光（８）によって照明されて、この照明光が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）からの光（４３）の放射を引き起こす上記１～１０のいずれか１つに記載の方法。
１２．
前記少なくとも１つの基準物体（４０）が、対物レンズ（３）の光軸（４４）に対して直角の方向に向けられた導波体を介して、照明光（８）によって照明されて、この照明光が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）から生じさせる上記１～８のいずれか１つに記載の方法。
１３．
前記導波体が、試料支持体（５）又は試料（２）のカバーガラス（６）としての役割を果たす光学的に透明な材料から成る板である上記１２に記載の方法。
１４．
前記試料（２）が単一波長の照明光（８）によって照明されて、この照明光が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）からの光（４２）を生じさせる上記１～１３のいずれか１つに記載の方法。
１５．
前記照明光（８）の波長が、試料（２）の測定光及び試料（２）の測定光を生じさせる励起光とそれぞれ少なくとも５０ｎｍ又は少なくとも１００ｎｍだけ異なることと、前記照明光（８）の波長が８００ｎｍに等しい又はそれを上回る、有利には、９００ｎｍに等しい又はそれを上回ることとの中の１つ以上を特徴とする上記１４に記載の方法。
１６．
前記基準物体像（２５）において、試料（２）と対物レンズ（３）の間に有る少なくとも１つの光学的な境界面又は対物レンズ（３）に配置された少なくとも１つの別の基準物体（４０）からの更に別の光がカメラ（１２）により記録される上記１～１５のいずれか１つに記載の方法。
１７．
基準物体像（２５）における最大光強度がカメラ（１２）の飽和強度の９０％～１，０００％又は１００％～１５０％に達するように、前記カメラ（１２）が制御される上記１～１６のいずれか１つに記載の方法。
１８．
前記基準物体像（２５）の間における前記少なくとも１つの基準物体（４０）の投影像（２６）のずれから、対物レンズ（３）の光軸（４４）に対して直角の対物レンズ（３）に対する試料（２）の横方向の変位が推定されることと、
前記基準物体像（２５）の間における前記少なくとも１つの基準物体（４０）の投影像（２６）の変形から、対物レンズ（３）の光軸（４４）に沿った対物レンズ（３）に対する試料（２）の変位が推定されることと、
の中の１つ以上を特徴とする上記１～１７のいずれか１つに記載の方法。
１９．
前記基準物体像（２５）における前記少なくとも１つの基準物体（４０）の投影像（２６）と、基準物体比較像における前記の基準物体（４０）又は別の基準物体（４０）の投影像（２６）との類似度から、絶対値及び／又は方向に関して決定された、対物レンズ（３）の光軸（４４）に沿った対物レンズ（３）に対する試料（２）の変位が推定される上記１～１８のいずれか１つに記載の方法。
２０．
前記基準物体像（２５）がカメラ（１２）により記録される一方、試料（２）の関心を抱いている構造が共焦点式ＳＴＥＤ顕微鏡、ＲＥＳＯＬＦＴ顕微鏡又はＭＩＮＦＬＵＸ顕微鏡によって投影され、その際、検出された、対物レンズ（３）に対する試料（２）の変位が補正される上記１～１９のいずれか１つに記載の方法。
２１．
前記少なくとも１つの基準物体（４０）は、対物レンズ（３）により投影される、試料（２）の関心を抱いている物体が配置された物体平面に対して対物レンズ（３）の光軸（４４）の方向にずれた基準物体平面内に配置されている上記１～２０のいずれか１つに記載の方法。
２２．
対物レンズ（３）と、その対物レンズ（３）を含む投影光学系の像平面（１５）内に配置されたカメラ（１２）とを備えた、請求項１～２１のいずれか１つに記載の方法を実施するための装置において、
これらの対物レンズ（３）とカメラ（１２）の間に、１つの光学機器が配置され、この光学機器が、像平面（１５）に対してフーリエ共役の平面（１７）内に配置されるとともに、投影光学系が像平面（１５）に投影する基準物体像（２５）から低空間周波数を取り除くように構成されている当該装置。
２３．
前記光学機器が、対物レンズ（３）の瞳の中央領域を起源とする光（４３）の成分をカメラ（１２）の前で取り除くように構成されている上記２２に記載の装置。
２４．
前記低空間周波数を取り除くための光学機器が、円板（２０）、低空間周波数を本装置の別の検出器の方に偏向させるミラー又は空間光変調器（ＳＬＭ）を有する上記２２又は２３に記載の装置。
２５．
前記対物レンズ（３）とカメラ（１２）の間に、バンドパスフィルター（１６）が配置されている上記２２～２４のいずれか１つに記載の装置。
２６．
照明光源（７）が、対物レンズ（３）の前に配置された試料（２）と接続された基準物体（４０）を単一の波長の照明光（８）により照明するように構成、配置されており、この波長が、有利には、８００ｎｍ～１，３００ｎｍ又は９００ｎｍ～１，３００ｎｍの赤外線領域から選定される上記２２～２５のいずれか１つに記載の装置。
２７．
前記照明光源（７）が、照明光（８）を対物レンズ（３）の瞳（１９）の中心に集束させるように構成、配置されている上記２６に記載の装置。
２８．
前記フーリエ共役平面（１７）と対物レンズ（３）の間に、偏光ビームスプリッタ（９）が配置され、この偏光ビームスプリッタを介して、前記フーリエ共役平面（１７）又は１つの照明光源（７）が照明光（８）を入射させて、対物レンズ（３）の前に配置された少なくとも１つの基準物体（４０）での照明光（８）の反射後に、対物レンズ（３）に戻って来る光（４３）が、その偏光方向に基づき偏光ビームスプリッタ（９）からカメラ（１２）の方に送り出される上記２２～２７のいずれか１つに記載の装置。
２９．
前記偏光ビームスプリッタ（９）と対物レンズ（３）の間に、１／４波長遅延板（１１）が配置されている上記２８に記載の装置。
３０．
照明機器が、照明光（８）を対物レンズ（３）の光軸（４４）に対して直角の方向に向けられた、試料（２）の導波体に入射させる上記２２～２６のいずれか１つに記載の装置。
３１．
前記対物レンズ（３）とカメラ（１２）の間の光路が対物レンズ（３）において無限ビームとして始まる上記２２～３０のいずれか１つに記載の装置。
３２．
前記投影光学系が、光学部品を有し、この光学部品は、前記少なくとも１つの基準物体（４０）の投影像（２６）の変形の対称性を、対物レンズ（３）の焦点面との間隔が大きくなる程増大させ、及び／又は
前記投影光学系の焦点距離が調整可能であり、その結果、投影光学系によって像平面に投影される基準物体平面が、対物レンズ（３）が投影する物体平面に対して対物レンズ（３）の光軸（４４）の方向にずらすことが可能である上記２２～３１のいずれか１つに記載の装置。

１ 本装置
２ 試料
３ 対物レンズ
４ 試料位置決め機
５ 物体支持体
６ カバーガラス
７ 照明光源
８ 照明光
９ 偏光ビームスプリッタ
１０ チューブレンズ
１１ １／４波長遅延板
１２ カメラ
１３ 接眼レンズ
１４ レンズ
１５ 像平面
１６ バンドパスフィルター
１７ フーリエ共役平面
１８ 振幅フィルター
１９ 瞳
２０ 円板
２１ 補正機器
２２ 基板
２３ 瞳１９の投影像
２４ ワイヤー
２５ 基準物体像
２６ 基準物体の投影像
２７ 補助的な像
２８ 比較像貯蔵メモリ
２９ 像相関器
３０ 制御信号成形器
３１ 制御信号成形器
３２ 制御信号
３３ 制御信号
３４ 集光レンズ
３５ 明視野絞り
３６ 開口絞り
３７ 集束レンズ
３８ 中間像平面
３９ プリズム
４０ 基準物体
４１ 光導波体
４２ 保持機器
４３ 光
４４ 光軸
４５ 断面線
４６ 第０次の最大値
４７ 第１次の最小値
４８ 第２次の最大値
４９ 強度上昇領域
５０ 強度上昇領域
５１ 強度上昇領域
５２ 第２次の最小値
Δｒ 横方向の位置偏差
Δｌ 軸方向の位置偏差

Claims (31)

1. 対物レンズ（３）に対する試料（２）の変位を検出する方法であって、
   試料（２）と接続された少なくとも１つの基準物体（４０）からの光（４３）が、連続した時点に対物レンズ（３）により像平面（１５）内の基準物体像（２５）に投影され、 これらの像平面（１５）内の基準物体像（２５）がカメラ（１２）により記録され、
   これらの記録された基準物体像（２５）が互いに比較され、
   前記少なくとも１つの基準物体（４０）がエッジを有し、このエッジを介して、その基準物体（４０）から出て来る光（４３）の強度が少なくとも９０％低下するとともに、このエッジの像平面に対して平行な幅が、この光（４３）の波長よりも短い当該方法において、
   カメラ（１２）の前の像平面（１５）に対してフーリエ共役の平面（１７）で、低空間周波数が、これらの基準物体像（２５）から取り除かれ、
   前記基準物体像において、そのエッジに、低空間周波数が取り除かれたために強度を低減されている第０の次数の強度最大値（４６）を有する回折パターンが、第１の次数の強度最小値（４７）と、この第１の次数の強度最小値（４７）に隣接し、前記第０の次数の強度最大値（４６）と第１の次数の強度最大値（４８）とに達する強度上昇領域（４９，５０）を有するこの第１の次数の強度最小値（４７）に続く前記第１の次数の強度最大値（４８）とを形成することを特徴とする方法。
2. 対物レンズ（３）の瞳（１９）の中央領域を起源とする光（４３）の成分が像平面（１５）に対してフーリエ共役の平面（１７）で取り除かれることによって、前記低空間周波数がカメラ（１２）の前で取り除かれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記対物レンズ（３）の瞳（１９）が、像平面（１５）に対してフーリエ共役の平面（１７）に投影されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記低空間周波数が、円板（２０）、この低空間周波数を別の検出器の方に偏向させるミラー又は空間光変調器（ＳＬＭ）を用いてカメラ（１２）の前で取り除かれることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの基準物体（４０）が前記光（４３）の波長を下回る直径を有する点形状のマーキング又はビーズであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 単一波長の光（４３）が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）から像平面（１５）内の基準物体像（２５）に投影されることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの基準物体（４０）からの光（４３）が、その波長に基づき、対物レンズ（３）により前記カメラ（１２）とは別の検出器上に投影される試料（２）の測定光から分離されることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記試料（２）が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）からの光のビームを生じさせる照明光（８）によって、広角に照明されることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記照明光（８）が対物レンズ（３）の瞳（１９）の中心に集束されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの基準物体（４０）が、
    対物レンズ（３）を介して、又は
    対物レンズ（３）の近くに配置されるか、試料（２）を介して対物レンズ（３）に対向するか、又は対物レンズ（３）と試料（２）の間に置かれた照明光源（７）からの、照明光（８）によって照明されて、この照明光が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）からの光（４３）の放射を引き起こすことを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの基準物体（４０）が、対物レンズ（３）の光軸（４４）に対して直角の方向に向けられた導波体を介して、照明光（８）によって照明されて、この照明光が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）から生じさせることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記導波体が、試料支持体（５）又は試料（２）のカバーガラス（６）としての役割を果たす光学的に透明な材料から成る板であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記試料（２）が単一波長の照明光（８）によって照明されて、この照明光が、前記少なくとも１つの基準物体（４０）からの光（４２）を生じさせることを特徴とする請求項１～１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記照明光（８）の波長が、試料（２）の測定光及び試料（２）の測定光を生じさせる励起光とそれぞれ少なくとも５０ｎｍ又は少なくとも１００ｎｍだけ異なることと、前記照明光（８）の波長が８００ｎｍに等しい又はそれを上回る、有利には、９００ｎｍに等しい又はそれを上回ることとの中の１つ以上を特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記基準物体像（２５）において、試料（２）と対物レンズ（３）の間に有る少なくとも１つの光学的な境界面又は対物レンズ（３）に配置された少なくとも１つの別の基準物体（４０）からの更に別の光がカメラ（１２）により記録されることを特徴とする請求項１～１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 基準物体像（２５）における最大光強度がカメラ（１２）の飽和強度の９０％～１，０００％又は１００％～１５０％に達するように、前記カメラ（１２）が制御されることを特徴とする請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記基準物体像（２５）の間における前記少なくとも１つの基準物体（４０）の投影像（２６）のずれから、対物レンズ（３）の光軸（４４）に対して直角の対物レンズ（３）に対する試料（２）の横方向の変位が推定されることと、
    前記基準物体像（２５）の間における前記少なくとも１つの基準物体（４０）の投影像（２６）の変形から、対物レンズ（３）の光軸（４４）に沿った対物レンズ（３）に対する試料（２）の変位が推定されることと、
    の中の１つ以上を特徴とする請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記基準物体像（２５）における前記少なくとも１つの基準物体（４０）の投影像（２６）と、基準物体比較像における前記の基準物体（４０）又は別の基準物体（４０）の投影像（２６）との類似度から、絶対値及び／又は方向に関して決定された、対物レンズ（３）の光軸（４４）に沿った対物レンズ（３）に対する試料（２）の変位が推定されることを特徴とする請求項１～１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記基準物体像（２５）がカメラ（１２）により記録される一方、試料（２）の関心を抱いている構造が共焦点式ＳＴＥＤ顕微鏡、ＲＥＳＯＬＦＴ顕微鏡又はＭＩＮＦＬＵＸ顕微鏡によって投影され、その際、検出された、対物レンズ（３）に対する試料（２）の変位が補正されることを特徴とする請求項１～１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記少なくとも１つの基準物体（４０）は、対物レンズ（３）により投影される、試料（２）の関心を抱いている物体が配置された物体平面に対して対物レンズ（３）の光軸（４４）の方向にずれた基準物体平面内に配置されていることを特徴とする請求項１～１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 対物レンズ（３）と、その対物レンズ（３）を含む投影光学系の像平面（１５）内に配置されたカメラ（１２）とを備えた、請求項１～２０のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置において、
    これらの対物レンズ（３）とカメラ（１２）の間に、１つの光学機器が配置され、この光学機器が、像平面（１５）に対してフーリエ共役の平面（１７）内に配置されるとともに、投影光学系が像平面（１５）に投影する基準物体像（２５）から低空間周波数を取り除くように構成されていることを特徴とする装置。
22. 前記光学機器が、対物レンズ（３）の瞳の中央領域を起源とする光（４３）の成分をカメラ（１２）の前で取り除くように構成されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記低空間周波数を取り除くための光学機器が、円板（２０）、低空間周波数を本装置の別の検出器の方に偏向させるミラー又は空間光変調器（ＳＬＭ）を有することを特徴とする請求項２１又は２２に記載の装置。
24. 前記対物レンズ（３）とカメラ（１２）の間に、バンドパスフィルター（１６）が配置されていることを特徴とする請求項２１～２３のいずれか１項に記載の装置。
25. 照明光源（７）が、対物レンズ（３）の前に配置された試料（２）と接続された基準物体（４０）を単一の波長の照明光（８）により照明するように構成、配置されており、この波長が、有利には、８００ｎｍ～１，３００ｎｍ又は９００ｎｍ～１，３００ｎｍの赤外線領域から選定されることを特徴とする請求項２１～２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 前記照明光源（７）が、照明光（８）を対物レンズ（３）の瞳（１９）の中心に集束させるように構成、配置されていることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 前記フーリエ共役平面（１７）と対物レンズ（３）の間に、偏光ビームスプリッタ（９）が配置され、この偏光ビームスプリッタを介して、前記フーリエ共役平面（１７）又は１つの照明光源（７）が照明光（８）を入射させて、対物レンズ（３）の前に配置された少なくとも１つの基準物体（４０）での照明光（８）の反射後に、対物レンズ（３）に戻って来る光（４３）が、その偏光方向に基づき偏光ビームスプリッタ（９）からカメラ（１２）の方に送り出されることを特徴とする請求項２１～２６のいずれか１項に記載の装置。
28. 前記偏光ビームスプリッタ（９）と対物レンズ（３）の間に、１／４波長遅延板（１１）が配置されていることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
29. 照明機器が、照明光（８）を対物レンズ（３）の光軸（４４）に対して直角の方向に向けられた、試料（２）の導波体に入射させることを特徴とする請求項２１～２５のいずれか１項に記載の装置。
30. 前記対物レンズ（３）とカメラ（１２）の間の光路が対物レンズ（３）において無限ビームとして始まることを特徴とする請求項２１～２９のいずれか１項に記載の装置。
31. 前記投影光学系が、光学部品を有し、この光学部品は、前記少なくとも１つの基準物体（４０）の投影像（２６）の変形の対称性を、対物レンズ（３）の焦点面との間隔が大きくなる程増大させ、及び／又は
    前記投影光学系の焦点距離が調整可能であり、その結果、投影光学系によって像平面に投影される基準物体平面が、対物レンズ（３）が投影する物体平面に対して対物レンズ（３）の光軸（４４）の方向にずらすことが可能であることを特徴とする請求項２１～３０のいずれか１項に記載の装置。

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