JPH0830648B2 - 光学像コントラストを発生させる装置 - Google Patents

光学像コントラストを発生させる装置

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JPH0830648B2
JPH0830648B2 JP1184856A JP18485689A JPH0830648B2 JP H0830648 B2 JPH0830648 B2 JP H0830648B2 JP 1184856 A JP1184856 A JP 1184856A JP 18485689 A JP18485689 A JP 18485689A JP H0830648 B2 JPH0830648 B2 JP H0830648B2
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ノイマン ブルクハルト
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ライカ インドゥストリーフェルヴァルツング ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
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    • G—PHYSICS
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、第一グリッドと、物面の第一グリッドの
像を発生させる投影装置と、第一グリッドの像と対象物
との間の第一相対運動を発生させる第一装置と、第一グ
リッドに幾何学的に類似な第二グリッドと、発生した第
一グリッドの像が第二グリッドの面でこの第二グリッド
に合同となるように結像倍率を選択し、物面の第二グリ
ッドの面に結像する装置とを装備した光画像コントラス
トを発生させる装置に関する。
〔従来の技術〕
古典的な光画像形成には、焦点深度と分解能に関して
種々の限界がある。これ等の深度と分解能は、特にモア
レ効果を用いた最近の装置とグリッドスケール法によっ
て向上しいる。この場合、光学変換器及び電子回路に関
連して、人間の目による直接的な像観察の要求とは異な
っている。
西独特許第35 27 074号公報から、主にステレオ操作
される顕微鏡に導入するために使用される、モアレパタ
ーンを発生させる投影グリッドと基準グリッドを装備し
た装置は公知である。この装置では、投影グリッドと基
準グリッドの相対位置を開閉可能な面に平行なガラス
板、主に周期的な交番開閉によって可変できる。この装
置は、モアレ効果によって生じる等高線によって対象物
の表面形態を測定するのに使用される。
この公知の装置は、高い顕微鏡分解能と深い焦点深度
を有する装置には適していない。投影グリッドと基準グ
リッドは、固定した構造部品に統合する必要がある。相
対運動は後置した光学部品によって発生して周期的であ
る。基準グリッドは対象物に対して相対移動しないの
で、物面全体だけを一様に観察するのでなく、ゴリッド
開口に結像した部分のみ観察される。
西独特許第23 60 197号公報、及びG.Q.Xiao,G.S.Kin
o,SPIE Vol.809,Scanning Imaging Technology 1987,p.
107により、多数の物点を同時観測する共焦点走査顕微
鏡は公知である。この場合、回転する点状グリッド円板
（ニプコウ板）が使用されている。
照明するため、この円板は対象物状に結像される。検
出すため、この対象物は前記円板状に逆結像される。
共焦点装置によって物面での分解能を改善でき、古典
的な顕微鏡に比べて深い焦点深度を得ることができる。
多くの点を同時観測することによって、公知の単一照明
走査顕微鏡に比べて、改善された光効率とより早い撮像
が行える。
照明ビーム光路と検出ビーム光路は、円板と対象物の
間で合致する。この合致は、検出光を散乱光と区別する
場合、重大な問題を引き起こし、この分離によって検出
にかなりな光の損失が生じる。Xiao等著に引用された同
じ原理によるpetran等の装置は、回転する円板の種々の
領域から二つの穴を照明ビーム光路と検出ビーム光路の
ために利用している。従って、充分正確なニプコウ板を
作製し、光学系を調整することは非常に困難になる。何
故なら、照明側の穴のビーム光路が、物点を通過して照
明側の穴に必ず正確に一致し、しかも円板の全ての穴に
対して一致する必要があるからである。
〔発明の課題〕
この発明の課題は、モアレ装置と同時走査装置の利点
を統合し、その場合、部品経費を低減し簡単に調節でき
る光学像のコントラストを発生させる装置を提供するこ
とにある。
〔課題の解決〕
上記の課題は、上記種類に属する装置の場合、第二グ
リッドの面内で対象物の像と第一グリッドの像とが第二
グリッドに比べて何時でも異なった相対運動速度を示
し、第二グリッドの面内で対象物の画像と第二グリッド
の間の第二相対運動を発生させる第二装置が配設してあ
り、空間変調は物面中の対象物の光学特性に依存し、ま
た時間変調は第二グリッドとこのグリッド上に生じる第
一グリッドの像の間の速度差に依存し、第二グリッドを
通過して空間変調と時間変調した光に対する検出装置を
装備していることによって解決されている。
他の有利な構成は、従属請求項２〜14に記載されてい
る。
〔発明の効果〕
この発明による装置は、公知光学装置、特に顕微鏡に
簡単に組み込むことができる。
白色光に対してどんな光源でも使用できる。フリッカ
ー測光法は、検出の光強度ないし結像時間と照明による
対象物の負担との間の効果的な妥協を与える。散乱光と
反射を防止し、光学の深度の段階変化を可能にし、超分
解能を達成できる。最良な分解能と焦点深度はグリッド
として二次元点グリッドを用いて得られる。しかし、装
置の分解能と光強度の間をうまく妥協させることは直線
グレーテイングを用いても得られる。対象物を反射光及
び透過光の明視野と暗視野で観察できる。蛍光顕微鏡の
場合種々の利点が生じる。
適当な演算処理回路を用いると、付加的な光学及び光
電部品を用いないで自動焦点合わせが可能になる。
〔実施例〕
この発明による装置の具体例を図面に模式的に示し、
詳しく説明する。
第１図には、先ず公知の顕微鏡が示してある。対象物
１は入射絞り３を備えた対物レンズ２とフィールドレン
ズ４とを通過して（中間）像面５上に結像し、検出系６
によって捕捉される。この検出系６は、目視観察の場
合、接眼レンズと目で構成されるが、好ましくは光電画
像変換器、例えばCCDカメラでも構成できる。
対象物１の反射照明には、光源７、集束レンズ８とレ
ンズ９と10を装備した装置が使用される。ビームスプリ
ッター12を用いて、反射ビーム光路が結像ビーム光路に
導入される。
この発明によれば、上記の顕微鏡には第一グリッド13
が挿入される。このグリッドは透明な円板に放射状の直
線グリッドに作製されていて、反射照明装置の照明絞り
面11に配設してある。従って、グリッド13の鮮明な像が
物面１に投影される。モータ14はグリッド円板13を回転
させ、この発明による第一相対運動である物面のグリッ
ド13像の移動を発生させる。
物面５には、更に第二グリッド15が配設してある。こ
のグリッドは第一グリッド13と同じように、グリッド円
板として形成してあり、同じパターンから再生技術によ
って作製できる。
第二モータ16は第二グリッド円板15を回転させ、像面
５中の物面の像に対して第二相対運動を発生させる。従
って、この光学装置は照明絞り面11を物面で反射させて
像面５に倍率1:1で結像させるように構成されている。
両方のグリッド13と15上では、それぞれ一つの平面が照
明されるか、あるいは検出系６によって捕捉される。こ
の平面は、対象物１に対して顕微鏡の視野を完全に利用
させる。
第一グリッド13の照明された面は、対象物１が構造の
ない状態で反射した場合、第二グリッド15の検出面上に
同一形状に結像される。この場合、回転するグリッド面
板13と15の間に一定の相対角度関係が生じる。この角度
関係では、第一グリッド13の像が第二グリッド15で遮蔽
される。モータ14によって第一グリッド円板13は角速度
w13で回転し、モータ16は第二グリッド円板15を上記の
角速度とは異なる角速度w15で回転させる。
回転軸から付属するグリッド点までの半径方向の距離
ｒと第一グリッド13の位置周期又は格子定数から、対象
物１の点の照明を時間的に変調する円周期w1＝w13・ｒ
・Ωが生じる。
第二グリッド15が運動すると、対象物１の像が像面５
でサンプリング走査され、検出系６に現れる。対象物１
の点の像は、図示した具体例のようにｒとΩが、両方の
グリッド13,15で同じ場合、周期w2＝w15,・r.Ωで時間
的に変調される。
従って、像点の光強度の変調は二つの周期w1とw2の重
畳によって生じて、周期ws＝w1−w2の唸りが生じる（ヘ
テロダイン効果）。
即ち、検出系６によって像が捕捉され、その光強度は
全ての点で同時に唸り周期wsで変調する。変調が遅い場
合、即ちws＜20Hzで変調する場合、上記像を人間の目で
充分観察できる。この像は光強度の振動の振幅コントラ
ストを示す。即ち、典型的な明るい個所は振動の強い振
幅を示し、典型的な暗い個所は変調されていない。
この発明による上記振幅コントラストを用いると、両
方のメッシュ又はグリッド13と15が適切に形成された
時、同時共焦点走査顕微鏡の全ての利点が得られる。従
って、高い空間周波数又は格子定数は、主に顕微鏡から
非コヒーレンス伝送できる半分から全空間周波数までの
範囲にある。
検出系６によって捕捉した像には、正確に計算した場
合、唸り周期wsで変調していない成分、特に一様な光と
加算周期w1＋w2及びw2を有する成分が含まれている。こ
れ等の成分は簡単に濾波できる。従って、周期w1とw2を
その差wsより大きく選定し、検出系６（目、CCDカメ
ラ）の時定数に合わせると有利である。
格子の向きにほぼ垂直に移動するグリッドを直線グレ
ーテイングで形成することを説明する。従って、装置は
特に光強度が強く、視野の10％〜20％を同時に良好に観
察できる。もちろん、超分解能はグリッドの向きに垂直
な方向でのみ生じる。従って、直線グレーテイングを使
用する場合、超分解能の方向を対象物の優先方向に回転
させることのできる画像回転用の光学手段を装備すると
有利である。例えば、これにはビームスプリッター12と
対物レンズ２の間の光路に回転プリズムを挿入すること
ができる。この方法は、例えば半導体素子の構造幅の測
定に特に適している。
グリッド13と15を点状開口を有する二次元グリッドで
形成すると、共焦点走査顕微鏡の最高の分解と焦点深度
が得られる。しかし、直線グレーテイングを使用するの
に比べて、光強度の損失が生じる。
回転する円板グリッド13,15による外に、運動する二
つのグリッドと相対運動を発生させる装置14,16を他の
系によっても構成することができる。
透過光顕微鏡の場合、これに対する例が第２図に示し
てある。照明用の絞り3aを装備した集光レンズ2aは、透
過光顕微鏡の場合、更に絞り3bを装備した対物レンズ2b
に対して必要になる。照明装置の照明絞り面11には、例
えば平行直線格子である第一グリッド13が固定配設して
ある。このグリッドは物面に結像されている。この像と
物体１の間の第一相対運動は、回転可能な面平行ガラス
板34と駆動部14aで構成された装置によって生じる。
第二グリッド15と第二相対運動を発生させる第二装置
も同じ手段で構成すると有利である。
例えば、基板に圧電的に発生させた連続する超音波
も、又はグリッド15bとして及び同時に相対運動用の装
置16bとしての他の光学的手段も使用できる。この場
合、部品から生じる振動問題を伴うこの部品の運動を防
止できる。
第２図の例では、第二グリッド15bと第二相対運動用
の第二装置16bがそれに応じて形成される。更に、像面5
aにブラッグ・セル35が配設してある。二枚のレンズ36,
38及びその間に配設した位相板37は、第二グリッド15b
を通過した像を発生させる装置を補完している。この像
は、検出系６によって捕捉され、第１図の例の場合のよ
うに処理される。ここでも、通常照明ビーム光路に同じ
装置が装備される。
第１図が適切な回路の例を示す、検出系６によって捕
捉された像を電子的に評価すると効果的である。
光バリヤ17と18によって、グリッド13と15が周期w1と
w2をサンプリングし、マルチプレクサ19と後置した低域
濾波器20によって唸り周期wsを有する電子信号が形成さ
れる。この信号は光機械通路で検出系６の像に刻み込ま
れている。この信号から、しきい値検出器21はシーケン
ス周期wsの同期信号を形成する。この同期信号は以下の
動作を制御する。
1.カメラ（CCDカメラ６）の内容をリセットする。
2.切換開閉器22は接点位置ＭからＡに切り換わる。
3.画像を蓄積する間撮像し、第一画像記憶器23に伝送す
る（画像Ａ）。
4.切換開閉器22は接点位置ＡからＭに切り換われる。
5.カメラの内容をリセットする。
6.切換開閉器22は接点位置ＭからＢに切り換わる。
7.上記３項と同じようであるが、第二画像記憶器24に伝
送する（画像Ｂ）。
8.切換開閉器22は接点位置ＢらＭに切り換わる。
こうして、経過は再び最初から始まる。同時に、しき
い値検出器21の同期信号によって、画像記憶器23と24か
らの画像ＡとＢが減算回路25中で減算される、画像の差
Ｃの第三画像記憶器26への伝送、及びデータを、例えば
画像表示装置27に出力することが行われる。画像ＡとＢ
の一定位相関係によって画像の差Ｃは、もはや唸り周期
wsで変調されなくて、画像表示装置27上で通常の方法に
よって観察できる。カメラ６に達する像を変調に対して
同期信号の位相を調節して、変調画像が最大強度の時、
一方の画像Ａが、また最小強度の時、他方の画像が撮像
されるように、画像ＡとＢに対する撮像時間の間隔43、
44を設定すると有利である。画像の差Ｃは、この時最大
コントラストを示す。
第３図には、検出系６の入力端での明るい物点、灰色
の物点及び黒い物点に対する光強度の時間変調が示して
ある。これ等の曲線は、唸り周期wsで変調されている。
例えばこの発明による装置の周囲の明かりから生じる一
様な光成分の強度が零にならない。黒い点42の場合でも
零と異なる一定の値になるように作用する。時間間隔43
では、最大強度の場合、操作３、つまり画像Ａの撮像が
行われる。時間間隔44では、最小強度の場合、操作７、
つまり画像Ｂの撮影が行われる。
画像ＡとＢの差は、明るい点40に対して大きな強度差
を、灰色の点41に対して中間の強度差を、そして黒い点
42に対して零の強度差を示す。
均一光成分は抑制され、画像変調の時間的に高い周波
数成分は画像蓄積時間によって時間間隔43、44にわたっ
て算定される。
図示したこの発明による装置は、種々の変わった光学
系にも有利に利用できる。
第４図により、センター絞り45を用いて投影ビーム光
路で第一グリッド13暗視野照明を行うと、検出系６によ
て検出される像の一様成分を大幅に低減できる。
適当な（短波長の）光源７と、場合によって照明ビー
ム光路中のフィルター29、及び主に二色分離器であるビ
ームスプリッター12と検出系６との間に配設されている
照明ビーム光路用の阻止フィルター30を用いて蛍光コン
トラストを付けことが達成される。しかも、蛍光減衰時
間を空間に依存して測定できる。
更に、第一グリッド13の像の対象物１との間の第一相
対運動を発生させる装置14には、速度調節装置28（第１
図）を装備する必要がある。
第一グリッド13の像を経由して対象物１上の光変調の
局部周波数w1が値２π/T（Ｔ＝蛍光減衰時間）に近ずく
と、変調した蛍光が検出系６中て強く減衰する。
第二相対運動を前記速度で発生させる第二装置16も調
節でき、唸り周期wsを一定に維持すると有利である。
特別な光学的な経費をかけなくても、この装置を用い
て自動スポット焦点合わせ又はインテグレーション焦点
合わせを行うことができる。例えば、広い視野中の著し
い像領域を特定することができ、この領域に焦点を合わ
せることができる。
そのため、検出系６によって検出された画像の調節可
能な面範囲の光強度振幅は、平面を介して統合される付
加的な組込装置31が必要である。対象物１と対物レンズ
２の相対位置に対する位置決め装置33も同様に必要であ
る。それには、鏡筒（対物レンズ２等）用のモータｚ方
向駆動（33a）と対象物１のxy方向電子位置決め装置33b
を組み合わせると効果的である。第１図には、この様子
が示してある。
組込装置31は、画像記憶器26から一定又は調節可能な
画像Ｃの領域を受け取り、この領域の全ての画素の光強
度に関して積分値を形成する。
検出系６にも点検出器上に画像領域をフォーカスさせ
ることができる。つまり、光学的な組込装置を使用でき
る。選択した画像領域の焦点位置は、空間的に積算され
るフリッカー測光信号が一時的に最大振幅を示すとき定
まる。この最大値は対物レンズ調整部33Aの制御回路32
を用いて自動的に見出すことができる。
調べる対象物１が二三の付帯条件を満たせば、表面測
定も効果的に行える。古典的な光学装置の焦点深度の範
囲内の凹凸構造を有するコントラスのない対象物１の場
合、この発明による装置で検出できる深度の表面を主要
なフリッカー測光信号の振幅の最大値から導ける。つま
り、異なった深度の表面状況を簡単に測定できる。この
ことは、例えば半導体の構造を検査する場合に有利であ
る。透過光装置の場合、同じ位相のずれを有する面が決
定さえる。
両方のグリット13,15がこの発明による異なった速度
でなく同じ速度で運動する場合、つまりグリッド円板1
3,15が同じ速度で運動する場合、この発明による装置を
原理的にXiao等及び西独特許第23 60 197号公報の公知
技術と同じ同時共焦点走査顕微鏡に変換することができ
る。しかし、そうすると、各系の利点実際に得るため、
両グリッド円板の位相を最高精度で調節して一定に維持
する必要がある。この問題は、二つのグリッドが異なる
速度を有するこの発明の装置の場合、明らかに生じるこ
とはない。
Petran等の系に反して、グリッド円板の対称性に関し
て極端な要求、つまりどの格子開口にも一定角度の第二
間隔を正確に合わせる必要があること、及び光学系の調
整を省略できると言う利点がある。これに反して、両方
のグリッド13,15に対するこの発明による類似性ないし
は合同条件を非常に簡単に達成でき、非常に狭い範囲に
も維持される筈である。
Xiao等及び西独特許第23 60 197号公報による系に反
して、更に照明側のグリッドによって濾波された光は明
らかに検出系に達することができないので、一様成分の
光の問題を大幅に低減すると言う利点がある。この発明
による装置の場合にのみ、二つの画像の差を取ることに
よって（第１図と第３図;22〜26）説明した簡単な一様
光の抑制が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、公知反射光顕微鏡に組み込んだ光学像のコン
トラストを発生させるこの発明による装置の具体例の模
式図を示す。 第２図は、異なったグリッド構成と相対運動を発生させ
る装置を装備したこの発明による透過光装置の具体例の
模式図を示す。 第３図は、種々の明るい対象点の光強度の時間変調グラ
フを示す。 第４図は、第一グリッドの暗視野照明のこの発明による
装置の模式図を示す。 図中引用記号： １……対象物、 ２……対物レンズ、 ５……像面、 ６……検出系、 ７……光源、 13,15……グリッド円板。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第一グリッド（13）と、 物面の第一グリッド（13）の像を発生させる投影装置
    と、 第一グリッド（13）の像と対象物との間の第一相対運動
    を発生させる第一装置（14）と、 第一グリッド（13）に対して幾何学的に類似な第二グリ
    ッド（15）と、 発明した第一グリッド（13）の像が第二グリッド（15）
    の面でこの第二グリッドに合同となるように結像倍率を
    選択し、物面を第二グリッド（15）の面に結像する装置
    と、 を装備した光学像のコントラストを発生させる装置にお
    いて、 第二グリッド（15）の面内で対象物（１）の像と第一グ
    リッド（13）の像とが第二グリッド（15）に比べて何時
    でも異なった相対運動速度を示し、第二グリッド（15）
    の面内で対象物の画像と第二グリッド（15）の間の第二
    相対運動を発生させる第二装置（16）が配設してあり、 空間変調は物面の対象物（１）の光学特性に依存し、ま
    た時間変調は第二グリッド（15）とそれから生じる第一
    グリッド（13）の像の間の速度差に依存し、第二グリッ
    ド（15）を通過し、空間変調と時間変調した光に対する
    検出装置（６）を装備している、 ことを特徴とする光学像のコントラストを発生させる装
    置。
  2. 【請求項２】この装置は光学顕微鏡を使用していること
    を特徴とする請求項１記載の光学像のコントラストを発
    生させる装置。
  3. 【請求項３】両方のグリッド（13,15）は、直線グレー
    テイングで形成してあることを特徴とする請求項１記載
    の光学像のコントラストを発生させる装置。
  4. 【請求項４】両グリッド（13,15）と対象物（１）の間
    で像を回転させる可動光学手段が装備してあることを特
    徴とする請求項３記載の光学像のコントラストを発生さ
    せる装置。
  5. 【請求項５】両方のグリッド（13,15）は、二次元グリ
    ッドとして形成されていることを特徴とする請求項１記
    載の光学像のコントラストを発生させる装置。
  6. 【請求項６】二つのグリッド（13,15）を透過振幅フィ
    ルターとして円板に装着し、第一相対運動と第二相対運
    動を異なった角速度で発生させるモータ（14,16）によ
    って両方のグリッドを回転させる（第１図）ことを特徴
    とする請求項１記載の光学像のコントラストを発生させ
    る装置。
  7. 【請求項７】両方のグリッド（13,15）と対象物（１）
    との間に、可動するビーム偏向光学手段（34）が第一又
    は第二相対運動を発生させる第一又は第二装置として配
    設してある（第２図）ことを特徴とする請求項１記載の
    光学像のコントラストを発生させる装置。
  8. 【請求項８】両方のグリッドを移動させる駆動部は、第
    一又は第二相対運動を発生させる第一又は第二装置とし
    て配設してある（第１図）ことを特徴とする請求項１記
    載の光学像のコントラストを発生させる装置。
  9. 【請求項９】両グリッド（13,15）の各一個と相対運動
    を発生させる付属装置（14,16）は、制御可能な光学部
    材として共通に形成してある（第２図）ことを特徴とす
    る請求項１記載の光学像のコントラストを発生させる装
    置。
  10. 【請求項１０】両方のグリッド（13,15）は、同じパタ
    ーンによる再生技術を用いて作製されていることを特徴
    とする請求項１記載の光学像のコントラストを発生させ
    る装置。
  11. 【請求項１１】検出装置として、第二グリッド（15）の
    面（５）に直接接続する光電画像変換系（６）が配設し
    てあり、この系はある時間周期で第二グリッド（15）を
    通過した光の像形成することを特徴とする請求項１記載
    の光学像のコントラストを発生させる装置。
  12. 【請求項１２】時間をずらして検出した二つの像の差を
    形成する系（22,23,24,25,26）が後置してあり、この系
    は対象物（１）の像を光強度の時間変調なしに発生させ
    ることを特徴とする請求項11記載の光学像のコントラス
    トを発生させる装置。
  13. 【請求項１３】投影装置（2,3,7〜12）は、第一グリッ
    ド（13）の像を対象物（１）中で蛍光励起に適した光を
    用いて物面に発生させ、 対象物（１）と第二グリッド（15）との間に、投影装置
    （2,3,7〜12）の光の波長に対する阻止フィルター（3
    0）が配設してあり、 第一相対運動を発生させる第一装置（14）は、少なくと
    も速度調節装置を保有している、 ことを特徴とする請求項１記載の光学像のコントラスト
    を発生させる装置。
  14. 【請求項１４】投影装置（2,3,7〜12）に対して対象物
    （１）の位置用の位置決め装置（33a,b）と物面の結像
    装置（2,3,4,12）が装備してあり、 光電画像変換系（６）には、発生した像の調節可能な平
    面範囲の光強度の振幅をこの面に渡って積分する積分装
    置（31）が後置してあることを特徴とする請求項11記載
    の光学像のコントラストを発生させる装置。
  15. 【請求項１５】第一グリッド（13）の像を物面に発生さ
    せる投影装置（７〜12）は、第一グリッド（13）の暗視
    野照明用の絞り（45,46）を装備していることを特徴と
    する請求項１記載の光学像のコントラストを発生させる
    装置。
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