光學(xué)顯微鏡和用于利用光學(xué)顯微鏡記錄圖像的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光學(xué)顯微鏡，其具有用于向試樣方向發(fā)射出照射光的多色光源、用于將照射光聚焦到試樣上的聚焦器件和探測(cè)裝置，其中，聚焦器件具有縱向色差以產(chǎn)生深度分辨率；探測(cè)裝置包括二維陣列的探測(cè)元件，用以檢測(cè)來(lái)自試樣的試樣光。根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)顯微鏡的特征在于，為了既檢測(cè)試樣光的共焦部分又檢測(cè)試樣光的非共焦部分，從試樣到探測(cè)裝置的光學(xué)路徑中沒(méi)有用于完全濾除非共焦部分的元件。此外，本發(fā)明還涉及一種用于利用光學(xué)顯微鏡記錄圖像的方法。
【專利說(shuō)明】光學(xué)顯微鏡和用于利用光學(xué)顯微鏡記錄圖像的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 一方面，本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的光學(xué)顯微鏡。
[0002] 另一方面，本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求16的前序部分的用于利用光學(xué)顯微鏡 記錄圖像的方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 針對(duì)技術(shù)表面的特征化，并且尤其是針對(duì)粗糙度測(cè)量值和形貌的推導(dǎo)，當(dāng)今使用 共焦的顯微術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)方法。該方法例如在M. Rahlwes，J. Seewig的"技術(shù)表面的光學(xué)測(cè)量 (Optisches Messen technischer Oberfl^ichen )"，Beuth 出版社，柏林，2009 中進(jìn)行了描 述。
[0004] 在很多共焦系統(tǒng)中，對(duì)試樣的掃描在此在所有三個(gè)空間方向上進(jìn)行，也就是說(shuō)，一 方面涉及點(diǎn)掃描系統(tǒng)，其中，光束在試樣上沿χ/y方向進(jìn)行引導(dǎo)。為了推導(dǎo)出高度信息，另 一方面需要試樣相對(duì)于探測(cè)器單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，也即是沿Z方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于每個(gè)χ-y位置來(lái) 說(shuō)都可以由依賴于Z位置的強(qiáng)度最大值推導(dǎo)出高度信息以及進(jìn)而形貌。在該方法中，一方 面不利的是由于針對(duì)3D形貌的掃描所需要的長(zhǎng)時(shí)間。另一方面，精度即高度測(cè)量的精確度 強(qiáng)烈地依賴于試樣表面相對(duì)于探測(cè)器單元的調(diào)節(jié)精確度，并且因此始終是有限的。換而言 之，高精度需要高精確且昂貴的例如基于壓電的機(jī)械調(diào)節(jié)元件。
[0005] 為了避開χ-y掃描的缺點(diǎn)，已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間地存在有共焦的寬視場(chǎng)系統(tǒng)，在這些共焦 的寬視場(chǎng)系統(tǒng)中通常使用面掃描攝像機(jī)，并且這些共焦的寬視場(chǎng)系統(tǒng)因此具有高度的并行 化。對(duì)此的示例是同樣由Rahlwes和Seewig所描述的利用尼普科夫盤（Nipkow-Scheibe) 的旋轉(zhuǎn)盤方法。在此，多個(gè)點(diǎn)同時(shí)根據(jù)共焦原理被探測(cè)。代替尼普科夫盤，原則上也可以使 用可快速切換的微顯示器。此外，多行掃描可以利用數(shù)字共焦探測(cè)來(lái)執(zhí)行。所有這些系統(tǒng)都 真正共焦地工作，也就是說(shuō)，基本上僅來(lái)自激發(fā)焦點(diǎn)（Anregungsfokus)的光被檢測(cè)。由此 導(dǎo)致了所使用的設(shè)備和方法的一定程度的復(fù)雜性。此外，基于所使用的固定的元件，即尤其 是具有給定的像素大小的微顯示器或者具有給定的孔大小的尼普科夫盤，就不同的圖像場(chǎng) 大小和與之相關(guān)地不同的z敏感度而言，技術(shù)不太靈活。此外，像在點(diǎn)掃描的系統(tǒng)中那樣， 在此也需要在z方向上對(duì)試樣進(jìn)行掃描。
[0006] 而在復(fù)雜性和靈活性方面，基于結(jié)構(gòu)化的照射的共焦寬視場(chǎng)系統(tǒng)提供了優(yōu)點(diǎn)。在 此，針對(duì)每個(gè)z值，由已經(jīng)利用例如通過(guò)光柵提供的結(jié)構(gòu)化的照射所記錄的圖像計(jì)算出共 焦的截面圖像。通常，在此也可以得到寬視場(chǎng)圖像。在探測(cè)中不需要針孔光圈（Lochblende) 系統(tǒng)。例如，具有不同的相位位置的照射光柵可以成像到試樣上。因?yàn)閺?qiáng)度調(diào)制依賴于相 位位置地僅針對(duì)焦點(diǎn)的圖像部分存在，所以由此可以計(jì)算出光學(xué)截面圖像。對(duì)于技術(shù)表面 的測(cè)量來(lái)說(shuō)，該方法例如在Vogel等人，Pwroc. DGaO 2011，第36頁(yè)中進(jìn)行了研究。例如在 DE 10 2007 018 048 A1中描述的類似的方式在照射時(shí)僅使用兩個(gè)光柵相位。在同樣也相 關(guān)的方法中使用連續(xù)改變的結(jié)構(gòu)化的照射，并且光學(xué)截面圖像由兩個(gè)并行地記錄的圖像計(jì) 算出，在這兩個(gè)圖像中，一個(gè)圖像包含非焦點(diǎn)部分和焦點(diǎn)部分，而另一圖像僅包含非焦點(diǎn)部 分。該基于結(jié)構(gòu)化的照射的方法的優(yōu)點(diǎn)是，在得到共焦圖像的同時(shí)還可以得到寬視場(chǎng)圖像。 但存在如下問(wèn)題：必須相對(duì)于探測(cè)器沿Z方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行掃描。
[0007] 特別地利用結(jié)構(gòu)化的照射來(lái)實(shí)施共焦的截面圖像產(chǎn)生在Mitic，光學(xué)快報(bào) (Optical Letters) 28,698 (2003)中進(jìn)行了描述。在此，除了可運(yùn)動(dòng)的光柵之外還使用了所 謂的智能像素探測(cè)器陣列（Smart Pixel Detector Array),其允許直接在探測(cè)器平面上實(shí) 時(shí)提取時(shí)間調(diào)制的信號(hào)部分以及進(jìn)而焦點(diǎn)的信號(hào)部分。
[0008] 結(jié)構(gòu)化的照射的其他特別的實(shí)施方案在Wicker等人，光學(xué)雜志（Journal of Optics) 12,084010 (2010)和 Krzewina 等人，光學(xué)快報(bào)（Optical Letters) 31，477 (2006)中 進(jìn)行了描述。
[0009] 在此，不同的光柵相位借助偏振編碼或彩色編碼近似并行地施加到試樣上，這尤 其是帶來(lái)了速度優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 還存在其他可以產(chǎn)生光學(xué)截面圖像的寬視場(chǎng)方法。在此，一方面不得不提到所謂 的聚焦變化（Fokus-Variation)，其中，圖像清晰度依賴于Z坐標(biāo)地進(jìn)行評(píng)估，以便由此與 共焦情況類似地計(jì)算出最大值。因此，也考慮到空間信息。類似歸類的有在Mertz等人，生 物統(tǒng)計(jì)光學(xué)雜志（Journal of Biometrical Optics) 15,016027 (2010)中所描述的方法，其 中，寬視場(chǎng)圖像在結(jié)構(gòu)化和沒(méi)有結(jié)構(gòu)化的情況下被記錄，以便由此通過(guò)精通地使用空間帶 通濾波器來(lái)得到光學(xué)截面圖像。結(jié)構(gòu)化在此也可以基于所謂的散斑圖樣。
[0011] 另一方面，所謂的彩色共焦原理也已經(jīng)證明是有利的，以便避免沿Z方向的掃描。 在此，通常使用多色光源，其通過(guò)彩色作用的折射或衍射的元件照射感興趣的試樣，由此Z 信息被光譜編碼。如果在此在探測(cè)時(shí)在共焦的針孔光圈之后測(cè)量光譜，那么由此可以推導(dǎo) 出高度信息。使用可調(diào)諧的光源連同順序的共焦的探測(cè)也是可行的，由此同樣得到光譜。在 大多數(shù)情況下，商業(yè)傳感器是始終具有缺少χ-y并行化的缺點(diǎn)的點(diǎn)探測(cè)器。針孔光圈陣列 的彩色多焦點(diǎn)的布置例如在DE 10 2007 019 267 A1中進(jìn)行了描述。但焦點(diǎn)僅覆蓋部分圖 像場(chǎng)，因此還需要掃描運(yùn)動(dòng)。此外，存在有例如在Lin等人，應(yīng)用光學(xué)（Applied Optics) 37， 6764(1998)中所描述的行掃描系統(tǒng)和基于尼普科夫盤的例如參見(jiàn)Tiziani等人，光學(xué)工程 (Opt. Eng.) 39, 32 (2000)的掃描系統(tǒng)。但后者迄今為止始終利用彩色攝像機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)， 這些彩色攝像機(jī)系統(tǒng)僅能夠?qū)崿F(xiàn)有限的高度分辨率，并且此外在彩色對(duì)象的情況下還具有 困難，這是因?yàn)樵诖藭?huì)導(dǎo)致高度信息和顏色信息或光譜反射度的重疊。在此，多焦點(diǎn)的彩色 系統(tǒng)借助DMD(數(shù)字微鏡設(shè)備，Digital Micromirror Device)來(lái)實(shí)現(xiàn)的方式是令人感興趣 的。在此使用可調(diào)諧的鈦藍(lán)寶石激光器，利用該鈦藍(lán)寶石激光器執(zhí)行彩色的高度掃描。由 此，與DMD的切換相結(jié)合地實(shí)現(xiàn)了如下結(jié)構(gòu)，其能夠?qū)崿F(xiàn)高精確度的3D形貌數(shù)據(jù)，而無(wú)需任 何機(jī)械的運(yùn)動(dòng)元件。但在此通過(guò)DMD可能會(huì)產(chǎn)生圖像偽影，并且DMD的切換速度通常是有 限的。同樣也無(wú)法并行地得到寬視場(chǎng)圖像。
[0012] 彩色共焦點(diǎn)傳感器的改進(jìn)方案是所謂的彩色共焦光譜干涉，其例如在 Papastathopoulos 等人，應(yīng)用光學(xué)（Applied 0ptics)45,8244(2006)中進(jìn)行了描述。在此， 除了彩色共焦度之外還實(shí)現(xiàn)干涉儀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也可以被視為具有擴(kuò)展的景深的白光干 涉儀。除了光譜最大值之外，在此也可以評(píng)估光譜相位，在該光譜相位中同樣包含有高度信 肩、。
[0013] 在上面已經(jīng)提及的是，彩色共焦寬視場(chǎng)方法迄今為止基本上在使用可調(diào)諧的光源 或彩色攝像機(jī)的情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)具有高分辨率的光譜寬視場(chǎng)圖像生成同時(shí)還存在多種 方式。例如存在有FFT光譜儀系統(tǒng)（FFT=快速傅立葉變換），其中，光譜由在干涉儀結(jié)構(gòu)中 的路徑長(zhǎng)度改變和隨后的傅立葉分析推導(dǎo)出。此外，還存在有"圖像切片光譜儀"的技術(shù)， 其中，各圖像部分相互錯(cuò)開地成像在大的面?zhèn)鞲衅魃?，從而產(chǎn)生空隙，這些空隙可以被用于 借助接在前面的色散元件來(lái)獲取光譜信息。在結(jié)構(gòu)化照射的意義上也已經(jīng)存在關(guān)于將這種 光譜儀與3D圖像生成相結(jié)合的現(xiàn)有技術(shù)。
[0014] 此外，還使用了 3D布拉格光柵，以便通過(guò)順序記錄單色圖像得到具有高的空間分 辨率和光譜分辨率的超光譜記錄。
[0015] 這些技術(shù)與彩色共焦寬視場(chǎng)系統(tǒng)的結(jié)合迄今為止是沒(méi)有公開的。
[0016] 在這種光學(xué)顯微鏡中存在有用于向試樣方向發(fā)射出照射光的多色光源和用于將 照射光聚焦至試樣上的聚焦器件，其中，為了產(chǎn)生深度分辨率，聚焦器件具有縱向色差。這 種光學(xué)顯微鏡此外還包括探測(cè)裝置，其具有二維陣列的探測(cè)元件，用以檢測(cè)來(lái)自試樣的試 樣光。
[0017] 在這種利用光學(xué)顯微鏡來(lái)記錄圖像的方法中規(guī)定，利用多色光源向試樣方向發(fā)出 照射光，從而利用聚焦器件使照射光聚焦至試樣上，其中，通過(guò)聚焦器件的縱向色差來(lái)實(shí)現(xiàn) 深度分辨，并且利用包括二維陣列的探測(cè)元件的探測(cè)裝置檢測(cè)來(lái)自試樣的試樣光。
[0018] 在公知的光學(xué)顯微鏡和方法的情況下不利的是，僅利用了一部分可以通過(guò)由光源 輻射至試樣的照射光獲取到的信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的任務(wù)是提供一種光學(xué)顯微鏡，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)關(guān)于微小試樣的附加信息的 測(cè)量。此外，應(yīng)該說(shuō)明一種用于利用光學(xué)顯微鏡記錄圖像的方法，利用該光學(xué)顯微鏡可以獲 取關(guān)于微小試樣的附加信息。
[0020] 該任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的光學(xué)顯微鏡和通過(guò)具有權(quán)利要求16的特征 的方法來(lái)解決。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡的有利的設(shè)計(jì)方案和根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選的變型 方案是從屬權(quán)利要求的主題，并且此外在隨后的描述中，尤其是結(jié)合圖來(lái)描述。
[0022] 在上面提到類型的光學(xué)顯微鏡中根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，為了既檢測(cè)試樣光的共焦部分 又檢測(cè)試樣光的非共焦部分，從試樣至探測(cè)裝置的光學(xué)路徑中沒(méi)有用于完全濾除非共焦部 分的元件。
[0023] 在上面提到類型的方法中，根據(jù)本發(fā)明，將試樣光的共焦部分和非共焦部分都引 導(dǎo)至探測(cè)裝置。
[0024] 本發(fā)明的核心思想是，試樣光的在共焦顯微鏡中根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)被濾除的非共焦部 分至少部分利用探測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)。試樣光的共焦部分應(yīng)該理解為來(lái)自照射光在試樣中或 上的焦點(diǎn)平面的部分。該平面可以垂直于光學(xué)顯微鏡的光軸地限定。
[0025] 試樣光的非共焦部分相應(yīng)地應(yīng)該理解為試樣光的來(lái)自與照射光的焦點(diǎn)平面不同 的平面的部分。在公知的共焦顯微鏡中濾除這些光部分。為此公知的是，將針孔，即具有小 的圓形的或縫隙狀的穿孔的光圈布置在與所研究的試樣平面共軛的平面上。代替針孔，為 此也可以使用結(jié)構(gòu)化的元件。與此不同，根據(jù)本發(fā)明，非共焦的光部分沒(méi)有或僅部分被濾 除。有利的是，由此可以由檢測(cè)到的試樣光建立起試樣的寬視場(chǎng)圖像。在本發(fā)明的意義中， 寬視場(chǎng)圖像可以理解為如下圖像，針對(duì)該圖像不僅利用來(lái)自照射光的焦點(diǎn)平面的試樣光， 而且也利用來(lái)自照射光的焦點(diǎn)平面之外的區(qū)域的試樣光。此外，還可以存在有適用于建立 試樣的共焦圖像的器件，其中，僅表現(xiàn)出試樣光的共焦部分。
[0026] 因此有利地，可以通過(guò)唯一的測(cè)量或唯一的測(cè)量系列來(lái)獲取大的信息內(nèi)容，尤其 不僅是共焦圖像而且還有寬視場(chǎng)圖像，其中，光學(xué)顯微鏡的部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)不是必需的，或 者僅在小范圍內(nèi)是必需的。
[0027] 照射光可以理解為朝試樣輻射的任意的光。照射光可以是單色的，或者也可以包 括一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)范圍。而試樣光被理解為由于照射光福射到試樣上而由該試樣發(fā)射出的 光。因此，試樣光可以是射回的，尤其是散射和/或反射的照射光。但試樣光也可以通過(guò)自 發(fā)光形成，尤其是通過(guò)熒光或磷光形成。
[0028] 多色光源例如可以包括一個(gè)或多個(gè)可調(diào)諧的激光器。替選或附加地，光源還可以 包括白光源、鹵素?zé)艉?或二極管，尤其是超級(jí)發(fā)光二極管。照射光例如可以位于紅外線范 圍、可視波長(zhǎng)范圍或紫外線范圍內(nèi)。
[0029] 在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡的一種優(yōu)選設(shè)計(jì)方案中，結(jié)構(gòu)化的元件處于光源與聚 焦器件之間，用以從由光源發(fā)射出的照射光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化的照射光。因此，在此聚焦器件將結(jié) 構(gòu)化的照射光引導(dǎo)至樣品上。
[0030] 結(jié)構(gòu)化的元件原則上可以理解為每一種用其使試樣平面上的照射光受到特定的 空間結(jié)構(gòu)影響的元件。優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)化的元件可以具有尼普科夫盤、微透鏡陣列、光柵，尤其 是1D光柵或2D光柵、菲涅爾雙棱鏡或用于產(chǎn)生散斑圖樣的元件。在光柵或用于產(chǎn)生散斑 圖樣的元件的情況下，照射光適宜地包括相干部分或是完全相干的。散斑圖樣可以理解為 幾乎隨機(jī)的圖樣，其通過(guò)在不規(guī)則地結(jié)構(gòu)化的元件上衍射的相干光波的干涉形成。
[0031] 該實(shí)施方案的主要優(yōu)點(diǎn)是，試樣的大量不同的xyz區(qū)域可以同時(shí)或在短時(shí)間內(nèi)依 次被研究。因此，可以通過(guò)依賴于波長(zhǎng)的焦點(diǎn)位置成像出不同的z位置。在此有利的是，掃 描運(yùn)動(dòng)，即試樣相對(duì)于光學(xué)顯微鏡的物鏡的移動(dòng)不是必需的。此外，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)化的元件 來(lái)研究試樣的不同的xy區(qū)域，而無(wú)需掃描運(yùn)動(dòng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)化的元件的設(shè)計(jì)方案，例如在將 光柵作為結(jié)構(gòu)化的元件的情況下，不同的xy區(qū)域可以同時(shí)被成像，或者例如在將旋轉(zhuǎn)的針 孔光圈或尼普科夫盤作為結(jié)構(gòu)化的元件的情況下，不同的xy區(qū)域可以依次被成像。在這兩 種情況下，有利的是無(wú)需相對(duì)于物鏡移動(dòng)試樣。
[0032] 為了使試樣光的非共焦部分也到達(dá)探測(cè)裝置，在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡的一種 優(yōu)選設(shè)計(jì)方案中，在結(jié)構(gòu)化的兀件與試樣之間存在分光鏡，該分光鏡對(duì)于照射光來(lái)說(shuō)是可 穿透的，而對(duì)于來(lái)自試樣的試樣光來(lái)說(shuō)是反射性的，或者反過(guò)來(lái)。由此可以阻止試樣光在到 探測(cè)裝置的路徑上必須穿過(guò)結(jié)構(gòu)化的元件。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)化的元件的規(guī)格被確定為使其濾 除非共焦的光部分時(shí)，試樣光的非共焦的部分以此方式仍然可以有利地到達(dá)探測(cè)裝置。同 時(shí)，在此可以提供試樣光的對(duì)于共焦顯微鏡來(lái)說(shuō)所需的照射。例如在將尼普科夫盤作為結(jié) 構(gòu)化的元件的情況下，當(dāng)其開口具有小于或等于愛(ài)里盤（Airy-Scheibe)的大小時(shí)，可以濾 除試樣光的非共焦的部分。在此，愛(ài)里盤是在試樣上的照射光的焦點(diǎn)上由衍射引起的最小 的照射圓盤。
[0033] 分光鏡優(yōu)選是偏振分光鏡，并且在偏振分光鏡與試樣位置之間存在有用于改變光 的偏振方向的器件，以便改變?cè)嚇庸獾钠穹较?，并且進(jìn)而將試樣光傳導(dǎo)至探測(cè)裝置。這些 器件例如可以利用λ/4板來(lái)形成，利用該λ/4板，射到試樣上的照射光和來(lái)自試樣的試樣 光分別在偏振方向上被轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)果導(dǎo)致偏振光和試樣光在偏振分光鏡上的偏振方向彼此垂 直。由此，可以有效地實(shí)現(xiàn)照射光和試樣光的空間分離。適宜的是，在光源與偏振分光鏡之 間可以存在有偏振濾波器，從而僅偏振的照射光射到偏振分光鏡上并緊接著射到試樣上。
[0034] 為了濾掉其偏振方向與待檢測(cè)的試樣光的偏振方向不一致的散射光，在偏振分光 鏡與探測(cè)裝置之間可以存在有另一偏振濾波器。替選或附加于偏振分光鏡，在另一優(yōu)選的 實(shí)施變型方案中規(guī)定，來(lái)自試樣的試樣光被引導(dǎo)穿過(guò)結(jié)構(gòu)化的元件到探測(cè)器單元上，并且 結(jié)構(gòu)化的元件的結(jié)構(gòu)尺寸足夠大，以允許試樣光的非共焦部分穿過(guò)。這些結(jié)構(gòu)尺寸例如可 以是尼普科夫盤的孔直徑、微透鏡陣列的透鏡直徑或光柵的周期常數(shù)。在將結(jié)構(gòu)化的元件 布置在與試樣平面共軛的平面中的情況下，如果這些結(jié)構(gòu)尺寸大于愛(ài)里盤，優(yōu)選是愛(ài)里盤 的至少兩倍或三倍，那么這些結(jié)構(gòu)尺寸就可以是足夠大的。在此，愛(ài)里盤限定了試樣上在焦 點(diǎn)處的照射光的橫截面積。愛(ài)里盤的直徑可以限定為照射光的波長(zhǎng)除以物鏡的數(shù)值孔徑的 1.2 倍。
[0035] 在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡的另一優(yōu)選設(shè)計(jì)方案中規(guī)定，結(jié)構(gòu)化的元件在一側(cè)是 被鏡化處理的（verspiegelt)，其中，來(lái)自試樣的試樣光被引導(dǎo)至結(jié)構(gòu)化的元件的被鏡化處 理的側(cè)上，并且在那里部分被反射且部分被透射，探測(cè)裝置具有第一和第二探測(cè)器，該第一 探測(cè)器布置成用于測(cè)量來(lái)自試樣并在結(jié)構(gòu)化的元件上透射的試樣光，并且該第二探測(cè)器布 置成用于測(cè)量來(lái)自試樣并在結(jié)構(gòu)化的元件上反射的試樣光。在此，尤其可以規(guī)定，通過(guò)結(jié)構(gòu) 化的元件實(shí)現(xiàn)共焦的光學(xué)路徑。在該情況下，試樣的共焦圖像可以記錄下在結(jié)構(gòu)化的元件 上透射的試樣光，其中，非共焦的光部分在結(jié)構(gòu)化的元件上已經(jīng)被濾除。而在結(jié)構(gòu)化的元件 上反射的試樣光在該情況下也具有非共焦部分，從而據(jù)此可以產(chǎn)生試樣的寬視場(chǎng)圖像。
[0036] 聚焦器件可以是物鏡的一部分，或者包括物鏡。為了產(chǎn)生依賴于波長(zhǎng)的焦點(diǎn)位置， 聚焦器件在一種優(yōu)選設(shè)計(jì)方案中具有折射和/或衍射作用的微透鏡陣列，即二維布置的微 透鏡。由于聚焦器件的縱向色差，焦點(diǎn)沿光軸的位置依賴于照射光的波長(zhǎng)。因此，寬帶的照 射光或具有不同的光譜部分的照射光聚焦到沿光軸的不同深度上。這能夠?qū)崿F(xiàn)記錄試樣在 不同深度或z值上的圖像，而無(wú)需機(jī)械地調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡的位置。利用微透鏡陣列可以有 利地同時(shí)研究多個(gè)在橫向于光軸的平面中彼此相鄰的試樣點(diǎn)。同樣，該xy平面也可以在沒(méi) 有掃描運(yùn)動(dòng)的情況下成像。由此實(shí)現(xiàn)了高程的并行化，其中，試樣的大量不同的xyz區(qū)域可 以同時(shí)或僅通過(guò)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)化的元件來(lái)記錄。
[0037] 為了通過(guò)聚焦器件的色差實(shí)現(xiàn)的在z方向上的特別高的分辨率，對(duì)光波長(zhǎng)的盡可 能精確的識(shí)別和選擇是期望的。為此，一方面可以通過(guò)光譜分辨的方式來(lái)檢測(cè)來(lái)自試樣的 試樣光。另一方面，對(duì)此替選或附加地，光源的照射光的不同的光譜范圍可以順序地引導(dǎo)至 試樣上。在一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中規(guī)定，存在有用于選出照射光的能可變調(diào)節(jié)的光譜范圍 的波長(zhǎng)選擇裝置，以便經(jīng)由聚焦器件將照射光聚焦至沿光軸的不同位置上，并且存在有用 于借助波長(zhǎng)選擇裝置選出光譜范圍的電子控制器件。波長(zhǎng)選擇裝置優(yōu)選具有棱鏡、光柵、濾 色器和 / 或聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF，Acousto-Optical Tunable Filter)。
[0038] 在一種實(shí)施變型方案中實(shí)現(xiàn)了更短的測(cè)量時(shí)間和更少的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其中，結(jié)構(gòu)化 的元件，例如光柵可以從兩側(cè)被照射，從而使結(jié)構(gòu)化的元件的兩個(gè)相位可以成像到試樣平 面上。這是期望的，尤其是當(dāng)具有結(jié)構(gòu)化的元件的不同相位的多個(gè)圖像被記錄，并且通過(guò)利 用莫爾效應(yīng)換算為具有改進(jìn)的分辨率的唯一的圖像時(shí)。在此規(guī)定，存在有轉(zhuǎn)向裝置，其用于 將照射光有選擇地引導(dǎo)至第一或第二光路，并且結(jié)構(gòu)化的元件在一側(cè)是被鏡化處理的，其 中，第一光路的照射光被引導(dǎo)至結(jié)構(gòu)化的元件的被鏡化處理的側(cè)上，并且在結(jié)構(gòu)化的元件 上向試樣方向反射，其中，第二光路的照射光被引導(dǎo)至結(jié)構(gòu)化的元件的另一側(cè)上，并且通過(guò) 結(jié)構(gòu)化的元件向試樣方向透射，并且其中，透射的照射光和反射的照射光在試樣上產(chǎn)生結(jié) 構(gòu)化的元件的彼此相移的成像。
[0039] 優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)向裝置具有可切換的鏡子，尤其是電流計(jì)鏡，微鏡執(zhí)行器（DMD， digital micromirror device,數(shù)字微鏡設(shè)備）或者微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)、聲光調(diào)制器 (Α0Μ)、聲光偏轉(zhuǎn)器（A0D)、電光調(diào)制器（Ε0Μ)或基于偏振轉(zhuǎn)動(dòng)的切換單元。為了將照射光沿 第一和/或第二光路徑向引導(dǎo)可以分別存在至少一個(gè)光導(dǎo)纖維。
[0040] 替選或附加于借助轉(zhuǎn)向裝置提供兩個(gè)光路，也可以將結(jié)構(gòu)化的元件移位。為此，在 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡的一種優(yōu)選變型方案中規(guī)定，存在有用于移動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)化 的元件的定位器件，并且存在有電子控制器件，其設(shè)置成用于在結(jié)構(gòu)化的元件的不同位置 情況下利用探測(cè)裝置來(lái)記錄試樣的圖像，并且將這些圖像換算為一個(gè)試樣圖像。優(yōu)選的是， 探測(cè)裝置是光譜分辨探測(cè)裝置。有利地，在此可以同時(shí)檢測(cè)不同波長(zhǎng)的試樣光，并且將它們 彼此區(qū)分開。由此，可以實(shí)現(xiàn)z分辨率的改進(jìn)。
[0041] 探測(cè)裝置尤其是可以是智能像素陣列探測(cè)器，即具有在芯片上的計(jì)算單元的面探 測(cè)器芯片，由此在探測(cè)器上可以直接對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)計(jì)算。為了產(chǎn)生探測(cè)器裝置 的光譜分辨率可以存在有光譜濾波器件，尤其是聲光可調(diào)諧濾波器（A0TF)、棱鏡、光柵和/ 或至少一個(gè)濾色器。替選地，探測(cè)裝置可以具有干涉儀。
[0042] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選變型方案中規(guī)定，為了確定試樣的高度輪廓，記 錄試樣在試樣光的被檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍方面相互區(qū)分開的圖像，確定針對(duì)每個(gè)圖像的像點(diǎn)的 調(diào)制對(duì)比度（Modulationskontrast)，從在不同的圖像中具有相同的位置的像點(diǎn)選擇出具 有最大的調(diào)制對(duì)比度的像點(diǎn)，為選出的像點(diǎn)依賴于附屬的波長(zhǎng)范圍地配屬上試樣的高度信 息，其中，針對(duì)其中每個(gè)不同的波長(zhǎng)范圍分別預(yù)先存儲(chǔ)有高度信息。試樣的圖像在此可以記 錄下結(jié)構(gòu)化的元件的唯一的位置，或者可以通過(guò)換算針對(duì)結(jié)構(gòu)化的元件的不同位置或不同 相位記錄的多個(gè)圖像計(jì)算出。調(diào)制對(duì)比度在最簡(jiǎn)單的情況下可以理解為同一圖像中的相鄰 的像點(diǎn)之間的亮度差。由于其波長(zhǎng)被聚焦器件直接聚焦到待研究的試樣表面上的照射光產(chǎn) 生試樣的具有高調(diào)制對(duì)比度的清晰圖像。而其他波長(zhǎng)的照射光產(chǎn)生具有低調(diào)制對(duì)比度的模 糊圖像。尤其是可以通過(guò)結(jié)構(gòu)化的元件將依賴于照射光的波長(zhǎng)地具有不同清晰度的圖樣成 像在試樣表面上。由此，調(diào)制對(duì)比度以結(jié)構(gòu)化的元件在試樣表面上的成像的清晰度為基礎(chǔ)。 因?yàn)樵嚇颖砻娴母叨瓤梢砸蕾囉诓煌脑嚇訁^(qū)域的xy位置，所以針對(duì)圖像內(nèi)的多個(gè)xy區(qū) 域，優(yōu)選針對(duì)每個(gè)像點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制對(duì)比度的確定和比較。
[0043] 在到目前為止所描述的實(shí)施方案中，z分辨率通過(guò)針對(duì)不同的波長(zhǎng)的焦點(diǎn)的分裂 來(lái)實(shí)現(xiàn)。但附加地也可以利用照射光在試樣表面上的相位，其依賴于試樣與物鏡的間距并 且進(jìn)而依賴于試樣的高度輪廓。為此，可以執(zhí)行光譜干涉法。在此，已知波長(zhǎng)的照射光被引 導(dǎo)至試樣上。利用干涉儀，試樣光被部分引導(dǎo)回試樣上，從而試樣光可以在那里發(fā)生相長(zhǎng)干 涉。為此，必須利用干涉儀適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)出干涉儀參考路徑的長(zhǎng)度，這依賴于與試樣表面的間 距。因此，該待調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度包含關(guān)于試樣輪廓的信息。據(jù)此，在一種優(yōu)選方法變型方案中可 以規(guī)定，利用干涉儀，尤其是林尼克干涉儀（Linnik-Interferometer)，將一部分試樣光引 導(dǎo)至具有可調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度的參考路徑上并緊接著引導(dǎo)回試樣上，其中，在試樣的表面上，照射 光與引導(dǎo)回的試樣光之間的相長(zhǎng)干涉依賴于試樣的高度輪廓以及參考路徑的長(zhǎng)度，改變?cè)?參考路徑的長(zhǎng)度，并且選出利用探測(cè)裝置接收到最大信號(hào)時(shí)的長(zhǎng)度，并且由參考路徑的選 出的長(zhǎng)度借助預(yù)先存儲(chǔ)的值推導(dǎo)出試樣的高度輪廓。
[0044] 為此，精確地識(shí)別檢測(cè)到的光的波長(zhǎng)是必需的。
[0045] 尤其是為了該目的，在另一優(yōu)選方法變型方案中規(guī)定，為了改進(jìn)光譜分辨率，不僅 通過(guò)探測(cè)裝置的光譜濾波器件而且也通過(guò)光源處的波長(zhǎng)選擇裝置來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)選擇。有利 地，由此進(jìn)一步改進(jìn)了 z分辨率，并且干涉儀可以像上面所描述的那樣有意義地被使用。 [0046] 為了建立試樣的共焦圖像，而不必機(jī)械地濾除非共焦的光部分，在根據(jù)本發(fā)明的 方法的一種優(yōu)選變型方案中規(guī)定，為了產(chǎn)生共焦圖像，將探測(cè)元件用作數(shù)字光圈（digitale Blende)，其中，為了建立共焦圖像使用如下探測(cè)元件，位于照射光的焦點(diǎn)中的試樣區(qū)域清 晰地成像到這些探測(cè)元件上。優(yōu)選地，探測(cè)裝置布置在與試樣平面共軛的平面中。在此，沒(méi) 有使用僅有非共焦的光部分射到其上的探測(cè)元件。替選地，這些探測(cè)元件的信息可以用于 估計(jì)在共焦的光部分成像到其上的其余探測(cè)元件上的非共焦的光部分并將其減去。在該實(shí) 施方案中，附加或地選地，試樣的寬視場(chǎng)圖像可以利用試樣光的非共焦部分以及共焦部分 計(jì)算出。
[0047] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的一種變型方案中，可以使用所謂的HiLo法 (HiLo-Verfahren)。在此規(guī)定，記錄試樣的第一圖像，其中，為了產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化的照射，結(jié)構(gòu)化 的元件處于光學(xué)路徑中，為了研究尤其是利用結(jié)構(gòu)化的照射在記錄第一圖像時(shí)沒(méi)被照射到 的試樣區(qū)域，第二圖像被記錄，其中，結(jié)構(gòu)化的元件沒(méi)處于光學(xué)路徑中，并且將第一和第二 圖像換算為一個(gè)試樣圖像。為此，將可以在使用和沒(méi)有使用結(jié)構(gòu)化的元件的情況下獲取的 不同信息匯集在一起。
[0048] 為了確定試樣的高度輪廓或者為了區(qū)分不同的測(cè)量深度可以規(guī)定，以光譜分辨的 方式來(lái)檢測(cè)試樣光，并且測(cè)定關(guān)于波長(zhǎng)的清晰度函數(shù)。由此，清晰度最大的波長(zhǎng)測(cè)定為試樣 高度。這相應(yīng)于聚焦變化原理并且允許特別高的深度分辨率。
[0049] 在橫向于光軸的試樣平面中的測(cè)量分辨率可以在一種方法變型方案中進(jìn)一步得 到改進(jìn)，在該方法變型方案中，對(duì)照射光和/或試樣光進(jìn)行偏振編碼。在此規(guī)定，在試樣平 面中相鄰的區(qū)域中以不同偏振的照射光來(lái)輻射，或者進(jìn)行依賴于位置的試樣光偏振，其中， 試樣光依賴于其橫向于光軸的位置地受到特定的偏振的影響。于是，試樣光針對(duì)不同的偏 振被單獨(dú)檢測(cè)，并且為檢測(cè)到的試樣光依賴于其偏振地配屬上在試樣平面內(nèi)的位置信息。
[0050] 例如，照射光或試樣光可以被區(qū)分為具有左旋圓偏振和右旋圓偏振。但替選地，不 同的線性偏振也可以作為區(qū)分特征來(lái)使用。為了產(chǎn)生偏振的照射光在試樣平面中的空間結(jié) 構(gòu)，附加的光學(xué)元件，例如一個(gè)或多個(gè)光柵可以布置在光學(xué)路徑中。
[0051] 原則上，替代地或附加于偏振編碼，分辨率改進(jìn)也可以通過(guò)顏色編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。在 此，照射光依賴于其波長(zhǎng)被發(fā)射到不同的試樣區(qū)域上，或者試樣光依賴于其橫向于光軸的 位置被過(guò)濾。于是，檢測(cè)到的光的不同的波長(zhǎng)可以配屬于試樣平面中的不同的xy值。針對(duì) 深度分辨，在該實(shí)施方案中，適宜地可以放棄具有縱向色差的光學(xué)器件。取而代之的地，其 他光特性，例如待檢測(cè)的光的偏振可以用于深度編碼。
[0052] 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡優(yōu)選設(shè)置成用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法和方法變型方 案。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0053] 接下來(lái)參考示意性的附圖對(duì)本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述。其中：
[0054] 圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡的第一實(shí)施例；
[0055] 圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡的第二實(shí)施例；以及
[0056] 圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡的另一實(shí)施例的截段。
[0057] 相同的和相同作用的組成部分在圖中原則上用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)。

【具體實(shí)施方式】
[0058] 圖1不出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡100的實(shí)施例。作為主要的部件，光學(xué)顯微鏡 100包括用于發(fā)射出照射光15的多色光源10、結(jié)構(gòu)化的元件30和用于將照射光15聚焦至 試樣60上的聚焦器件50,利用該結(jié)構(gòu)化的元件使照射光15受到空間結(jié)構(gòu)的影響。此外，光 學(xué)顯微鏡100包括探測(cè)裝置80,利用該探測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)由試樣60向聚焦器件50方向發(fā)射 出的試樣光16。試樣光16尤其可以是在試樣16上被反射和/或散射的照射光15。但原 則上，試樣光16也可以是由于試樣吸收了照射光而被福射出的突光或磷光。
[0059] 光源10例如可以包括一個(gè)或多個(gè)激光器、鹵素?zé)艋蚨O管。輻射出的照射光15可 以具有比較寬的波長(zhǎng)范圍，并且利用光學(xué)成像器件12,例如利用一個(gè)或多個(gè)透鏡被引導(dǎo)至 波長(zhǎng)選擇裝置20。波長(zhǎng)選擇裝置20可以包括A0TF或一個(gè)或多個(gè)棱鏡、光柵或?yàn)V色器。利 用電子控制器件90,波長(zhǎng)選擇裝置20可以被運(yùn)行用于順序選出照射光15的窄帶的波長(zhǎng)范 圍。
[0060] 照射光15的利用波長(zhǎng)選擇裝置20選出的部分隨后被引導(dǎo)至轉(zhuǎn)向裝置25。該轉(zhuǎn) 向裝置例如可以具有電流計(jì)鏡或其他可切換的鏡子。替選地，轉(zhuǎn)向裝置也可以包括聲光偏 轉(zhuǎn)器。電子控制器件90設(shè)定成用于執(zhí)行轉(zhuǎn)向裝置25的至少兩個(gè)不同的設(shè)置，其中，照射光 15有選擇地轉(zhuǎn)向至第一光路17或第二光路18。
[0061] 在第一光路17上，照射光15被引導(dǎo)至結(jié)構(gòu)化的元件30的被鏡化處理的側(cè)上。為 此，在所示的實(shí)施方式中使用了光導(dǎo)纖維27。照射光15通過(guò)透鏡26耦入光導(dǎo)纖維27中， 并且從光導(dǎo)纖維27中出來(lái)的照射光通過(guò)另一透鏡28引導(dǎo)至分光鏡29,例如半透光的鏡子 上，并且由此進(jìn)一步引導(dǎo)至結(jié)構(gòu)化的元件30的被鏡化處理的側(cè)上。
[0062] 在第二光路18上，照射光利用透鏡21耦入光導(dǎo)纖維22中，并且在該光導(dǎo)纖維的 另一端部上利用透鏡23引導(dǎo)至結(jié)構(gòu)化的元件30的未鏡化處理的另一側(cè)上。
[0063] 但是替代光導(dǎo)纖維，照射光15在兩個(gè)光路上也可以僅利用鏡子和/或透鏡來(lái)導(dǎo) 弓丨。附加地也可以存在用于使照射光15偏振的偏振濾波器。
[0064] 在第二光路18上，照射光15透射穿過(guò)結(jié)構(gòu)化的元件30,其中，照射光15受到結(jié)構(gòu) 的影響，由此其也可被稱為結(jié)構(gòu)化的照射光。
[0065] 結(jié)構(gòu)化的元件30處于與試樣平面共軛的場(chǎng)平面中，從而使結(jié)構(gòu)化的元件30在試 樣平面上清晰地成像。
[0066] 結(jié)構(gòu)化的元件30例如可以是一維或二維的光柵結(jié)構(gòu)。如果兩個(gè)光路17、18被順 序地使用，那么結(jié)構(gòu)化的元件30的兩個(gè)相位可以依次在試樣位置上成像。為了使結(jié)構(gòu)化的 元件30的其他相位在試樣60上成像，電子控制器件90設(shè)定成用于使結(jié)構(gòu)化的元件30沿 雙箭頭的方向，即橫向于光學(xué)顯微鏡100的光軸地移動(dòng)和/或使結(jié)構(gòu)化的元件30轉(zhuǎn)動(dòng)。通 過(guò)使用兩個(gè)光路17、18可以有利地減小結(jié)構(gòu)化的元件30的用于測(cè)量所需的位置的數(shù)量。
[0067] 通過(guò)分光鏡29,第一光路17的在結(jié)構(gòu)化的兀件上反射的照射光15和第二光路18 的在結(jié)構(gòu)化的元件30上透射的照射光15在相同的光學(xué)路徑上引導(dǎo)至試樣60。
[0068] 在此，照射光15穿過(guò)另一光學(xué)成像器件31以及分光鏡40。利用分光鏡40將射到 試樣60上的照射光15和來(lái)自試樣60的試樣光16分離。為此，分光鏡40可以實(shí)施為偏振 分光鏡40。在該情況下，在偏振分光鏡40與試樣60之間存在用于改變光的偏振方向的器 件，例如λ /4板41。通過(guò)λ /4板，照射光15的偏振方向在通向試樣60的路徑上被轉(zhuǎn)動(dòng)， 并且返回的試樣光16的偏振方向被重新轉(zhuǎn)動(dòng)。由此，在分光鏡40上，照射光15和試樣光 16的偏振方向以90°相互區(qū)分開，從而可以實(shí)現(xiàn)有效的分離。
[0069] 為了將照射光15聚焦到試樣60上，存在有聚焦器件50。該聚焦器件在此包括具 有縱向色差的衍射元件48以及物鏡49。替選地，衍射元件48也可以是物鏡49的組成部 分。由于縱向色差，照射光15沿光軸的焦點(diǎn)位置依賴于照射光15的波長(zhǎng)。在圖1中示出 試樣光16的不同波長(zhǎng)的3個(gè)不同的焦點(diǎn)51。
[0070] 通過(guò)單獨(dú)地評(píng)估不同波長(zhǎng)的光的方式可以研究沿光軸的不同的深度，即不同的截 面。由此可以建立起試樣60的高度輪廓。在部分透光的試樣中，在試樣內(nèi)部的研究也可以 在不同的深度中進(jìn)行。
[0071] 由試樣60射回的試樣光16在偏振分光鏡40上被引導(dǎo)至探測(cè)通道中，在該探測(cè)通 道中，該試樣光經(jīng)由偏振濾波器42和光學(xué)成像器件43到達(dá)探測(cè)裝置80。通過(guò)偏振濾波器 42可以濾掉具有其他偏振方向的散射光。
[0072] 為了研究試樣60中的不同的深度，照射光15的波長(zhǎng)的調(diào)整尤其可以借助波長(zhǎng)選 擇裝置20和/或利用探測(cè)裝置80上的光譜濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電子控制器件90在此設(shè)定成 用于利用波長(zhǎng)選擇裝置20和/或探測(cè)裝置80上的光譜濾波器來(lái)調(diào)整待檢測(cè)的光的波長(zhǎng)， 以便由此實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣在ζ方向上的掃描，而無(wú)需移動(dòng)試樣60。
[0073] 當(dāng)光源的波長(zhǎng)范圍的可調(diào)節(jié)的帶寬不能以所期望的光譜分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)和/或探 測(cè)裝置的光譜分辨率例如通過(guò)使用有限數(shù)量的濾色器不能實(shí)現(xiàn)所期望的分辨率時(shí)，引導(dǎo)至 試樣上的照射光和利用濾波器件引導(dǎo)至探測(cè)裝置80上的試樣光的波長(zhǎng)的順序的改變可以 是有利的。在該情況下可以實(shí)現(xiàn)提高的光譜分辨率，其方式是不僅在光源上選出特定的波 長(zhǎng)范圍，而且也在探測(cè)裝置上進(jìn)行波長(zhǎng)過(guò)濾。當(dāng)不同光柵相位的成像通過(guò)彩色編碼來(lái)實(shí)現(xiàn) 時(shí)，該實(shí)施方案也可以是有利的。
[0074] 試樣60的高度輪廓可以通過(guò)如下方式來(lái)確定，S卩，針對(duì)不同的波長(zhǎng)分別確定出針 對(duì)在xy平面中，即橫向于光軸地相鄰的像點(diǎn)的調(diào)制對(duì)比度。在此，調(diào)制對(duì)比度在波長(zhǎng)的Z 焦點(diǎn)位置與試樣表面一致的波長(zhǎng)的情況下受到最強(qiáng)地影響。在數(shù)值表中，針對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)存 儲(chǔ)有一個(gè)ζ焦點(diǎn)位置，從而由特定的波長(zhǎng)可以測(cè)定試樣表面的在ζ方向上的位置。
[0075] 試樣60的高度輪廓也可以通過(guò)與利用調(diào)制對(duì)比度不同的方式來(lái)確定。因此，針對(duì) 每個(gè)波長(zhǎng)，可以由結(jié)構(gòu)化的元件30的針對(duì)不同的光柵相位的多個(gè)圖像計(jì)算出試樣的截面 圖像。于是，高度輪廓的確定可以按如下方式進(jìn)行，即，由在其在不同的截面圖像中的位置 中彼此相應(yīng)的像點(diǎn)選出具有最大強(qiáng)度或最大對(duì)比度的像點(diǎn)。
[0076] 為了計(jì)算針對(duì)不同的光柵相位的圖像，探測(cè)裝置80包括智能像素陣列探測(cè)器。此 外為了減少測(cè)量時(shí)間，還可以設(shè)置的是將光柵相位通過(guò)對(duì)照射光的偏振編碼成像到試樣 上。
[0077] 作為對(duì)移動(dòng)結(jié)構(gòu)化的元件30的附加或替選，對(duì)結(jié)構(gòu)化的照射光15的操作也可以 在物鏡50的光瞳平面中進(jìn)行。結(jié)構(gòu)化的元件30的光柵根據(jù)傅立葉變換在光瞳平面中基本 上作為相應(yīng)于光柵的各衍射級(jí)的點(diǎn)圖樣示出。在此，在光瞳平面中可以布置有轉(zhuǎn)向器件，例 如電光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器或電流計(jì)鏡。以此方式，可以實(shí)現(xiàn)在光瞳平面中相應(yīng)于點(diǎn)圖樣的 照射光的角度調(diào)制，由此同樣可以在不同的光柵位置之間進(jìn)行切換，而無(wú)需移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié) 構(gòu)化的元件30。
[0078] 替選地，結(jié)構(gòu)化的元件30也可以通過(guò)二維針孔陣列來(lái)形成，而不是光柵。在該情 況下，僅使用光路18。在此，探測(cè)裝置80的探測(cè)元件可以用作數(shù)字針孔，其中，為了建立共 焦的圖像僅使用試樣的不同圖像的清晰地成像到探測(cè)元件上的區(qū)域。
[0079] 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡100的另一實(shí)施例在圖2中示意性地示出。光源10的 照射光15再次被引導(dǎo)至結(jié)構(gòu)化的元件30上，為此使用已經(jīng)參考圖1描述了的光學(xué)成像器 件 32 以及部件 12、25、90、21、22、23 和 40。
[0080] 透射穿過(guò)結(jié)構(gòu)化的元件30的照射光15在此也經(jīng)由λ /4板41和聚焦器件50引 導(dǎo)至試樣60上。
[0081] 但與圖1不同的是，分光鏡40在此沒(méi)有處于結(jié)構(gòu)化的元件30與試樣60之間，而 是處于光源10與結(jié)構(gòu)化的元件30之間。因此，來(lái)自試樣的試樣光16穿過(guò)聚焦器件50,并 且經(jīng)由光學(xué)成像器件53清晰地成像到結(jié)構(gòu)化的元件30上。結(jié)構(gòu)化的元件30在此通過(guò)電 子控制器件90進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并且針對(duì)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，試樣的圖像分別利用探測(cè)裝置80來(lái)記 錄。結(jié)構(gòu)化的元件30的面向試樣60的一側(cè)是被鏡化處理的。為此，試樣光16在結(jié)構(gòu)化的 元件30上部分被反射且部分被透射。
[0082] 透射的試樣光16利用分光鏡40在空間上與照射光15分離，并且利用探測(cè)裝置80 的第一探測(cè)器81來(lái)檢測(cè)。在此，結(jié)構(gòu)化的元件30的結(jié)構(gòu)化部可以用作共焦成像的針孔。由 此，在結(jié)構(gòu)化的元件30上透射的試樣光16僅具有共焦的部分。非共焦的光部分在結(jié)構(gòu)化 的元件30上被濾除。由此，探測(cè)器81可以記錄試樣60的共焦圖像。
[0083] 而在結(jié)構(gòu)化的元件30上反射的照射光16具有共焦和非共焦的部分。于是，反射 的試樣光16經(jīng)由光學(xué)成像器件53、轉(zhuǎn)向鏡54、偏振濾波器55并且經(jīng)由其他光學(xué)成像器件 56成像到探測(cè)裝置80的第二探測(cè)器82上。第二探測(cè)器82的特征在于具有試樣60的寬視 場(chǎng)圖像，其包含來(lái)自不同的深度以及不僅來(lái)自照射光15的焦點(diǎn)位置的圖像信息。
[0084] 在該實(shí)施方案中，深度分辨也在照射光15的依賴于波長(zhǎng)的焦點(diǎn)位置51上進(jìn)行。
[0085] 在示出的示例中，兩個(gè)探測(cè)器81和82通過(guò)單獨(dú)的攝像芯片來(lái)實(shí)施。但替選地也 可以使用唯一的攝像芯片，其中，兩個(gè)探測(cè)器81和82表示攝像芯片的不同的區(qū)域。
[0086] 當(dāng)以更好的光譜分辨率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以提高深度分辨率，即在試樣60上沿光軸 的分辨率。為此，在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡1〇〇的在圖3中以截段形式示出的另一實(shí)施 例中存在有干涉儀70。作為可選的擴(kuò)展，干涉儀70也在圖1和圖2中，在聚焦器件50與結(jié) 構(gòu)化的元件30之間示出。
[0087] 干涉儀70在此實(shí)施為林尼克干涉儀。其包括分光鏡71，利用該分光鏡，一部分試 樣光16被引導(dǎo)至參考路徑72。在參考路徑72上存在優(yōu)選消色差的物鏡74和鏡子75,該 鏡子布置在物鏡74的焦點(diǎn)中，并且將從物鏡74中出來(lái)的試樣光16反射回該物鏡。可選地， 鏡子75可以通過(guò)電子控制器件90進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)移動(dòng)鏡子75可以調(diào)節(jié)參考路徑72的長(zhǎng) 度以及進(jìn)而對(duì)于光譜干涉來(lái)說(shuō)所需的光程差。
[0088] 此外，在分光鏡71與物鏡74之間可以存在由λ/4板73,以便轉(zhuǎn)動(dòng)試樣光16的偏 振方向。
[0089] 像圖1所描述的那樣，在分光鏡71上透射的照射光15經(jīng)由λ /4板41和聚焦器 件50到達(dá)試樣60。
[0090] 以此方式，除了彩色信息之外可以有利地得到其他可以在試樣的高度評(píng)估方面被 利用的信息。利用干涉儀70針對(duì)預(yù)定的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)出的光程差依賴于試樣表面的間距并且 進(jìn)而依賴于試樣的高度輪廓。因此，鏡子75的用來(lái)調(diào)節(jié)出針對(duì)試樣表面上的相長(zhǎng)干涉的光 程差的位置同樣可以用于測(cè)定高度輪廓。
[0091] 在此，檢測(cè)到的光應(yīng)該以0. lnm量級(jí)的光譜分辨率進(jìn)行測(cè)量，這僅利用簡(jiǎn)單的彩 色攝像機(jī)來(lái)作為探測(cè)裝置是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，在此優(yōu)選使用可調(diào)諧的光源和光譜分辨探 測(cè)裝置。
[0092] 利用根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)顯微鏡可以很多得到關(guān)于微小試樣的信息。在此，試樣的 共焦圖像以及寬視場(chǎng)圖像尤其是可以被記錄，而無(wú)需改裝或從光學(xué)顯微鏡中移除部件?？?以在最大程度上放棄通過(guò)機(jī)械地移動(dòng)部件來(lái)對(duì)試樣進(jìn)行掃描。因此，試樣的不同的xy點(diǎn)可 以通過(guò)使用結(jié)構(gòu)化的照射光來(lái)進(jìn)行研究，其中，無(wú)需將部件移位或者最多需要調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)化 的元件的位置。z分辨率借助縱向色差來(lái)產(chǎn)生，其中，z分辨率依賴于待檢測(cè)的光的波長(zhǎng)的 測(cè)量精確度。在實(shí)施變型方案中，波長(zhǎng)可以特別精確地確定，其中，光源是可調(diào)諧的，并且此 外探測(cè)裝置是光譜分辨式的。
[0093] 附圖標(biāo)記列表
[0094] 10 光源
[0095] 12光學(xué)成像器件、透鏡
[0096] 15照射光
[0097] 16試樣光
[0098] 17第一光路
[0099] 18第二光路
[0100] 20波長(zhǎng)選擇裝置
[0101] 21 透鏡
[0102] 22光導(dǎo)纖維
[0103] 23 透鏡
[0104] 25轉(zhuǎn)向裝置
[0105] 26 透鏡
[0106] 27光導(dǎo)纖維
[0107] 28 透鏡
[0108] 29半透光的鏡子
[0109] 30結(jié)構(gòu)化的元件
[0110] 31光學(xué)成像器件、透鏡
[0111] 32光學(xué)成像器件、透鏡
[0112] 40分光鏡、偏振分光鏡
[0113] 41 λ/4 板
[0114] 42偏振濾波器
[0115] 43光學(xué)成像器件、透鏡
[0116] 48具有縱向色差的衍射元件
[0117] 49 物鏡
[0118] 50聚焦器件
[0119] 51照射光的焦點(diǎn)
[0120] 53光學(xué)成像器件、透鏡
[0121] 54轉(zhuǎn)向鏡
[0122] 55偏振濾波器
[0123] 56光學(xué)成像器件、透鏡
[0124] 60 試樣
[0125] 70干涉儀
[0126] 71分光鏡
[0127] 72參考路徑
[0128] 73 λ/4 板
[0129] 74消色差物鏡
[0130] 75 鏡子
[0131] 80探測(cè)裝置
[0132] 90電子控制器件
[0133] 100光學(xué)顯微鏡
【權(quán)利要求】
1. 一種光學(xué)顯微鏡，所述光學(xué)顯微鏡具有： 多色光源（10)，所述多色光源用于向試樣（60)方向發(fā)射出照射光（15); 聚焦器件（50)，所述聚焦器件用于將照射光（15)聚焦到所述試樣￠0)上，其中，所述 聚焦器件（50)具有縱向色差以產(chǎn)生深度分辨率；和 探測(cè)裝置（80)，所述探測(cè)裝置包括二維陣列的探測(cè)元件以檢測(cè)來(lái)自所述試樣（60)的 試樣光（16)， 其特征在于， 為了既檢測(cè)所述試樣光（16)的共焦部分又檢測(cè)所述試樣光（16)的非共焦部分，從所 述試樣￠0)到所述探測(cè)裝置（80)的光學(xué)路徑中沒(méi)有用于完全濾除非共焦部分的元件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 在所述光源（10)與所述聚焦器件（50)之間存在有結(jié)構(gòu)化的元件（30)，所述結(jié)構(gòu)化的 元件用于從由所述光源（10)發(fā)射出的照射光（15)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化的照射光（15)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 在所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)與所述試樣（60)之間存在有分光鏡（40)，所述分光鏡對(duì)于 照射光（15)來(lái)說(shuō)是能穿透的，而對(duì)于來(lái)自所述試樣（60)的試樣光（16)來(lái)說(shuō)是反射性的， 或者反過(guò)來(lái)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 所述分光鏡（40)是偏振分光鏡（40)，并且在所述偏振分光鏡（40)與所述試樣之間存 在有λ/4板（41)，以便轉(zhuǎn)動(dòng)試樣光（16)的偏振方向，并且進(jìn)而將試樣光（16)進(jìn)一步引導(dǎo) 至探測(cè)裝置（80)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 來(lái)自所述試樣（60)的試樣光（16)通過(guò)所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)來(lái)引導(dǎo)至所述探測(cè)裝 置（80)上，并且 所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)的結(jié)構(gòu)尺寸足夠大，以允許所述試樣光（16)的非共焦部分穿 過(guò)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)在一側(cè)是被鏡化處理的，其中，來(lái)自所述試樣（60)的試樣光 (16)被引導(dǎo)至所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)的被鏡化處理的側(cè)上，并且在那里部分反射且部分 透射， 所述探測(cè)裝置（80)具有第一探測(cè)器和第二探測(cè)器（81、82)， 所述第一探測(cè)器（81)布置成用于測(cè)量來(lái)自所述試樣（60)并在所述結(jié)構(gòu)化的元件（30) 上透射的試樣光（16)，并且 所述第二探測(cè)器（82)布置成用于測(cè)量來(lái)自所述試樣（60)并在所述結(jié)構(gòu)化的元件（30) 上反射的試樣光（16)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)具有尼普科夫盤、微透鏡陣列、光柵，尤其是1D光柵或2D光 柵，菲涅爾雙棱鏡或用于產(chǎn)生散斑圖樣的元件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 所述聚焦器件（50)包括光折射和/或光衍射的微透鏡陣列（48)以產(chǎn)生依賴于波長(zhǎng)的 焦點(diǎn)位置（51)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 存在有用于選出照射光（15)的能可變調(diào)節(jié)的光譜范圍的波長(zhǎng)選擇裝置（20)，以便通 過(guò)所述聚焦器件（50)將照射光（15)聚焦至沿所述光學(xué)顯微鏡的光軸的不同的位置上，并 且 存在有用于借助所述波長(zhǎng)選擇裝置（20)選出光譜范圍的電子控制器件（90)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 所述波長(zhǎng)選擇裝置（20)具有棱鏡、光柵、濾色器和/或聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2至10中任一項(xiàng)所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 存在有用于將照射光（15)有選擇地引導(dǎo)至第一光路或第二光路（17、18)的轉(zhuǎn)向裝置 (25)， 所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)在一側(cè)是被鏡化處理的， 其中，所述第一光路（17)的照射光（15)被引導(dǎo)至所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)的被鏡化處 理的側(cè)上，并且在所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)上向所述試樣（60)方向反射，并且 其中，所述第二光路（18)的照射光（15)被引導(dǎo)至所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)的另一側(cè) 上，并且通過(guò)所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)向試樣（60)方向透射，并且 其中，透射的照射光（15)和反射的照射光（15)在所述試樣（60)上產(chǎn)生所述結(jié)構(gòu)化的 元件（30)的彼此相移的成像。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 所述轉(zhuǎn)向裝置（25)具有能切換的鏡子，尤其是電流計(jì)鏡，微鏡執(zhí)行器（DMD，數(shù)字微鏡 設(shè)備）或者微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)、聲光調(diào)制器（AOM)、聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD)、電光調(diào)制器（EOM)和 /或基于偏振轉(zhuǎn)動(dòng)的切換單元。
13. 根據(jù)權(quán)利要求2至12中任一項(xiàng)所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 存在有用于移動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)的定位器件，并且 存在有電子控制器件（90)，所述電子控制器件設(shè)置成用于在所述結(jié)構(gòu)化的元件（30) 的不同位置情況下利用所述探測(cè)裝置（80)記錄所述試樣（60)的圖像，并且將這些圖像換 算為一個(gè)試樣圖像。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 所述探測(cè)裝置（80)是光譜分辨探測(cè)裝置（80)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)顯微鏡， 其特征在于， 為了產(chǎn)生所述探測(cè)器裝置（80)的光譜分辨率存在有光譜濾波器件，尤其是聲光可調(diào) 諧濾波器（AOTF)、棱鏡、光柵和/或至少一個(gè)濾色器，或者所述探測(cè)裝置（80)具有干涉儀。
16. -種用于利用光學(xué)顯微鏡記錄圖像的方法， 其中，利用多色光源（10)向試樣（60)方向發(fā)出照射光（15)， 其中，利用聚焦器件（50)將所述照射光（15)聚焦至所述試樣（60)上，其中，通過(guò)所述 聚焦器件（50)的縱向色差實(shí)現(xiàn)深度分辨，并且 其中，利用包括二維陣列的探測(cè)元件的探測(cè)裝置（80)來(lái)檢測(cè)來(lái)自所述試樣（60)的試 樣光（16)， 其特征在于， 將所述試樣光（16)的共焦部分和非共焦部分都引導(dǎo)至所述探測(cè)裝置（80)上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法， 其特征在于， 為了確定試樣￠0)的高度輪廓，記錄所述試樣￠0)在所述試樣光（16)的被檢測(cè)的波 長(zhǎng)范圍方面相互區(qū)分開的圖像， 確定針對(duì)每個(gè)圖像的像點(diǎn)的調(diào)制對(duì)比度， 從在不同的圖像中具有相同的位置的像點(diǎn)中選出具有最大調(diào)制對(duì)比度的像點(diǎn)，并且 為選出的像點(diǎn)依賴于附屬的波長(zhǎng)范圍地配屬上所述試樣（60)的高度信息，其中，針對(duì) 其中每個(gè)不同的波長(zhǎng)范圍分別預(yù)先存儲(chǔ)有高度信息。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法， 其特征在于， 所述探測(cè)裝置（80)布置在與試樣平面共軛的平面中， 為了產(chǎn)生共焦圖像，將所述探測(cè)裝置（80)的探測(cè)元件用作數(shù)字光圈，其中，為了建立 共焦圖像使用如下探測(cè)元件，位于所述照射光（15)的焦點(diǎn)中的試樣區(qū)域清晰地成像到這 些探測(cè)元件上。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16至18中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于， 利用干涉儀（70)，尤其是林尼克干涉儀（70)，將一部分所述試樣光（16)引導(dǎo)至具有能 調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度的參考路徑（72)上并緊接著引導(dǎo)回所述試樣￠0)上， 其中，在所述試樣（60)的表面上，在照射光（15)與引導(dǎo)回的試樣光（16)之間的相長(zhǎng) 干涉依賴于所述試樣（60)的高度輪廓以及所述參考路徑（72)的長(zhǎng)度， 改變所述參考路徑（72)的長(zhǎng)度，并且選出利用所述探測(cè)裝置接收到最大信號(hào)時(shí)的長(zhǎng) 度， 從所述參考路徑（72)的選出的長(zhǎng)度借助預(yù)先存儲(chǔ)的值推導(dǎo)出所述試樣（60)的高度輪 廓。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16至19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為了改進(jìn)光譜分辨率， 不僅通過(guò)所述探測(cè)裝置（80)的光譜濾波器件而且也通過(guò)所述光源（10)處的波長(zhǎng)選擇裝置 (20)進(jìn)行波長(zhǎng)選擇。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16至20中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于， 記錄所述試樣（60)的第一圖像，其中，為了產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化的照射，結(jié)構(gòu)化的元件（30)處 于光學(xué)路徑中， 為了研究利用所述結(jié)構(gòu)化的照射在記錄所述第一圖像時(shí)沒(méi)被照射到的試樣區(qū)域，記錄 第二圖像，其中，所述結(jié)構(gòu)化的元件（30)沒(méi)處在光學(xué)路徑中，并且 將所述第一圖像和所述第二圖像換算為一個(gè)試樣圖像。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16至21中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于， 為了改進(jìn)在橫向于光軸的試樣平面中的測(cè)量分辨率，將照射光（15)和/或試樣光（16) 進(jìn)行偏振編碼， 其中，在所述試樣平面中相鄰的區(qū)域以不同偏振的照射光（15)來(lái)輻射，或者其中，進(jìn) 行依賴于位置的試樣光偏振，其中，試樣光（16)依賴于其橫向于光軸的位置地受到特定的 偏振的影響， 其中，試樣光（16)針對(duì)不同的偏振被單獨(dú)檢測(cè)，并且 其中，為檢測(cè)到的試樣光（16)依賴于其偏振地配屬上在所述試樣平面內(nèi)的位置信息。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK104303089SQ201380025813
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月16日
【發(fā)明者】赫爾穆特·利珀特, 拉爾夫·內(nèi)茨, 蒂莫·安胡特, 尼爾斯·蘭霍爾茨, 馬蒂亞斯·朗霍斯特 申請(qǐng)人:卡爾蔡司顯微鏡有限責(zé)任公司