光學顯微鏡和用于利用光學顯微鏡記錄圖像的方法技術

本發明專利技術涉及一種光學顯微鏡，其具有用于向試樣方向發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裝置，其中，聚焦器件具有縱向色差以產生深度分辨率；探測裝置包括二維陣列的探測元件，用以檢測來自試樣的試樣光。根據本發明專利技術，光學顯微鏡的特征在于，為了既檢測試樣光的共焦部分又檢測試樣光的非共焦部分，從試樣到探測裝置的光學路徑中沒有用于完全濾除非共焦部分的元件。此外，本發明專利技術還涉及一種用于利用光學顯微鏡記錄圖像的方法。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
一方面，本專利技術涉及一種根據權利要求1的前序部分的光學顯微鏡。 另一方面，本專利技術涉及一種根據權利要求16的前序部分的用于利用光學顯微鏡 記錄圖像的方法。
技術介紹
針對技術表面的特征化，并且尤其是針對粗糙度測量值和形貌的推導，當今使用 共焦的顯微術作為標準方法。該方法例如在M. Rahlwes，J. Seewig的技術表面的光學測量 (Optisches Messen technischer Oberfl^ichen )，Beuth 出版社，柏林，2009 中進行了描 述。 在很多共焦系統中，對試樣的掃描在此在所有三個空間方向上進行，也就是說，一 方面涉及點掃描系統，其中，光束在試樣上沿χ/y方向進行引導。為了推導出高度信息，另 一方面需要試樣相對于探測器單元進行運動，也即是沿Z方向運動。對于每個χ-y位置來 說都可以由依賴于Z位置的強度最大值推導出高度信息以及進而形貌。在該方法中，一方 面不利的是由于針對3D形貌的掃描所需要的長時間。另一方面，精度即高度測量的精確度 強烈地依賴于試樣表面相對于探測器單元的調節精確度，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械調節元件。 為了避開χ-y掃描的缺點，已經長時間地存在有共焦的寬視場系統，在這些共焦 的寬視場系統中通常使用面掃描攝像機，并且這些共焦的寬視場系統因此具有高度的并行 化。對此的示例是同樣由Rahlwes和Seewig所描述的利用尼普科夫盤（Nipkow-Scheibe) 的旋轉盤方法。在此，多個點同時根據共焦原理被探測。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字共焦探測來執行。所有這些系統都 真正共焦地工作，也就是說，基本上僅來自激發焦點（Anregungsfokus)的光被檢測。由此 導致了所使用的設備和方法的一定程度的復雜性。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 大小和與之相關地不同的z敏感度而言，技術不太靈活。此外，像在點掃描的系統中那樣， 在此也需要在z方向上對試樣進行掃描。 而在復雜性和靈活性方面，基于結構化的照射的共焦寬視場系統提供了優點。在 此，針對每個z值，由已經利用例如通過光柵提供的結構化的照射所記錄的圖像計算出共 焦的截面圖像。通常，在此也可以得到寬視場圖像。在探測中不需要針孔光圈（Lochblende) 系統。例如，具有不同的相位位置的照射光柵可以成像到試樣上。因為強度調制依賴于相 位位置地僅針對焦點的圖像部分存在，所以由此可以計算出光學截面圖像。對于技術表面 的測量來說，該方法例如在Vogel等人，Pwroc. DGaO 2011，第36頁中進行了研究。例如在 DE 10 2007 018 048 A1中描述的類似的方式在照射時僅使用兩個光柵相位。在同樣也相 關的方法中使用連續改變的結構化的照射，并且光學截面圖像由兩個并行地記錄的圖像計 算出，在這兩個圖像中，一個圖像包含非焦點部分和焦點部分，而另一圖像僅包含非焦點部 分。該基于結構化的照射的方法的優點是，在得到共焦圖像的同時還可以得到寬視場圖像。 但存在如下問題：必須相對于探測器沿Z方向對試樣進行掃描。 特別地利用結構化的照射來實施共焦的截面圖像產生在Mitic，光學快報 (Optical Letters) 28,698 (2003)中進行了描述。在此，除了可運動的光柵之外還使用了所 謂的智能像素探測器陣列（Smart Pixel Detector Array),其允許直接在探測器平面上實 時提取時間調制的信號部分以及進而焦點的信號部分。 結構化的照射的其他特別的實施方案在Wicker等人，光學雜志（Journal of Optics) 12,084010 (2010)和 Krzewina 等人，光學快報（Optical Letters) 31，477 (2006)中 進行了描述。 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 其是帶來了速度優點。 還存在其他可以產生光學截面圖像的寬視場方法。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坐標地進行評估，以便由此與 共焦情況類似地計算出最大值。因此，也考慮到空間信息。類似歸類的有在Mertz等人，生 物統計光學雜志（Journal of Biometrical Optics) 15,016027 (2010)中所描述的方法，其 中，寬視場圖像在結構化和沒有結構化的情況下被記錄，以便由此通過精通地使用空間帶 通濾波器來得到光學截面圖像。結構化在此也可以基于所謂的散斑圖樣。 另一方面，所謂的彩色共焦原理也已經證明是有利的，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。如果在此在探測時在共焦的針孔光圈之后測量光譜，那么由此可以推導 出高度信息。使用可調諧的光源連同順序的共焦的探測也是可行的，由此同樣得到光譜。在 大多數情況下，商業傳感器是始終具有缺少χ-y并行化的缺點的點探測器。針孔光圈陣列 的彩色多焦點的布置例如在DE 10 2007 019 267 A1中進行了描述。但焦點僅覆蓋部分圖 像場，因此還需要掃描運動。此外，存在有例如在Lin等人，應用光學（Applied Optics) 37， 6764(1998)中所描述的行掃描系統和基于尼普科夫盤的例如參見Tiziani等人，光學工程 (Opt. Eng.) 39, 32 (2000)的掃描系統。但后者迄今為止始終利用彩色攝像機系統來實現， 這些彩色攝像機系統僅能夠實現有限的高度分辨率，并且此外在彩色對象的情況下還具有 困難，這是因為在此會導致高度信息和顏色信息或光譜反射度的重疊。在此，多焦點的彩色 系統借助DMD(數字微鏡設備，Digital Micromirror Device)來實現的方式是令人感興趣 的。在此使用可調諧的鈦藍寶石激光器，利用該鈦藍寶石激光器執行彩色的高度掃描。由 此，與DMD的切換相結合地實現了如下結構，其能夠實現高精確度的3D形貌數據，而無需任 何機械的運動元件。但在此通過DMD可能會產生圖像偽影，并且DMD的切換速度通常是有 限的。同樣也無法并行地得到寬視場圖像。 彩色共焦點傳感器的改進方案是所謂的彩色共焦光譜干涉，其例如在 Papastathopoulos 等人，應用光學（Applied 0ptics)45,8244(2006)中進行了描述。在此， 除了彩色共焦度之外還實現干涉儀結構。這種結構也可以被視為具有擴展的景深的白光干 涉儀。除了光譜最大值之外，在此也可以評估光譜相位，在該光譜相位中同樣包含有高度信 肩、。 在上面已經提及的是，彩色共焦寬視場方法迄今為止基本上在使用可調諧的光源 或彩色攝像機的情況下來實現。針對具有高分辨率的光譜寬視場圖像生成同時還存在多種 方式。例如存在有FFT光譜儀系統（FFT=快速傅立葉變換），其中，光譜由在干涉儀結構中 的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光學顯微鏡，所述光學顯微鏡具有：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(60)上，其中，所述聚焦器件(50)具有縱向色差以產生深度分辨率；和探測裝置(80)，所述探測裝置包括二維陣列的探測元件以檢測來自所述試樣(60)的試樣光(16)，其特征在于，為了既檢測所述試樣光(16)的共焦部分又檢測所述試樣光(16)的非共焦部分，從所述試樣(60)到所述探測裝置(80)的光學路徑中沒有用于完全濾除非共焦部分的元件。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2012.05.16 DE 102012009836.71. 一種光學顯微鏡，所述光學顯微鏡具有： 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)具有縱向色差以產生深度分辨率；和 探測裝置（80)，所述探測裝置包括二維陣列的探測元件以檢測來自所述試樣（60)的 試樣光（16)， 其特征在于， 為了既檢測所述試樣光（16)的共焦部分又檢測所述試樣光（16)的非共焦部分，從所 述試樣￠0)到所述探測裝置（80)的光學路徑中沒有用于完全濾除非共焦部分的元件。2. 根據權利要求1所述的光學顯微鏡， 其特征在于， 在所述光源（10)與所述聚焦器件（50)之間存在有結構化的元件（30)，所述結構化的 元件用于從由所述光源（10)發射出的照射光（15)產生結構化的照射光（15)。3. 根據權利要求2所述的光學顯微鏡， 其特征在于， 在所述結構化的元件（30)與所述試樣（60)之間存在有分光鏡（40)，所述分光鏡對于 照射光（15)來說是能穿透的，而對于來自所述試樣（60)的試樣光（16)來說是反射性的， 或者反過來。4. 根據權利要求3所述的光學顯微鏡， 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)，以便轉動試樣光（16)的偏振方向，并且進而將試樣光（16)進一步引導 至探測裝置（80)。5. 根據權利要求2所述的光學顯微鏡， 其特征在于， 來自所述試樣（60)的試樣光（16)通過所述結構化的元件（30)來引導至所述探測裝 置（80)上，并且 所述結構化的元件（30)的結構尺寸足夠大，以允許所述試樣光（16)的非共焦部分穿 過。6. 根據權利要求2至5中任一項所述的光學顯微鏡， 其特征在于， 所述結構化的元件（30)在一側是被鏡化處理的，其中，來自所述試樣（60)的試樣光 (16)被引導至所述結構化的元件（30)的被鏡化處理的側上，并且在那里部分反射且部分 透射， 所述探測裝置（80)具有第一探測器和第二探測器（81、82)， 所述第一探測器（81)布置成用于測量來自所述試樣（60)并在所述結構化的元件（30) 上透射的試樣光（16)，并且 所述第二探測器（82)布置成用于測量來自所述試樣（60)并在所述結構化的元件（30) 上反射的試樣光（16)。7. 根據權利要求2至6中任一項所述的光學顯微鏡， 其特征在于， 所述結構化的元件（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生散斑圖樣的元件。8. 根據權利要求1至7中任一項所述的光學顯微鏡， 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)以產生依賴于波長的 焦點位置（51)。9. 根據權利要求1至8中任一項所述的光學顯微鏡， 其特征在于， 存在有用于選出照射光（15)的能可變調節的光譜范圍的波長選擇裝置（20)，以便通 過所述聚焦器件（50)將照射光（15)聚焦至沿所述光學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選擇裝置（20)選出光譜范圍的電子控制器件（90)。10. 根據權利要求9所述的光學顯微鏡， 其特征在于， 所述波長選擇裝置（20)具有棱鏡、光柵、濾色器和/或聲光可調諧濾波器（AOTF)。11. 根據權利要求2至10中任一項所述的光學顯微鏡， 其特征在于， 存在有用于將照射光（15)有選擇地引導至第一光路或第二光路（17、18)的轉向裝置 (25)， 所述結構化的元件（30)在一側是被鏡化處理的， 其中，所述第一光路（17)的照射光（15)被引導至所述結構化的元件（30)的被鏡化處 理的側上，并且在所述結構化的元件（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)被引導至所述結構化的元件（30)的另一側 上，并且通過所述結構化的元件（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)上產生所述結構化的 元件（30)的彼此相移的成像。12. 根據權利要求1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：赫爾穆特·利珀特，拉爾夫·內茨，蒂莫·安胡特，尼爾斯·蘭霍爾茨，馬蒂亞斯·朗霍斯特，
申請(專利權)人：卡爾蔡司顯微鏡有限責任公司，
類型：發明
國別省市：德國;DE