DE3610165C2

DE3610165C2 -

Info

Publication number: DE3610165C2
Application number: DE3610165A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Hachiouji Tokio/Tokyo Jp Horkawa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-03-27
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1991-01-03
Also published as: US4734578A; DE3610165A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Rastermikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten optischen Mikroskopen, die die gesamte Beobach tungszone so gleichmäßig wie möglich beleuchten, treten häufig Probleme mit Streulichteffekten auf. Dadurch kann die theoretische Auflösungsgrenze nicht erreicht werden und kon trastarme Proben sind bei solcher Ausleuchtung schwer zu beob achten. Die Beobachtung, beispielsweise von Phasenobjekten, mit speziellen Techniken wie der Kontrasttechnik, der diffe renziellen Interferenztechnik oder der Dunkelfeldmikroskopie macht stets den Einsatz speziell angepaßter, teurer Komponen ten erforderlich.

Aus der US-PS 30 13 467 ist ein Punktlicht-Projektionsmikroskop bekannt, das Streulichtprobleme vermeiden und dadurch mit verbesserter Auflösung arbeiten soll. Das bekannte Mikroskop wird im folgenden anhand der schematischen Darstellung in Fig. 1 beschrieben. Eine Lichtquelle 1 und eine Lochblende bilden eine Punktlichtquelle. Diese Punktlichtquelle wird als Punkt auf eine Probe 4 durch eine Objektivlinse 3 fokussiert, die bezüglich ihrer Aberration gut eingestellt ist, um die Probe 4 zu beleuchten. Weiter wird das auf die Probe 4 projizierte Punktlicht mit Hilfe einer Kondensorlinse 5 auf eine Lochblen de 6 fokussiert, die bezüglich ihrer Aberration genau einge stellt worden ist, und das auf diese Weise gebildete Punkt licht wird durch eine Lochblende 6 von einem Detektor 7 be stimmt. Andererseits wird mittels einer Treiberschaltung 8 die Oberfläche der Probe 4 mechanisch zweidimensional in X-Y-Rich tung wie bei einer Fernsehrasterabtastung mechanisch abge tastet. Durch Anzeigen des vom Detektor 7 auf einem Speicher schirm 9 entwickelten Bildsignals, das mit dem von der Treiberschaltung 8 kommenden Signal synchronisiert ist, ist es möglich, das Bild der Probe 4 zu beobachten.

Da bei dieser bekannten Anordnung die Probe durch ein Punkt licht beleuchtet und das daraus abgeleitete Signal von einem punktförmigen Detektor aufgefangen wird, ergibt sich ein gutes Bild mit reduziertem Streulicht im Vergleich zu herkömmlichen Detektoren, und außerdem ist die Auflösung verbessert. Da diese bekannte Anordnung auf einer mechanischen Bewegung der Probe beruht, ergeben sich aber Handhabungsprobleme. So sind die Proben beispielsweise auf geringes Gewicht und geringe Größe beschränkt. Nicht-fixierbare Proben, wie Kulturproben in Schalen, können nicht beobachtet werden. Außerdem ist dieses bekannte System bei bestimmten Untersuchungsmethoden zur aufeinanderfolgenden und kontinuierlichen Beobachtung verschiedener Proben, wie beispielsweise bei Verfahren zum Zellenzählen in der Medizin oder der Biologie, schwer anwendbar.

Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Punktlicht-Mikroskops besteht darin, daß das Mikroskop zur Durchführung spezieller Mikroskopietechniken mit besonderen optischen Komponenten umgerüstet werden muß und daß hierfür ein bestimmter Zeitauf wand erforderlich ist.

In Fig. 2 ist schematisch ein anderes aus der Praxis bekanntes Punktlichtmikroskop beschrieben, das zwei Detektoren symme trisch zur optischen Achse aufweist.

Eine Punktlichtquelle 10 wird durch eine Objektivlinse 3 als Punkt auf eine Probe 4 abgebildet. Das die Probe 4 durchdrin gende Licht wird von zwei symmetrisch zur optischen Achse angeordneten Detektoren 11 und 12 aufgefangen. Dabei wird die Probe 4 zweidimensional in X-Y-Richtung durch eine Treiber schaltung 8, wie in Fig. 1, mechanisch abgetastet. Die von den Detektoren 11 und 12 entwickelten Signale werden von einem Addierer-Subtrahierer 13 addiert oder subtrahiert und in ein Bildsignal umgesetzt. Durch Anzeige dieses Bildsignals auf einer speichernden Kathodenstrahlröhre 9, die mit dem von der Treiberschaltung 8 entwickelten Synchronisationssignal syn chronisiert ist, kann das Bild der Probe beobachtet werden. Wenn die von den beiden Detektoren 11 und 12 gelieferten Si gnale addiert werden, kann ein gewöhnliches Hellfeldbild beob achtet werden, während bei Subtraktion dieser Signale ein Phasendifferenzbild der Probe 4 beobachtet werden kann.

Nachfolgend wird das Prinzip der Bildung eines Phasendiffe renzbildes dargestellt. Der Ein fachheit halber wird ein eindimensionales Bild betrachtet. Die Intensität eines Bildes aufgrund einer teilkohärenten Fokus sierung läßt sich allgemein wie folgt ausdrücken:

wobei: T(m) die Fourier-Transformationsfunktion des Transmissionsgrades eines Objekts darstellt; und
C(m;p) der Übertragungsfunktion des optischen Sy stems entspricht.

Wenn die Empfindlichkeit der Detektoren als D(ε) und die Pu pillenfunktion des optischen Systems als P(ε) angenommen wer den, so ergibt sich C(m;p) zu:

wobei: f die Brennweite des Systems;
λ die Wellenlänge des Lichts darstellen.

Es sei hier angenommen, daß D(ξ) dasjenige von geteilten De tektoren ist und die Differenz der Signale betrachtet wird. Es ergibt sich:

wobei: a den Pupillenradius darstellt; und =λfm.

Wenn das Objekt einen schwachen Kontrast hat, braucht nur C(m;o) betrachtet zu werden. Wenn daher der Beugungseffekt unbeachtet bleibt, so ergibt sich die Beziehung

C(m;p) = m + p.

Läßt man jetzt

sein, so stellt man fest, daß I(λ) die Differenzierungs- bzw. Ablei tungsinformation der Phase Φ(λ) enthält. Da t(λ) die Amplitude darstellt, ist zu sehen, daß durch Teilung des Dif ferenzsignals der Detektoren durch das Summensignal (=t² (In tensität)) der Detektoren die das Phasendifferential betref fende Information gewonnen wird.

Wie zu erkennen ist, kann im Falle des oben beschriebenen bekannten Ausführungsbeispiels eine als Differentialbildbe trachtung bezeichnete spezielle Mikroskopie einfach dadurch durchgeführt werden, daß die Verbindung eines Schalters umge schaltet wird, ohne den Ersatz von Komponenten und deren Ein stellung erforderlich zu machen. Da jedoch zwei Detektoren vorhanden sind und diese Detektoren fest angeordnet sind, ergibt sich nicht nur der Mangel, daß die Orientierung bzw. Richtung der Differentiation nicht frei geändert werden kann, sondern auch der weitere Nachteil, daß sich das Gerät schwer handhaben läßt, da die Probe zum Zwecke des Abtastens mecha nisch bewegt wird.

Ferner ist aus der Praxis bekannt, bei einem Rastermikroskop eine Dunkelfeldmikroskopie dadurch durchzuführen, daß das an der Probe 4 reflektierte Licht mit um die Probe angeordneten optischen Fasern aufgefangen und das aufgefangene Licht zu einem Detektor entsprechend der Darstellung in Fig. 3 geleitet wird. Dabei wird das von einer Punklichtquelle 14, z. B. einem Laser, emittierte Licht durch eine Objektivlinse 15 auf eine Probe 16 gestrahlt, das auf der Probe 16 gestreute Licht 17 von einem Lichtkollektor 18 aus in geeigneter Weise um entwe der die Probe 16 oder um die Objektivlinse 15 angeordneten optischen Fasern aufgefangen und das aufgefangene Licht von einem Detektor 19 bestimmt. Bei dieser Methode ist es im Falle einer Dunkelfeldmikroskopie notwendig, kostspielige optische Fasern anzuwenden, so daß das Problem in dem hohen Kostenauf wand dieses Geräts liegt.

Neben der oben beschriebenen Objektscantechnik, bei der das Objekt in einer Ebene senkrecht zum Strahlengang bewegt wird, ist aus dem Artikel von V. Wilke et al., "Laser-Scan-Mikroskop", in Laser und Optoelektronik, Nr. 2, 1983, S. 93 bis 101, eine Laserscantechnik bekannt, bei der das Licht zweidimensio nal, zeilenweise über das feststehende Objekt geführt wird. Das dort beschriebene optische Rastermikroskop arbeitet mit einem He-Ne-Laser, dessen Strahl in Anpassung an die Ein trittspupille des Mikroskopobjektivs aufgeweitet wird. In den aufgeweiteten Strahlengang werden zur Lichtablenkung beim zeilenweisen Abtasten zwei Scan-Spiegel eingeführt, von denen der eine eine Strahlenablenkung in x-Richtung und der andere eine Strahlablenkung in y-Richtung bewirkt. Das Rastermikroskop ist bei geeigneter Detektoranordnung für Transmissions- und Reflexionsmessung geeignet. Dabei können jeweils verschie dene Kontrastierungsverfahren angewendet werden.

Nachteilig bei diesem bekannten Mikroskop ist, daß wiederum spezielle, unter Umständen teure Zusatzkomponenten für Spezi almikroskopien eingeführt werden müssen. Hierfür ist jeweils ein Umbau mit zugehörigem Justier- und Zeitaufwand notwendig. Insbesondere ist die Differential-Interferenz-Kontrastierung nach Normarski aufwendig, bei der auch das Objektiv ausge tauscht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungs gemäßes optisches Rastermikroskop zu schaffen, das bei leich ter Handhabung eine Differenzmikroskopie bei wählbarer Auswer tungsrichtung ermöglicht und dabei mit verschiedenen Kontra stierungsverfahren in Transmissions- und Reflexionsbetrieb kombinierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem gat tungsgemäßen optischen Rastermikroskop die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vor.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein optisches System eines konventionellen Mikroskops des Abtasttyps;

Fig. 2 ein anderes Beispiel des optischen Systems eines herkömmlichen Abtastmikroskops;

Fig. 3 ein Beispiel der Dunkelfeldbeobachtungsmetho de mit Hilfe eines konventionellen Mikroskops des Abtasttyps;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des optischen Systems eines Ausführungsbeispiels des Mi kroskops des Abtasttyps nach der Erfindung;

Fig. 5 und 6 Darstellungen des Falles, daß der Lichtablenker nicht in der Position der Pu pille bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 angeordnet ist;

Fig. 7 eine Darstellung desjenigen Falles, bei dem der Detektor nicht in der Pupillenposition bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 angeordnet ist;

Fig. 8 eine Darstellung eines Beispiels einer kon kreten Anordnung des Mikroskops des Abtast typs mit dem in Fig. 4 gezeigten optischen System;

Fig. 9 eine Darstellung eines abgewandelten Ausfüh rungsbeispiels des Detektorsystems gemäß Fig. 8;

Fig. 10 eine Darstellung eines Lasersystems, das bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop des Abtast typs verwendet wird,

Fig. 11 eine Darstellung des Lasersystems bei der Gewinnung eines Farbbildes;

Fig. 12 eine Darstellung des Detektorsystems im Falle der Gewinnung eines Farbbildes;

Fig. 13 ein Blockdiagramm einer elektrischen Schal tung, die für das in Fig. 8 gezeigte Ausfüh rungsbeispiel geeignet ist;

Fig. 14A und 14B graphische Darstellungen, welche die Intensivierung des Kontrastes eines Bildsignals zeigen;

Fig. 15A und 15B Darstellungen, welche das optische System eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Mikroskops des Abtasttyps veranschaulichen;

Fig. 16 eine schematische Schnittansicht durch eine akusto-optische Ablenkvorrichtung;

Fig. 17 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Detektors;

Fig. 18 eine Darstellung eines anderen Ausführungs beispiels des erfindungsgemäßen Detektors;

Fig. 19 eine Darstellung des optischen Systems des erfindungsgemäßen Mikroskops, bei dem der Detektor gemäß Fig. 17 vorgesehen ist;

Fig. 20 eine Darstellung des optischen Systems des erfindungsgemäßen Mikroskops, bei dem der in Fig. 18 gezeigte Detektor verwendet ist;

Fig. 21 eine Frontansicht des bei dem Ausführungsbei spiel gemäß Fig. 20 verwendeten Detektors;

Fig. 22A bis 22E Darstellungen verschiedener Abwand lungen des Detektors;

Fig. 23 eine Darstellung eines ersten Systems der Dunkelfeldmikroskopie bei dem erfindungsgemä ßen Mikroskop des Abtasttyps; und

Fig. 24 und 25 Darstellungen eines zweiten und eines dritten Systems der Dunkelfeldmikroskopie bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop des Abtast typs.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Fig. 4 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Fig. 4 zeigt die Anordnung eines abtastenden optischen Systems und eines Detektors unter Berücksichtigung der Pupille. Ein von einer Laserlichtquelle emittierendes Lichtbündel 20 passiert einen Strahlteiler 21 und fällt auf einen ersten Lichtablenker 22. Dieser Lichtablenker 22 ist an einer zur Pupille 24 einer Objektivlinse 23 konjugierten Stelle angeordnet. Ohne Ablen kung läuft das Lichtbündel 20 entlang einer optischen Achse 25. Wie zu sehen ist, hat das Lichtbündel 20 im Falle einer Ablenkung, d. h. im Falle einer Abtastbewegung des Lichtbündels 20, eine Orientierung in Übereinstimmung mit einem außeraxia len Hauptstrahl 26, und das Zentrum des Lichtbündels 20 fällt mit dem außeraxialen Hauptstrahl 26 zusammen, da der Lichtab lenker 22 in der Pupillenposition angeordnet ist. Danach durchlaufen diese Lichtstrahlen Pupillen-Relaislinsen 27 und 28 und fallen auf einen zweiten Lichtablenker 29, der an der Pupillenposition angeordnet ist. Es sei hier angenommen, daß dieser Lichtablenker 29 bei der zweidimensionalen Abtastbewe gung die Abtastung in der X-Richtung bewirkt, während der andere Lichtablenker 22 die Abtastung in der Y-Richtung be wirkt. Wenn ein Lichtablenker verwendet würde, der die Ablen kung in beiden Richtungen X-Y bewirkt, braucht nur ein einzi ger Lichtablenker verwendet zu werden. Das Lichtbündel, das von den Lichtablenkern 22 und 29 einer zweidimensionalen Ab tastbewegung unterworfen wird, wird von einer Pupillenprojek tionslinse 30 und einer Fokussierlinse 31 auf die Pupille 24 der Objektivlinse 23 geworfen. Da die Orientierung und das Zentrum von außeraxialen Lichtbündeln, die von den Lichtablen kern 22 und 29 gebildet werden, auch mit dem außeraxialen Hauptstrahl 26 zusammenfallen, treffen die außeraxialen Licht bündel genau auf die Pupille 24 der Objektivlinse 23. Diese Lichtbündel erzeugen auf der Oberfläche einer Probe 32 durch die Objektivlinse 23 einen Lichtpunkt, der durch Beugung be grenzt ist. Aufgrund der zweidimensionalen Abtastbewegung in X-Y-Richtungen mit Hilfe der Lichtablenker 22 und 29 führt der Lichtpunkt eine zweidimensionale Abtastung der Probe 32 aus.

Wenn das durch die Probe 32 tretende Transmissionslicht zu beobachten ist, wird das Licht von einer Kondensorlinse 33 gesammelt, und dieses gesammelte Licht wird von einem Detektor 34 bestimmt. Dieser Detektor ist an der Position der Pupille vorgesehen. Daher werden die außeraxialen Lichtstrahlen stets an der gleichen Position erzeugt, so daß der Effekt von bei spielsweise ungleichmäßiger Empfindlichkeit des Detektors 34 und auch der Einbauraum des Detektors 34 verringert werden können. Der Detektor 34 ist für die Differentialmessung in mehrere unabhängig voneinander registrierende Bereiche unter teilt oder wird durch zwei Detektoren 35 und 36 gebildet. Diese Detektoren sind relativ zur optischen Achse 25 sym metrisch angeordnet. Da in diesem Falle die Anordnung so vor gesehen ist, daß selbst bei außeraxialem Lichtbündel eine Koinzidenz zwischen dem Zentrum des Lichtbündels und dem außeraxialen Hauptstrahl hergestellt wird, sind die Detektoren 35 und 36 auch symmetrisch zum außeraxialen Hauptstrahl ange ordnet, so daß es immer möglich ist, eine genaue Differenzmes sung durchzuführen.

Wenn die Messung unter Ausnutzung des von der Probe 32 kommen den Reflexionslichts durchgeführt wird, durchläuft das von der Probe 32 reflektierte Lichtbündel die Objektivlinse 23 und die Pupille 24 und wird durch die Fokussierlinse 31 einmal fokus siert. Diese Brennebene ist diejenige, die bei gewöhnlichen optischen Mikroskopen zur Bildbetrachtung benutzt wird. Außer dem bewirkt die Pupillen-Projektionslinse 30, daß das Licht bündel auf den Lichtablenker 29 zurückgeworfen wird. Auf diese Weise kehrt das reflektierte Licht zum Strahlteiler 21 zurück, indem es denselben Weg zurückläuft, dem das Licht vor dem Auftreffen auf die Probe gefolgt ist, und dieses reflektierte Licht wird vom Strahlteiler 21 als Meßstrahlbündel 37 abgelei tet. Da dieses Reflexionsstrahlenbündel beim Rücklauf durch die Lichtablenker 29 und 22 läuft, wird das Meßstrahlenbündel 37 in keiner Weise durch eine außeraxiale Abtastung beein trächtigt. Das Meßstrahlbündel 37 wird dann von einer Sammel linse 38 punktförmig konzentriert. Durch Anordnung einer Loch blende 39 an der Einschnürstelle des Lichtbündels und durch Messung mit einem unterteilten Detektor 40 oder zwei Detekto ren 41 und 42 hinter der Lochblende 39 wird ein streulicht freies Bild gewonnen, das eine höhere Auflösung hat als bei einem gewöhnlichen Mikroskop. Es ist ferner unnö tig zu sagen, daß selbst ohne die Lochblende 39 ein gewöhnli ches Bild gewonnen werden kann. Wenn ein schwarzes, punktarti ges Licht-Sperrglied an der Stelle vorgesehen wird, an der das Lichtbündel in Punktform eingeschnürt wird, kann in einfacher Weise ein Dunkelfeldbild beobachtet werden.

Als nächstes wird die Notwendigkeit der Berücksichtigung der Pupillenposition genauer beschrieben.

Fig. 5 zeigt den Fall, daß in den Bereichen des Lichtablenkers 22 und der Pupillenrelaislinse 27 gemäß Fig. 4 der Lichtablen ker 22 nicht an der Stelle der Pupille 43 angeordnet ist. Wenn das einfallende Lichtbündel 20 vom Lichtablenker 22 abgelenkt wird, so fällt das Zentrum 44 dieses Lichtbündels nicht mit dem außeraxialen Hauptstrahl 26 zusammen, der von der Objek tivlinse 23 bestimmt wird. Dies zeigt, daß das außeraxiale Lichtbündel nicht genau auf die Objektivlinse 23 fällt. In Fig. 6 stellt das Bezugszeichen 45 die Pupille der Objektiv linse 23 dar, und es ist gezeigt, daß das Zentrum der Pupille 45 entweder die optische Achse 25 oder den außeraxialen Haupt strahl darstellt. Wenn in diesem Falle der Lichtablenker 22 an einer zur Pupille konjugierten Position angeordnet ist, fällt das der Abtastbewegung unterworfene außeraxiale Lichtbündel mit dem außeraxialen Hauptstrahl 26 zusammen, und es trifft genau auf die Pupille 45 der Objektivlinse 23. Wenn im Gegen satz dazu der Lichtablenker 22 nicht an der Position der Pu pille angeordnet ist, fällt das Zentrum 44 des Lichtbündels nicht mit dem außeraxialen Hauptstrahl 26 zusammen, so daß der Lichtkegel 46 die in Fig. 6 gezeigte Lage annimmt und nicht genau auf die Pupille 45 trifft und daher einen verdunkelten Bereich er zeugt. Wenn das einfallende Lichtbündel eine große Weite ähn lich dem Kegel 47 hat, entsteht kein Lichtmangel, obwohl dieser Fall nicht geeignet ist, um die Information der Pupille auszunutzen.

Als nächstes wird der Fall beschrieben, daß die Detektoren nicht an der Position der Pupille angeordnet sind. In Fig. 7 wird das Lichtbündel in Form eines Punktlichts von einer Ob jektivlinse 47 auf eine Probe 48 projiziert und das transmit tierte Lichtbündel wird von Detektoren 50 und 51 gemessen, welche relativ zur optischen Achse 49 symmetrisch angeordnet sind. Im Falle eines zum Abtasten einer Probe durch Bewegen derselben wie bei dem oben erwähnten konventionellen Ausfüh rungsbeispiel konzipierten Systems liegt das Lichtbündel stets auf der optischen Achse, und daher kann immer eine Differenz messung durchgeführt werden. Wird das Lichtbündel von einem Lichtdeflektor entsprechend der Erfindung einer Abtastbewegung unterworfen, so ergibt sich ein außeraxiales Lichtbündel. Wenn der Detektor daher nicht an der Pupillenposition vorgesehen ist, so sind die Positionen der Detektoren 50 und 51 nicht symmetrisch zum außeraxialen Hauptstrahl 52. Tatsächlich fällt gemäß Darstellung in Fig. 7 der außeraxiale Hauptstrahl 52 auf den Detektor 51. Als Folge davon kann kein genaues Differenti albild gewonnen werden. Aus der obigen Erörterung wird ver ständlich, daß es bei einem optischen Mikroskop des Abtasttyps unter Bewegung eines Lichtbündels notwendig ist, den Lichtab lenker an der Position der Pupille des optischen Systems anzu ordnen und auch den Detektor an der Position der Pupille vor zusehen. Wird dies gemacht, so kann in einfacher Weise eine Spezialmikroskopie durchgeführt und auch ein hoch aufgelöstes Bild gewonnen werden. Es ist in diesem Zusammenhang zu beach ten, daß, wie aus der Beschreibung des oben erwähnten Ausfüh rungsbeispiels klar wird, bei der Messung unter Ausnutzung des Reflexionslichts das Reflexionslicht wieder durch den Lichtablenker fällt, so daß es keine Beschränkung der Position des Detektors gibt.

Als nächstes wird ein konkretes Ausführungsbeispiel eines optischen Systems des Mikroskops des Abtasttyps, das eine gewöhnliche Mikroskopbeobachtung ermöglicht, anhand von Fig. 8 beschrieben. Ein Laserstrahlbündel, das von einer weiter unten beschriebenen Laserlichtquelle 53 emittiert wird, durchläuft einen Strahlteiler 55 und fällt auf einen galvanometrischen Spiegel 56, der ein an einer zur Position der Pupille einer Objektivlinse konjugierten Position angeordnet ist. Das Laser strahlbündel 54 wird am Deflektor abgelenkt und in Y-Richtung einer Abtastbewegung unterworfen. Als nächstes wird das Laser strahlbündel 54 mittels Pupillenrelaislinsen 57 und 58 auf einen galvanometrischen Spiegel 59 geworfen, der ein an einer ebenfalls zur Position der Pupille der Objektivlinse konju gierten Position angeordneter Lichtdeflektor ist. Das Laser strahlbündel 54 wird auch hier abgelenkt und einer Abtastbewe gung in X-Richtung unterworfen. Zu beachten ist, daß in der zeichnerischen Darstellung die beiden galvanometrischen Spie gel 56 und 59 so dargestellt sind, als würden sie das Laser strahlbündel 54 in derselben Richtung ablenken. Tatsächlich sind sie jedoch so angeordnet, daß sie das Laserstrahlbündel 54 einer Abtastbewegung in den Richtungen X und Y unterwerfen und daß sie in der Lage sind, die Oberfläche der Probe einer zweidimensionalen Abtastung auszusetzen. Das Laserstrahlbündel 54, das auf diese Weise einer zweidimensionalen Abtastbewegung unterworfen worden ist, durchläuft eine Pupillenprojektions linse 60 und eine Fokussierlinse 61 und fällt auf die Pupille einer Objektivlinse 62. Als Folge davon wird ein Laserstrahl punkt auf der Probe 63 erzeugt, der durch Beugung begrenzt ist. Die Probe 63 wird von diesem Laserstrahlpunkt zweidimen sional abgetastet. Bei der Abtastung werden sowohl ein Prisma 64 zur visuellen Beobachtung als auch ein Strahlteiler 65 zur Epi-Beleuchtung aus dem optischen Strahlengang fortgelassen. Anderenfalls bestünde die Gefahr, daß das Laserstrahlbündel die Augen des Beobachters trifft und außerdem Ursache für Streulicht wird. Die Pupillen-Projektionslinse 60 ist eine Linse zum Projizieren der Pupille der Objektivlinse auf den galvanometrischen Spiegel 59. Da jedoch die Position der Pu pille der Objektivlinse sich in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Linse stark ändern könnte, ist die Anordnung so getroffen, daß ein leichter Austausch verschiedener Arten von Pupillen-Projektionslinsen möglich ist, um zu gewährleisten, daß die Position der Pupille jeder Art von Objektivlinse genau auf den galvanometrischen Spiegel 59 projiziert werden kann. Selbstverständlich kann eine Variolinse verwendet werden, welche den Pupillen-Projektionsabstand unter Konstanthaltung der Bildposition variieren kann.

Als nächstes wird die in einem Licht-Transmissionssystem durchgeführte Messung beschrieben. Ein Laserstrahlbündel, das die Oberfläche der Probe 63 überstrichen hat und durch die Probe durchtritt, durchläuft eine Kondensorlinse 66 und einen transmittierenden und beleuchtenden Strahlteiler 67, der zur visuellen Betrachtung vorgesehen ist, und wird von Detektorbe reichen 68 und 69 aufgefangen bzw. bestimmt. Diese Detektorbe reiche 68 und 69 sind an zur Pupille konjugierten Positionen und symmetrisch zur optischen Achse angeordnet. Durch Entwer fen eines Bildes unter Verwendung der Summe der Signale der Detektorbereiche 68 und 69 wird ein gewöhnliches Transmis sionsbild gewonnen, während bei Verwendung der Differenz die ser Signale ein Differentialbild gewonnen wird. Selbstver ständlich kann durch Berechnung der Summe und Differenz unter Bewertung dieser beiden kleinen Signale mit einem geeigneten Koeffizienten oder durch Verwendung nur eines dieser Signale ein überlagertes Bild aus einem gewöhnlichen Bild und einem Differentialbild gewonnen werden.

Als nächstes wird die Funktion für den Fall beschrieben, bei dem die Messung durch ein Reflexionssystem wie im Falle einer Beobachtung einer IC-Probe durchgeführt wird. Ein Lichtbündel wird an der Oberfläche der Probe 63 reflektiert, durchläuft die Objektivlinse 62, die Fokussierlinse 61, die Pupillenpro jektionslinse 60, den galvanometrischen Spiegel 59, die Pupil len-Relaislinsen 58 und 57 und den galvanometrischen Spiegel 56 und kehrt zum Strahlteiler 55 zurück. Mit anderen Worten, das Lichtbündel folgt beim Rücklauf dem gleichen optischen Strahlengang, der von dem auf die Probe 63 fallenden Strahlen bündel durchlaufen wurde. Ein Meßstrahlenbündel 70, das vom Strahlteiler 55 reflektiert wurde, wird von einer Licht-Sam mellinse 71 in die Form eines Punktlichts gesammelt. Durch Einfügen einer Lochblende 72 an dieser Stelle und durch Durch führen der Messung dieses gesammelten Strahlbündels durch einen dahintergelegenen Detektor wird ein hoch aufgelöstes Bild gewonnen. Durch Einsetzen einer schwarzen, punktförmigen lichtundurchlässigen Scheibe 73, die durch einen kleinen lichtundurchlässigen schwarzen Punkt auf einer Glasplatte gebildet wird, anstelle der Lochblende 72, wobei Licht der nullten Ordnung in dem so gesammelten Meßstrahlenbündel her ausgeschnitten wird, wird ein Dunkelfeldbild gewonnen. Da außerdem die Detektorbereiche 74 und 75 symmetrisch zur opti schen Achse an Stellen angeordnet sind, wo sich der Lichtstrom aufweitet, wird ein Differenzbild gewonnen.

Als nächstes wird die Detektoreinheit genauer beschrieben. Die in Fig. 8 gezeigten Detektoren 74 und 75 sind an Stellen ange ordnet, wo sich der Lichtstrom aufweitet. Das Differenzbild, das in diesem Falle als Differenzsignal gewonnen wird, ist ein solches, welches die Phase der Probe betrifft. Wenn man diese beiden Detektoren 74 und 75 an Stellen anordnet, wo das Licht bündel durch die Licht-Sammellinse 71 gesammelt wird, wenn ferner die beiden Detektoren 74 und 75 so verwendet werden, daß sie eine geteilte Messung des punktförmig gesammelten Lichts vornehmen, und wenn ein Differenzsignal von den Detek toren gewonnen wird, so ergibt sich ein Differenzbild der Amplitude der Probe. In einem solchen Falle muß der Abstand zwischen den beiden Detektoren 74 und 75 sehr eng gemacht werden, um den kleinen Punkt des gesammelten Lichts aufzutei len. Es ist jedoch schwierig, die beiden Detektoren 74 und 75 Seite-an-Seite mit einem sehr kleinen Abstand voneinander anzuordnen, und daher ist es erwünscht, einen Prismaspiegel 76 wie derjenige gemäß Fig. 9 zu verwenden. Es sollte hier ange merkt werden, daß bei Verwendung von Photovervielfacherröhren als Detektoren 74 und 75 die Anordnung gemäß Fig. 9 auch für den Fall wünschenswert ist, daß die Messung an einer Stelle des sich aufweitenden Kegels des Lichtstroms oder an der Pu pillenstelle durchgeführt wird.

Es ist außerdem möglich, ein Interferenzmikroskop vorzusehen. Zu diesem Zweck ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ein Spiegel 77 in den optischen Strahlengang eingesetzt, der normalerweise fehlt. Ein Teil des Laserstrahlbündels 54 aus der Laserstrahlquelle 53 wird vom Strahlteiler 55 reflektiert und vom Spiegel 77 erneut reflektiert und durch den Strahl teiler 55 geschickt. Er überlagert sich dem Meßstrahlbündel 70, das nach der Reflexion an der Probe 63 dorthin zurück kehrt. Als Folge davon kann ein Interferenzbereich leicht dadurch gewonnen werden, daß die Lochblende 72 im opti schen Strahlengang so angeordnet wird, daß sie beide Strahl bündel durchläßt.

Auch ein Polarisationsmikroskop kann aufgebaut werden. Dabei wird in Fig. 8 ein Bündel aus linear polarisiertem Licht aus der Laserlichtquelle 53 auf die Probe geworfen, und die Mes sung erfolgt über eine Polarisationsplatte 78 oder 79 durch einen Detektor. Durch Änderung der Polarisationsrichtung der Polarisationsquelle 78 oder 79 können unterschiedliche Polari sationszustände beobachtet werden. Das Laserstrahlbündel aus der Laserlichtquelle 53 kann aus zirkular polarisiertem Licht bestehen.

Ferner kann eine Fluoreszenzbeobachtung durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Fluoreszenz einer Probe beobachtet werden, welche FITC-gefärbt wurde und beispielsweise von einem Ar⁺-Laser bei einer Wellenlänge von 488 nm angeregt wird. In diesem Falle ist es nur erforderlich, ein Sperrfilter 80 in den Meßstrahlengang einzusetzen. Selbstverständlich kann diese Beobachtungsmethode mit den oben erwähnten verschiedenen Mi kroskopiearten kombiniert werden.

Das Bezugszeichen 81 in Fig. 8 stellt eine Lichtquelle zur visuellen Beobachtung in einem gewöhnlichen Mikroskop eines Epi-Beleuchtungstyps dar. Die Anordnung ist so getroffen, daß ein Strahlteiler 65 im optischen Strahlengang angeordnet ist und die Beobachtung durch ein Prisma 64 und eine Okularlinse 82 erfolgt. Das Bezugszeichen 83 stellt eine Lichquelle für eine Transmissionsbeleuchtung dar. Auch durch Verwendung bei spielsweise eines Differentialbrechungsprismas oder einer Phasendifferenz-Objektivlinse und eines Ringspalts, die nicht dargestellt sind, kann eine spezielle Mikroskopie durchgeführt werden, welche auch durch ein gewöhnliches Mikroskop vorgenom men werden kann. Selbstverständlich kann eine spezielle Mi kroskopie bei der abtastenden Beobachtung unter Verwendung dieser optischen Teile, wie sie sind, durchgeführt werden.

Fig. 10 ist eine Detaildarstellung eines Lasersystems in Er satz der Laserlichtquelle 53. In diesem Falle werden zwei Lasereinheiten 84 und 85 verwendet. Die Bezugszeichen 86 und 87 stellen akustooptische Modulatoren dar, die zur Modulation der Intensität des Laserlichtstrahls vorgesehen sind. Die Bezugszeichen 88 und 89 sind Sammellinsen. 90 und 91 stellen Raumfilter (Lochblenden) dar; und 92 und 93 bezeichnen Kolli matoren zum Begrenzen des Durchmessers der Laserstrahlbündel auf einen geeigneten Querschnitt. Die die Kollimatoren 92 und 93 durchlaufenden Lichtstrahlbündel werden durch einen Um schaltspiegel 94 ausgewählt und ergeben ein Laserstrahlbündel 54 gemäß Fig. 10. Es ist hier anzumerken, daß mittels einer in Fig. 10 nicht dargestellten Konverterlinse für variable Strahldurchmesser eine Änderung der Lichtmengenverteilung von einer gleichmäßigen Verteilung zu einer Gauß'schen Verteilung möglich ist. Dadurch kann die Brennweite bei der Beobachtung eines abtastenden Laserstrahl geändert werden.

Fig. 11 zeigt ein Lasersystem für die Gewinnung eines Farbbil des. Die Bezugszeichen 95, 96, 97 stellen eine blaue Laser lichtquelle (Ar⁺-Laser bei einer Wellenlänge von 488 nm), eine grüne Laserlichtquelle (Ar⁺-Laser bei einer Wellenlänge von 514,4 nm) und eine rote Laserlichtquelle (He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 633 nm) dar. Die von diesen Laserlicht quellen emittierten zugehörigen Laserstrahlbündel werden unter Verwendung von dichromatischen Spiegeln 98 und 99 zu einem Bündel zusammengesetzt, wobei das gewonnene Strahlbündel über eine Sammellinse 100 auf ein räumliches Filter 101 geworfen und ein Laserstrahlbündel 54 durch einen Kollimator 102 gebil det wird. Es ist hier anzumerken, daß bei dem Ausführungsbei spiel gemäß Fig. 10 die beiden Laserstrahlbündel nach Durch lauf durch die räumlichen Filter 90 und 91 zu einem Bündel zusammengesetzt werden, so daß die Einstellung leicht ist. Im Falle der Fig. 11 werden jedoch drei Laserstrahlbündel zuerst erzeugt, und danach wird das sich ergebende Bündel durch das räumliche Filter 101 geleitet, so daß die Einstellung schwie rig ist. Durch Herstellung der Kohärenz zwischen diesen Punkt lichtquellen zweier Farben ist es jedoch möglich, chromatische Aberration zu verhindern.

Fig. 12 zeigt das optische System zur Gewinnung von R (rot)-, G (grün)- und B (blau)-Signalen eines Farbbildes unter Verwendung der Lichtquellen gemäß Fig. 11. Das Meßstrahlbündel 70 wird zur Bildung eines Punktlichtstrahls unter Verwendung einer Sammellinse 71 gesammelt, so daß die Messung durch eine Loch blende 72 möglich wird. Danach wird das Strahlbündel in die drei Farben R, G und B aufgeteilt, und jede der Farben wird von einem in Bereiche unterteilten Detektor aufgefangen bzw. gemessen.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung, in der ein Mikrocomputer zur Bildverarbeitung verwendet wird. Das Bezugszeichen 105 stellt eine Galvanometer-Steuerschaltung dar, die selbst von einem Mikrocomputer 106 gesteuert wird. Sie betätigt über Servoverstärker 107 und 108 zwei Galvanome ter 109 und 110, die zur Durchführung der X-Ablenkung bzw. der Y-Ablenkung vorgesehen sind. Die Betriebsmoden sind so, daß zusätzlich zur Rasterabtastung in X-Y-Richtungen zur Gewinnung eines gewöhnlichen Bildes als eine der Funktionen eines Laser- Rastermikroskops ein Abtasten nur in der X-Richtung möglich ist. Außerdem gibt es den Betrieb, bei dem beliebige Koordina ten bezeichnet und das Laserstrahlbündel nur auf diesen Punkt in einem vorgegebenen Bild gerichtet werden. Die von den Transmissionsdurchmesserdetektoren 68 und 69 erzeugten Signale werden einem Addierer-Subtrahierer 115 über Vorverstärker 111 und 112 und außerdem über Verstärker 113 und 114 zugeführt, welche hinsichtlich ihrer Offset-Verstärkung eingestellt wor den sind. Dieser Addierer-Subtrahierer 115 führt eine Addition oder Subtraktion der beiden Signale durch und gibt das Ergeb nis an einen Multiplexer 116. Die Signale der Detektorbereiche 74 und 75 des Reflexionsmeßsystems werden über eine ähnliche Schaltung dem Multiplexer 116 eingegeben. Dieser Multiplexer 116 trifft die Auswahl des Signals des Transmissionssystems und des Signals des Reflexionssystems nach Maßgabe eines Be fehls des Mikrocomputers 106. Das vom Multiplexer 116 ausge wählte Bildsignal wird über eine Abtast-Halte- A/D-Konverterschaltung 117, die synchron mit der Galvanometer- Steuerschaltung 105 betrieben wird, in einem Bild- bzw. Rah menspeicher 118 gespeichert. Das gespeicherte Bildsignal wird über eine D/A-Anzeige-Konverterschaltung 119 auf einem Monitor 120 zur Anzeige gebracht. Das Bezugszeichen 121 stellt einen Verstärker dar, der verwendet wird, wenn ein Bild durch Beob achtung des auf der Probe durch den abtastenden Lichtstrahl hervorgerufenen physikalischen Phänomens entworfen wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 121 wird über eine Anfrage- und Halte-A/D-Konverterschaltung 122 in einem Bild- bzw. Rahmen speicher 123 gespeichert und in der gleichen Weise wie oben beschrieben auf einem Monitor 120 zur Anzeige gebracht. Als Beispiel der Beobachtung des auf dem Prüfling durch das abta stende Lichtstrahlbündel zum Entwerfen eines Bildes hervorge rufenen physikalischen Phänomens gibt es den Fall der Beobach tung des optisch angeregten Stroms, der bei Lichteinfall auf den PN-Übergang eines Halbleiters erzeugt wird, oder die Be stimmung einer photo-akustischen Welle. In diesen Fällen kann eine quasi-farbige Anzeige bei Überlagerung mit einem gewöhn lichen Bild gewonnen werden.

Das Bezugszeichen 124 bezeichnet eine Treiberschaltung für einen akusto-optischen Modulator 86. Diese Treiberschaltung wird dann verwendet, wenn ein Zielgerät 125 betätigt wird, um einen willkürlichen Punkt auf dem auf dem Monitor 120 ange zeigten Bild durch eine auf diesem Monitor 120 angezeigte Marke auszuwählen, die Positionen der Galvanometer 109 und 110 auf den Koordinaten dieses Punktes fixiert sind und ein Laser strahl momentan auf die Koordinaten gerichtet wird. Auch kann diese Schaltung zur Erzeugung eines Lochs durch einen Laser strahl in einem dünnen Objekt, z. B. einer Zelle, verwendet werden. Ein Bild wird unter Verwendung eines Laserstrahlbün dels angezeigt, das zu Beobachtungszwecken eine niedrige Aus gangsleistung hat, und mit Hilfe des Zielgeräts 125 wird eine Stelle bezeichnet, an der das Loch ausgebildet werden soll. Ein intensiver Laserstrahl wird kurzzeitig von dem akusto-op tischen Modulator auf diese Stelle gerichtet. Das Bezugszei chen 126 stellt eine mit dem Bildspeicher verbundene Bildver arbeitungseinheit dar, und 127 bezeichnet eine Konsole des Mikrocomputers 106.

Fig. 14A und 14B zeigen den Fall, daß ein kontrastarmes Bildsignal 128 durch Verstärker 111 und 112 mit einstellbarer Offset-Verstärkung in ein kontraststarkes Bildsignal 129 umge setzt wird.

Die Fig. 15A und 15B zeigen jeweils Ausführungsbeispiele, bei denen ein akusto-optischer Deflektor als Lichtablenker dient. Ein Laserstrahlbündel 130 aus einer Lichtquelle fällt auf einen akusto-optischen Deflektor 131, der an der Pupillen position angeordnet ist. Ein Lichtbündel 132 wird nach Beugung durch den akusto-optischen Deflektor 131 von einem einstellen den Spiegel 133 reflektiert in Richtung der Strahlachse 134 und fällt auf eine Pupillen-Relaislinse 135. Das vom Spiegel 136 reflektierte Strahlbündel 134 durchläuft eine Pupillen-Re laislinse 137 und läuft weiter entlang der Strahlachse 138. Dieses Laserstrahlbündel 138 wird von einem akusto-optischen Deflektor 139 gebeugt, der an der Position der Pupille ange ordnet ist, und wird zu einem Strahl 140. Dieser Strahl 140 wird von einem einstellenden Spiegel 141 als Strahl 142 re flektiert und fällt auf eine Pupillen-Projektionslinse 143. Der durch die Pupillen-Projektionslinse 143 tretende Licht strahl fällt auf die Pupille einer nicht dargestellten Objek tivlinse und erzeugt auf dem Prüfling bzw. der Probe einen Punkt. Hier sind die Laserstrahlbündel bei 130, 132, 134, 138, 140 und 142 jeweils mit dem Zentrum des Lichtstroms darge stellt, das als axialer Lichtstrahl abgelenkt wurde, und sie entsprechen der sogenannten optischen Achse.

Die akusto-optischen Deflektoren 131 und 139 weisen jeweils ein Medium 148 zur Übertragung einer akustischen Welle und ein piezo-elektrisches Bauelement 149 auf (Fig. 16). Wenn eine Hochfrequenzspannung (etwa 100 MHz) an das piezo-elektrische Bauelement 149 angelegt wird, wird innerhalb des Mediums 148 aufgrund der akustischen Welle ein Beugungsgitter erzeugt. Wenn ein Laserstrahl 150 darauf gerichtet wird, wird Licht 151 der nullten Beugungsordnung (ungebeugtes Licht) und primäres Beugungslicht 152 erzeugt. Durch Änderung der Frequenz der an das piezo-elektrische Bauelement angelegten Hochfrequenzspan nung ist es möglich, die Richtung des primären Beugungslichts zwischen der Richtung 153 und der Richtung 154 zu ändern. Dies ist die von einem akusto-optischen Deflektor durchgeführte Lichtablenkmethode. Es sei hier angenommen, daß die Richtung bzw. Orientierung entsprechend der optischen Achse durch 152 angegeben ist und daß die außeraxiale Orientierung entweder bei 153 oder 154 liegt. Als solches wird in den Fig. 15A und 15B das außeraxiale Licht von dem akusto-optischen Deflek tor 131 in die durch die Bezugszeichen 144 und 145 bezeichne ten Richtungen abgelenkt, die über bzw. unter der optischen Achse 132 liegen. Die Pupillen-Relaislinsen 135, 137 und 143 entsprechen den Pupillen-Relaislinsen 57, 58 und 60 gemäß Fig. 8. Auch die beiden akusto-optischen Deflektoren 131 und 139, die in der Pupillenposition angeordnet sind, entsprechen den Lichtablenkern 22 und 29 in Fig. 4 und sie tasten das Laser strahlbündel in den Richtungen X bzw. Y ab. Als Folge davon wird die Probe mit dem Laserstrahlbündel in Rasterform abge tastet.

Unter dem Aspekt der Einstellung der optischen Systeme ist es erwünscht, daß im Falle einer dreidimensionalen Anordnung der optischen Systeme die entsprechenden optischen Achsen entweder vertikal oder parallel verlaufen. Das vom akusto-optischen Deflektor 131 gebeugte Licht nimmt einen Winkel R an, der nicht 90° bezüglich des einfallenden Lichts 130 ist. Bei spielsweise ist der Winkel R etwa 4°. Der Beugungswinkel wird um etwa ±2° relativ zu diesem Winkel variiert, um das La serstrahlbündel abzutasten bzw. es in eine Abtastbewegung zu versetzen. Dies gilt in gleicher Weise für die Beziehung zwi schen dem akusto-optischen Deflektor 139 und dem Einstellspie gel 141 und die Beziehung zwischen dem Laserstrahl 138 und dem Laserstrahl 142. Hier ist die Linse 146 eine zylindrische Linse solcher Ausbildung, daß der Linseneffekt des akusto-op tischen Deflektors 139 kompensiert wird. Durch Anordnung des akusto-optischen Deflektors an der Pupillenposition in der oben beschriebenen Weise ist es möglich, ein abtastendes opti sches System aufzubauen, bei dem die Pupille berücksichtigt ist. Dadurch ist es möglich, einen Detektor an der Position der Pupille anzuordnen.

Das an dem Prüfling reflektierte Licht durchläuft wiederum eine Objektivlinse (nicht gezeigt), die Pupillen-Projektions linse 143, den akusto-optischen Deflektor 139, die Pupillen- Relaislinsen 137 und 135 und den akusto-optischen Deflektor 131 und kehrt zu einem nicht dargestellten Deflektorsystem zurück. Dieses Detektorsystem ist in gleicher Weise wie das jenige gemäß Fig. 4 aufgebaut, wobei das Licht durch einen Strahlteiler 21 aus dem Lichtstrahlengang des eintretenden Laserstrahls abgezweigt wird. Das sich ergebende Licht wird von der Licht-Sammellinse 38 auf dem Fokus 39 gesammelt. Durch Anordnung einer Lochblende 39′ (Fig. 4) an dieser Stelle wird ein Bild hoher Auflösung gewonnen; durch Anordnung einer lichtundurchlässigen Scheibe 39′′ (Fig. 4) wird dagegen ein Dunkelfeldbild gewonnen.

Außerdem wird das durch die Probe übertragene Licht von der Kollektorlinse 33 auf die Detektorbereiche 35 und 36 geworfen, die an der Position der Pupille angeordnet sind.

Durch Ausbildung der Verarbeitungsschaltung in der in Fig. 13 dargestellten Weise werden verschiedene Verarbeitungsarten möglich. Es ist jedoch zu beachten, daß in diesem Falle die Galvanometer-Steuerschaltung 105 durch eine Steuerschaltung für den akusto-optischen Deflektor ersetzt wird und die Servo verstärker 107 und 108 durch eine Hochfrequenzwellengenerator schaltung ersetzt werden und daß außerdem an die Stelle der Galvanometer 109 und 110 jeweils ein akusto-optischer Deflek tor tritt.

Es wurde bereits oben gesagt, daß durch Aufteilung eines ge sammelten punktförmigen Strahlbündels auf zwei Detektoren und durch Bildung einer Differenz der von den entsprechenden De tektoren gelieferten Ausgangssignale ein Differenzbild einer Probe oder eines Prüflings gewonnen wird. Als nächstes wird beschrieben, daß die Orientierung bzw. Richtung der Differen zierung des Differenzbildes, die auf diese Weise gewonnen werden kann, durch Rotation der Detektoren um die optische Achse frei geändert werden kann.

Fig. 17 zeigt eine Frontansicht des bereits beschriebenen Detektors. Dieser Detektor ist hier als ganzer gezeigt und durch das Bezugszeichen 160 bezeichnet, besteht jedoch tat sächlich aus zwei photoelektrischen Wandlern 161 und 162. Eine Orientierung normal zur Orientierung der Grenzfläche zwischen diesen beiden photoelektrischen Wandlern 161 und 162 stellt die Differenzorientierung eines zu gewinnenden Bildes dar. Das Bezugszeichen 164 stellt den auf den Detektor 160 fallenden Lichtstrom dar, und das Symbol O stellt die optische Achse dar. Hierbei ist der Detektor 160 so ausgebildet, daß er um die optische Achse O drehen kann, so daß es möglich ist, die Richtung 163 des Verlaufs der Grenzfläche zwischen den beiden photoelektrischen Wandlern 161 und 162 zu ändern. Demgemäß ist es möglich, die differenzielle Orientierung des Differenzbil des für die Beobachtung frei zu ändern.

Fig. 18 zeigt ein anderes System des Detektors. Hierbei be steht der Detektor 165 aus acht photoelektrischen Wandlern 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172 und 173. Die entsprechenden Detektorsignale werden über entsprechende Vorverstärker einem Addierer-Substrahierer 134 zugeführt, einer mathematischen Operation unterworfen und zu einem Beispiel umgesetzt. Die Ausgangssignale der entsprechenden photoelektrischen Wandler 166 . . . 173 seien I₁₆₆, I₁₆₇, I₁₆₈, I₁₆₉, I₁₇₀, I₁₇₁, I₁₇₂ und I₁₇₃, und eine mathematische Operation (I₁₆₆ + I₁₆₇ + I₁₆₈ + I₁₆₉) - (I₁₇₀ + I₁₇₁ + I₁₇₂ + I₁₇₃) wird von dem Addierer-Subtrahierer 134 durch geführt. Im Ergebnis wird die wesentliche Orientierung der Grenzfläche des Detektors 165 zu einer Orientierung 174, und die Orientierung der Grenzfläche eines differenziellen Bildes verläuft normal zu dieser Orientierung. Wenn die mathematische Operation (I₁₆₇ + I₁₆₈ + I₁₆₉ + I₁₇₀) - (I₁₇₁ + I₁₇₂ + I₁₇₃ + I₁₆₆) ausgeführt wird, wird die Orientie rung der Grenzfläche eine Orientierung 175. Bei Durchführung der mathematischen Operation (I₁₆₈ + I₁₆₉ + I₁₇₀ + I₁₇₁) - (I₁₇₂ + I₁₇₃ + I₁₆₆ + I₁₆₇) wird die Grenz fläche entsprechend der Orientierung 176 ausgerichtet. Durch eine rein mathematische Operation von I₁₆₈-I₁₇₂ wird die Grenzfläche entsprechend 177 ausgerichtet, und durch die ma thematische Operation von I₁₆₉-I₁₇₃ ergibt sich eine Orientierung der Grenzfläche entsprechend dem Pfeil 177. Wie oben angegeben, ist es möglich, die Differenzorientierung eines Differenzbildes einfach durch Änderung der mathemati schen Operation zu ändern.

Fig. 19 zeigt ein Beispiel, bei dem der Detektor 160 die in Fig. 17 dargestellte Anordnung hat und an ein Rastermikroskop solcher Art angelegt wird, bei dem eine Probe durch Bewegen der Trägerbühne der Probe abgetastet wird. Ein Laserstrahlbün del, das von einer Laserlichtquelle 180 emittiert wird, durch läuft ein räumliches Filter 181, einen Strahlexpander 182, einen Strahlteiler 183 und eine Objektivlinse 184 und wird in Form eines Lichtpunktes auf eine Probe bzw. einen Prüfling 185 projiziert. Das die Probe 185 durchlaufende Licht wird von einem Detektor 186 bestimmt, während das an der Probe reflek tierte Licht über einen Strahlaufteiler 183 von einem Detektor 187 aufgefangen wird. Die Detektoren 186 und 187 bestehen jeweils aus zwei photoelektrischen Wandlern, wie sie in Fig. 17 gezeigt sind. Durch Drehen der Wandler um eine optische Achse ist es möglich, die Orientierung der Differentiation des Bildes in einfacher Weise zu ändern.

Fig. 20 zeigt ein Beispiel für den Fall, daß der Detektor entsprechend Fig. 18 einem optischen Rastermikroskop zugeord net ist, das von der Laserstrahl-Abtasttechnik Gebrauch macht. Ein Laserstrahlbündel, das von einer Laser-Lichtquelle 190 emittiert wird, durchläuft ein räumliches Filter 191, einen Strahlexpander 192 und einen Strahlenaufteiler 193 und fällt auf einen galvanometrischen Spiegel 194, der an der Stelle der Pupille des optischen Systems angeordnet ist. Der galvanome trische Spiegel 194 ist schwenkbar, um das Laserstrahlbündel einer Abtastbewegung zu unterwerfen. Das abtastende Laser strahlbündel durchläuft Pupillen-Relaislinsen 195 und 196 und fällt auf einen galvanometrischen Spiegel 197, der an der Pupillenposition angeordnet ist. Der Galvanometerspiegel 197 ist ein schwenkbarer Spiegel zum Abtasten des Laserstrahlbün dels. Wenn der zuvor erwähnte Galvanometerspiegel 194 eine horizontale Abtastung des Bildes vornehmen soll, bewirkt der zuletzt genannte galvanometrische Spiegel 197 eine vertikale Abtastung. Durch diese beiden schwenkbaren Spiegel kann eine zweidimensionale Abtastung vorgenommen werden. Der zweidimen sional abtastende Laserstrahl durchläuft eine Pupillen-Projek tionslinse 198 und eine Fokussierlinse 199 und fällt auf die Pupille einer Objektivlinse 200. Da dieses optische System mit einem Pupillen-Relaissystem versehen ist, ist einzusehen, daß auch im Falle von außeraxialen Strahlen der die Pupilleninfor mation beinhaltende Laserstrahl in die Objektivlinse 200 ein fällt. Das Laserstrahlbündel wird von der Objektivlinse 200 zu einem Lichtpunkt gesammelt, mit dem eine Probe oder ein Prüf ling 201 abgetastet wird. Der die Probe oder den Prüfling 201 durchdringende Laserstrahl durchläuft eine Sammellinse 202 und wird von einem Detektor 203 bestimmt, der an der Pupillenposi tion vorgesehen ist. Da dieser Detektor 203 an der Pupillenpo sition angeordnet ist, ist klar, daß selbst im Falle von außeraxialem Licht eine Information ähnlich derjenigen bei axialem Licht gewonnen wird, so daß ein Differenz- bzw. dif ferentielles Bild über das gesamte Bild gewonnen wird.

Das an der Probe 201 reflektierte Laserstrahlbündel folgt auf dem Rücklauf dem einfallenden Strahlengang und wird vom Strahlteiler 193 reflektiert, einmal von der Sammellinse 204 gesammelt und danach vom Detektor 205 gemessen. Die Sammellin se 204 ist nicht immer notwendig. Hinter der Stelle, an der das Strahlbündel von der Sammellinse 204 gesammelt wird, kann in der zuvor beschriebenen Weise eine Lochblende oder eine lichtdurchlässige Scheibe an der Licht-Sammelstelle angeordnet sein, wodurch es möglich wird, entweder ein fokussiertes übliches Bild oder ein Dunkelfeldbild zu beobachten. Der Detektor 205 ist äquivalent zu dem Fall, bei dem er an der Pupillen stelle angeordnet ist, und ermöglicht die Behandlung von außeraxialem Licht in gleicher Weise wie von axialem Licht.

Die Detektoren 203 und 205 bestehen jeweils aus sechszehn pho toelektrischen Wandlern 206 bis 221 (Fig. 21). Durch geeignete Auswahl der photoelektrischen Wandler ist es möglich, die Orientierung der Differenzbildung bzw. Differentiation zu ändern. Wenn die Ausgangssignale dieser entsprechenden Wandler 206 bis 221 als I₂₀₆ . . . I₂₂₁ angenommen werden, nimmt durch die mathematische Operation (I₂₀₆ + I₂₀₇ +I₂₀₈ + I₂₀₉ + I₂₁₄ + I₂₁₅ + I₂₁₆ + I₂₁₇) - (I₂₁₀ + I₂₁₁ + I₂₁₂ + I₂₁₃ + I₂₁₈ + I₂₁₉ + I₂₂₀ + I₂₂₁) die Grenzfläche eine Orientierung 222 an. Durch die mathematische Operation (I₂₁₃ + I₂₀₆ +I₂₀₇ + I₂₀₈ + I₂₂₁ + I₂₁₄ + I₂₁₅ + I₂₁₆) - (I₂₀₉ + I₂₁₀ + I₂₁₁ + I₂₁₂ + I₂₁₇ + I₂₁₈ + I₂₁₉ + I₂₂₀) nimmt die Grenz fläche eine Orientierung 223 an. Ferner kann durch Verwendung nur derjenigen Signale, die von den im Außenumfangsbereich des Wandlers angeordneten Wandlern 206 . . . 213 geliefert werden, eine Verstärkung der Randbereiche des Bildes herbeigeführt werden. Auch die von den Detektoren erzeugten Signale werden in einen Rahmen- bzw. Bildspeicher (nicht gezeigt) synchron mit den galvanometrischen Spiegeln 194 und 197 eingegeben, und sie werden als ein Bild auf der Kathodenstrahlröhre in der bereits beschriebenen Weise angezeigt.

Wie bereits oben erwähnt, kann einfach durch geeignete Auswahl der photoelektrischen Wandler die differentielle bzw. Differenz orientierung des Bildes geändert werden.

Fig. 22A bis 22 E zeigen verschiedene Abwandlungen des Detektors.

Fig. 22A zeigt ein Ausführungsbeispiel des Detektors, bei dem die Grenzfläche zwischen den Wandlern nicht auf der optischen Achse liegt. Wenn ein solcher Detektor im Brennpunkt angeord net ist, ist es möglich, ein fokussiertes Bild, das eine ge meinsame Amplitude mit dem Differenzbild in deren überlagertem Zustand hat, zu bestimmen.

Fig. 22B zeigt ein anderes Beispiel des drehbaren Detektors.

Fig. 22C zeigt ein Ausführungsbeispiel, das bei einfacher Herstellung des Detektors eine erhöhte Meß genauigkeit entfaltet, da photoelektrische Wandler eine sehr geringe Größe haben müssen.

Fig. 22D zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Grenzflä che eine ausreichende Breite hat und photoelektrische Wandler auch an dieser Grenzfläche angeordnet sind, wodurch es möglich wird, eine ausreichende Grenzfläche zur Zeit der Bestimmung eines Differenzbildes zu gewinnen. Bei der Bestim mung eines gewöhnlichen Bildes dienen die an der Grenzfläche vorgesehenen Wandler auch zur effizienten Ausnutzung des zu messenden Lichts.

Fig. 22E zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Wandler einrichtung fein unterteilt ist, um verschiedene Differentia tionen bzw. Differenzbildungen durch geeignete Wahl der Bau elemente zu ermöglichen, wobei das zu messende Licht auch bei einer gewöhnlichen Bildmessung wirksam genutzt werden kann.

Es wurde bereits gesagt, daß ein Dunkelfeldbild dadurch beob achtet werden kann, daß man eine lichtundurchlässige Scheibe an der Fokussierungsstelle des Lichts einsetzt. Im folgenden wird hierauf genauer eingegangen. Fig. 23 ist eine Darstellung des optischen Systems zur Erläuterung der Dunkelfeldmikros kopie mit einem bereits oben beschriebenen optischen Raster mikroskop. Ein aus einer Laser-Lichtquelle emittiertes Strahlbündel 230 durchläuft einen Strahlteiler 231 und eine Objektivlinse 232 und wird auf eine Probe 233 konzentriert bzw. fokussiert. Das an der Probe 233 reflektierte und ge streute Licht (Meßstrahlenbündel 238) durchläuft die Objektiv linse 232, wird am Strahlteiler 231 reflektiert und von einer Sammellinse 234 zur Bildung eines Punktbildes 235 fokussiert. Das Licht der nullten Beugungsordnung (ungebeugtes Licht) im Punktbild 235 oder das Licht im Zentralbereich des Punktbilds wird von einer lichtundurchlässigen Scheibe 236 entfernt, und das resultierende Licht wird von einem Detektor 237 gemessen, der auf der Rückseite der lichtdurchlässigen Scheibe 36 ange ordnet ist. Ein konkretes Beispiel des optischen Systems, dem dieses System zugeordnet ist, ist in Fig. 8 gezeigt.

Fig. 24 ist eine Darstellung eines zweiten Systems. In diesem Falle ist der Durchmesser des Meßstrahlenbündels 238 größer als derjenige des Laserstrahlbündels 230.

Bei dieser Gelegenheit sollte angemerkt werden, daß in Fig. 23 und 24 die lichtundurchlässige Scheibe 236 vorzugsweise eine Größe gleich oder größer als diejenige einer Airy-Scheibe hat.

Fig. 25 stellt ein drittes System dar. Bei diesem Ausführungs beispiel werden aus dem Meßstrahlbündel 238, das an der Probe 233 reflektiert oder gestreut worden ist, die von der Probe 233 direkt reflektierte Lichtkomponenten von einer lichtun durchlässigen Scheibe 239 entfernt. In diesem Falle ist die lichtundurchlässige Scheibe 234 nicht immer notwendig.

Wie oben gesagt, kann durch Anordnung von Mitteln (lichtun durchlässige Scheibe) zum Entfernen der ungebeugten Lichtkom ponente des Meßlichtstroms, d. h. des von der Probe direkt reflektierten Lichts, ein Dunkelfeldmikroskop bei einem opti schen Mikroskop des Abtasttyps mit niedrigen Kosten und gerin gem Aufwand realisiert werden.

Wie oben gesagt, ist das erfindungsgemäße optische Rastermikroskop so ausgebildet, daß es durch Aufnahme des Systems zum Abtasten eines Lichtbündels ein hohes Auflösungsvermögen hat und aufgrund der Anordnung sowohl des optischen Systems als auch des Detektors unter Berücksichtigung der Lage der Pupille ist es möglich, spezielle mikroskopische Bilder, wie ein Bild hoher Auflösung und ein Dunkelfeldbild zu gewinnen. Auch ein Interferenzmikroskop und ein Fluoreszenzmikroskop können - ungleich herkömmlichen Mikroskopen - unter Verwendung nur einer begrenzten Anzahl optischer Komponenten aufgebaut werden.

Außerdem kann die Spezialmikroskopie, wie sie durch gewöhnli che Mikroskope verwendet wird, realisiert werden. Auch solche physikalischen Phänomene, wie die Bestimmung eines optisch angeregten elektrischen Stroms, können abgebildet werden. Es ist ferner möglich, derart feine Bearbeitungsmaßnahmen, wie die Ausbildung eines Lochs in einer Zelle, zu realisieren. Ferner ist durch Verwendung eines akusto-optischen Deflektors als Licht-Ablenkbauteil eine Laserstrahlabtastung möglich, die mit der Abtastgeschwindigkeit der Fernsehtechnik vergleichbar ist.

Als Licht-Ablenkbauteil können verschiedene Arten von Deflek toren, z. B. ein Prisma, ein Glasblock und außerdem ein Spiegel und ein akusto-optischer Deflektor verwendet werden.

Claims

1. Optisches Rastermikroskop, mit einem Laser als Lichtquel le und einem Objektiv, welches das Laserlicht auf ein zu beob achtendes Objekt fokussiert, mit optischen Lichtablenkelemen ten auf der dem Objekt abgewandten des Objektivs, die den Laserstrahl aufnehmen und in einer zweidimensionalen Abta stung über das Objekt führen und die in der Austrittspupille des Objektivs, in hierzu konjugierter Position oder in unmit telbarer Nähe dieser Positionen liegen, sowie mit einem sym metrisch zur optischen Achse im Strahlengang liegenden Detektor, dessen lichtempfindliche Fläche lagefest und relativ zur optischen Achse senkrecht angeordnet ist, und der die vom Objekt her kommende Strahlung registriert und einen Videocom puter ansteuert, der ein hinsichtlich der Helligkeit und des Kontrastes elektronisch einstellbares Bild des Objekts erzeugt und somit eine Bildanalyse ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Fläche des Detektors (160; 165) in eine gerade Anzahl von getrennten und unabhängig voneinander registrierenden Bereichen (161, 162; 167-173) unterteilt ist, die gegenüber der optischen Achse symmetrisch ausgebildet sind und ihre Signale dem Videocomputer (126, 127) getrennt zufüh ren, wobei der Videocomputer entweder die Signale zweier je weils einander gegenüberliegender Bereiche voneinander abzieht und alle auf diese Weise gebildeten Differenzen aufsummiert, oder aber nebeneinanderliegende Bereiche zu zwei, einander spiegelbildlich gegenüberliegenden Gebieten zusammenfaßt und die Signale dieser beiden Gebiete aufsummiert und die beiden auf diese Weise gebildeten Summen voneinander abzieht, und wobei der Videocomputer die Eingabe eines repräsentativen ersten Bereichs gestattet, ab dem mit der Bildung der Differenzen oder Summen begonnen werden soll, wodurch eine differentielle, phasensensitive Bildanalyse mit einer gegenüber der zeilenför migen Rastereinrichtung digital einstellbaren Auswertrichtung ermöglicht wird.

2. Optisches Rastermikroskop nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtablenkelemente (22, 29; 56, 59; 194, 197) aus zwei Einheiten bestehen, von denen die eine für die Abtastung der Objektoberfläche in X-Richtung und die ande re für die Abtastung der Objektoberfläche in Y-Richtung dient.

3. Optisches Rastermikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden optischen Lichtablenkelemente entweder als Galvanometerspiegel (56, 59) oder als akusto-op tische, piezoelektrische Lichtablenkelemente (131, 139) ausge bildet sind.

4. Optisches Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (34, 35, 36, 68, 69) auf der vom Objekt (23; 62) abgewandten Seite des Ob jekts (32; 63) in der Austrittspupille des Objektivs, in hier zu konjugierter Position oder in unmittelbarer Nähe dieser Positionen angeordnet ist und das durch das Objekt hindurch tretende Licht detektiert.

5. Optisches Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (40, 41, 42; 74, 75) auf der dem Objektiv (23; 62) zugewandten Seite des Ob jekts (32; 63) jenseits der Lichtablenkelemente (22, 29; 56, 59; 136, 141; 194, 197) angeordnet ist und ein Strahlteiler (21; 55) das von der Objektoberfläche in Richtung des Lasers reflektierte Licht aus dem Strahlengang auskoppelt und zum Detektor hinleitet, wobei eine vor dem Detektor angebrachte Lochblende (39′; 72) eine erhöhte Auflösung oder eine vor dem Detektor angebrachte lichtundurchlässige Scheibe (39′′; 73) eine Dunkelfeldbeobachtung durch Ausblendung der nullten Ord nung ermöglicht.

6. Optisches Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rastermikroskop Einrichtun gen zur Interferenzmikroskopie, zur Polarisationsmikroskopie oder zur Fluoreszenzmikroskopie aufweist.

7. Optisches Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle mehrere Laser (84, 85) vorgesehen sind, daß die Strahlintensitäten mittels akusto-optischer Modulatoren (86, 87) individuell einstellbar sind und daß nach der Intensitätseinstellung eine Überlagerung der Strahlen zu einem gemeinsamen Strahlbündel (54) erfolgt.

8. Optisches Rastermikroskop nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lichtquelle eine die Lichtverteilung ändernde Konverterlinse nachgeordnet ist.

9. Optisches Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle mehrere Laser (95-97) mit unterschiedlichen Wellenlängen vorgesehen sind, daß diesen Lasern eine Einrichtung (98, 99) zum Verknüpfen der Laserstrahlen zu einem Strahlbündel (54) nachgeschaltet ist, daß vor dem Detektor eine Einrichtung (103, 104) zum Trennen der vom Objekt ausfallenden Strahlen nach ihren Wellenlängen in mehrere Teilbündel vorgesehen ist und daß der Detektor foto-elektrische Wandler für jedes der Teilbündel enthält.

10. Optisches Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur visuellen Beobachtung des Objekts ein optisches Beobachtungssystem mit einer weiteren Lichtquelle (81) sowie einem Prisma (64) und einem Strahltei ler (65) vorgesehen ist, das bei ausgeschaltetem Laser (53) in den Strahlengang einschiebbar ist.

11. Optisches Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zoomlinse (60) zwischen den Lichtablenkelementen (22, 29; 56, 59; 136, 141; 194, 197) und der Objektivlinse (62) austauschbar angeordnet ist.

12. Optisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prismenspiegel an einer Fokus position innerhalb des optischen Meßsystems vorgesehen ist, der das Licht auf den Detektor lenkt.