DE4035799A1 - Confocal scanning microscope with computer control - has illumination raster corresponding to raster of CCD sensor receiving image of scanned object - Google Patents

Confocal scanning microscope with computer control - has illumination raster corresponding to raster of CCD sensor receiving image of scanned object

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Abstract

The confocal scanning microscope has a light source (11) and confocal optical elements (13o, 13u, 13t) providing an image of the illumination plane (11b) at a focal plane (13f) containing the object (14). An illumination raster (12) is contained in the illumination plane (11b), corresponding to the raster of the photosensitive area of the CCD sensor (17) located at a stop plane (17b) receiving an image of the focal plane (13f). Pref. the illumination raster (12) is provided by holes (12l) in an opaque layer (12s) illuminated by the light source (11). The CCD sensor (17) is coupled to a computer controlling the relative movement of the scanning microscope. USE - For evaluating surface profile of scanned object.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Untersuchung eines Objektes mit einer Lichtquelle, einem Empfänger und optischen Elementen für einen konfokalen Strahlengang, bei dem eine Beleuchtungsebene in eine Fokusebene abgebildet ist, die auf oder im Objekt liegt, und bei dem die Fokusebene in eine Blendenebene abgebildet ist.The present invention relates to a device for three-dimensional examination of an object with a Light source, a receiver and optical elements for a confocal beam path in which an illumination plane is depicted in a focal plane that is on or in the object lies, and in which the focal plane in an aperture plane is shown.

Eine derartige Vorrichtung in Form eines konfokalen Scanning- Mikroskopes ist in einer Veröffentlichung von D. K. Hamilton e.a. (Appl. Phys. B 27, 211 (1982)) beschrieben. Scanning- Mikroskope mit konfokalem Strahlengang, bei dem eine sog. Punktlichtquelle in eine Ebene des Objektes und diese Ebene des Objektes auf einen sog. Punktempfänger bzw. eine Lochblende, hinter der ein Empfänger sitzt, abgebildet wird, haben die Eigenschaft sehr höhenselektiv zu sein, d. h. Ebenen, die nur einen geringen Abstand voneinander haben, optisch zu trennen. In der oben zitierten Veröffentlichung wird diese Eigenschaft dazu benutzt, ein Oberflächenprofil eines Halbleiterbauelementes aufzunehmen. Dafür wird für jede x-y-Lage des Lichtpunktes das Objekt in z-Richtung (Richtung der optischen Achse) bewegt und der Intensitätsverlauf gemessen. Da dieser ein ausgeprägtes Maximum hat, wenn das Bild des Lichtpunktes genau auf der Oberfläche liegt, kann für jeden Punkt in der x-y-Ebene die Höhe der Oberfläche in z-Richtung bestimmt werden und auf diese Weise zeitlich nacheinander das gesamte Oberflächenprofil des Objektes aufgenommen werden.Such a device in the form of a confocal scanning Microscope is in a publication by D. K. Hamilton e.a. (Appl. Phys. B 27, 211 (1982)). Scanning Microscopes with a confocal beam path, in which a so-called Point light source in a plane of the object and this plane of the object to a so-called point receiver or a Pinhole, behind which a receiver sits, is shown, have the property of being very height selective, d. H. Planes that are a short distance apart, optically separate. In the publication cited above this property is used to create a surface profile to record a semiconductor device. For this, for everyone x-y position of the light point the object in the z direction (direction the optical axis) and the intensity curve measured. Since this has a pronounced maximum, if that Image of the point of light lies exactly on the surface for each point in the x-y plane the height of the surface in z-direction can be determined and in this way temporally successively the entire surface profile of the object be included.

Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, daß die Aufnahme eines Oberflächenprofiles, relativ viel Zeit erfordert.A disadvantage of this known device is that the  Recording a surface profile, a relatively long time required.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der in relativ kurzer Zeit Oberflächenprofile aufgenommen werden können.The present invention has for its object a To create device with in a relatively short time Surface profiles can be recorded.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Beleuchtungsraster in der Beleuchtungsebene angeordnet ist, daß in der Blendenebene ein CCD-Empfänger angeordnet ist und daß das Beleuchtungsraster auf dem CCD-Empfänger mit einem Rastermaß abgebildet ist, welches dem Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers ungefähr gleich oder größer ist.The object is achieved according to the invention in that that a lighting grid in the lighting plane is arranged that a CCD receiver in the aperture plane is arranged and that the lighting grid on the CCD receiver is shown with a grid dimension that the Grid dimension of the light-sensitive areas of the CCD receiver is approximately the same or larger.

Die Verwendung eines CCD-Empfängers und eines zweidimensionalen Arrays von Löchern in einer beleuchteten Schicht ist für ein Scanning-Mikroskop aus der US-PS 48 06 004 bekannt. Dort ist jedoch nur angegeben, daß das Objekt in verschiedenen Schichtebenen beobachtet werden kann. Vor allem wird dort die Blendenwirkung des CCD-Empfängers nicht ausgenutzt, d. h. die Tatsache, daß er aus rasterförmig angeordneten lichtempfindlichen Bereichen besteht, deren Abmessungen erheblich kleiner sind als ihre Abstände voneinander.The use of a CCD receiver and one two-dimensional arrays of holes in an illuminated Layer is for a scanning microscope from US-PS 48 06 004 known. However, it only states that the object in different layer levels can be observed. Especially the aperture effect of the CCD receiver is not there exploited, d. H. the fact that he is out of grid arranged photosensitive areas, whose Dimensions are significantly smaller than their distances from each other.

In dem oben angegebenen US-Patent ist der konfokale Strahlengang vielmehr nur bei einem Auflichtmikroskop verwirklicht, bei welchem die zum Objekt gehenden Strahlenbündel durch dasselbe Löcherarray gehen wie die vom Objekt reflektierten Strahlenbündel. Daher ist es notwendig, durch ein als Okular bezeichnetes optisches Element das Löcher-Array in eine Ebene abzubilden, in der es beobachtet oder aufgenommen wird. Für den letzten Fall ist unter anderem eine Video-Kamera mit einem CCD-Empfänger angegeben, deren Bilder gespeichert und ausgewertet werden können. In the above-referenced U.S. patent is the confocal Rather, the beam path only with a reflected light microscope realized in which those going to the object Beams of rays go through the same hole array as that of the Object reflected beam of rays. Therefore, it is necessary through an optical element called an eyepiece Map holes array into a plane in which it is observed or is recorded. For the latter case, among other things specified a video camera with a CCD receiver, whose Images can be saved and evaluated.  

Bei der vorliegenden Erfindung wird dagegen immer ein CCD-Empfänger benutzt und seine im allgemeinen nachteilige Eigenschaft ausgenutzt, daß nur ein kleiner Anteil der Empfängerfläche aus lichtempfindlichen Bereichen besteht.In contrast, in the present invention, one is always CCD receiver used and its generally disadvantageous Property exploited that only a small proportion of the Receiver surface consists of light-sensitive areas.

Gegenüber der eingangs zitierten Veröffentlichung von Hamilton hat die erfindungsgemäße Lösung nicht nur den Vorteil, daß die Aufnahme eines Oberflächenprofiles infolge des Beleuchtungsrasters wesentlich schneller geht, sondern daß auch unmittelbar eine höhenselektive Betrachtung möglich ist, da durch den konfokalen Strahlengang die Intensität der von den einzelnen Objektstellen reflektierten Strahlungen unmittelbar von den Höhen der betreffenden Stellen des Objektes abhängt, so daß jedes Rasterelement eine Information über die Höhe der Oberfläche an der zu ihm gehörenden Stelle des Objektes gibt und damit die Intensitätsverteilung über der Oberfläche unmittelbar einen Überblick über die Höhenverteilung der Objektoberfläche gibt. Insbesondere lassen sich dadurch, wenn das Objekt relativ zum Strahlengang in Richtung der optischen Achse bewegt wird, sehr einfach die Bereiche mit gleicher Höhe der Oberfläche feststellen.Compared to the publication of Hamilton not only has the solution according to the invention Advantage that the inclusion of a surface profile as a result of the lighting grid goes much faster, but that a height-selective view is also possible is because the intensity of the Radiations reflected from the individual object locations directly from the heights of the relevant points of the Depends on the object, so that each raster element contains information about the height of the surface in the place belonging to it of the object and thus the intensity distribution the surface immediately gives an overview of the Height distribution of the object surface there. In particular can be done if the object is relative to the beam path is moved in the direction of the optical axis, very simply the Identify areas with the same height of the surface.

Bei Objekten mit reflektierenden Bereichen in oder unter einer transparenten Schicht ergeben sich für die Abhängig­ keit der Intensität von der Höhe im Objekt Reflexionsprofile mit einem kleinen Maximum für die Oberfläche der transparen­ ten Schicht und einem großen Maximum für den reflektierenden Bereich. Daher ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, nicht nur Oberflächenprofile zu untersuchen, sondern auch Strukturen innerhalb oder unter transparenten Schichten.For objects with reflective areas in or under there is a transparent layer for the dependent intensity of the height in the object reflection profiles with a small maximum for the surface of the transparen th layer and a large maximum for the reflective Area. Therefore, it is with the device according to the invention possible not only to examine surface profiles, but also structures inside or under transparent layers.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Beleuchtungsraster auf dem CCD-Empfänger mit einem Rastermaß abgebildet, welches dem Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist.In an advantageous embodiment of the invention Illumination grid on the CCD receiver with a grid dimension mapped, which corresponds to the grid size of the photosensitive Areas of the CCD receiver equal or an integer  Multiples of it is.

In einer vorteilhaften, einfachen Ausführungsform der Erfindung wird das Beleuchtungsraster durch Löcher in einer Schicht realisiert, die durch eine Lichtquelle beleuchtet wird. Um eine größere Intensität der beleuchteten Löcher - im Folgenden auch kurz als Lichtpunkte bezeichnet - zu erreichen, kann vor der Schicht mit den Löchern ein Linsen- Array angeordnet werden, welches dafür sorgt, daß die Strahlung der Lichtquelle die Schicht nicht gleichmäßig ausleuchtet sondern auf die Löcher konzentriert wird.In an advantageous, simple embodiment of the Invention is the lighting grid through holes in a Realized layer that is illuminated by a light source becomes. To increase the intensity of the illuminated holes - in Hereinafter also referred to as light points for short can reach a lens in front of the layer with the holes Array are arranged, which ensures that the Radiation from the light source does not make the layer uniform illuminates but is focused on the holes.

Normalerweise werden der CCD-Empfänger und das Beleuchtungs­ raster zueinander so justiert, daß die in die Blendenebene abgebildeten Lichtpunkte auf die lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers fallen. In diesem Fall entstehen beim Durchfokussieren Intensitätsmaxima für diejenigen Objekt­ stellen deren reflektierende Flächen genau in der Fokusebene liegen.Usually the CCD receiver and the lighting grid adjusted to each other so that in the aperture plane illustrated light spots on the light-sensitive areas of the CCD receiver. In this case, the Focus through intensity maxima for those object place their reflective surfaces exactly in the focal plane lie.

Es ist jedoch auch möglich, den CCD-Empfänger und das Beleuchtungsraster zueinander so zu justieren, daß die in die Blendenebene abgebildeten Lichtpunkte zwischen die licht­ empfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers fallen. In diesem Fall entstehen beim Durchfokussieren Intensitätsminima für diejenigen Objektstellen deren reflektierende Flächen genau in der Fokusebene liegen. Durch eine besondere Ausbildung des CCD-Empfängers, z. B. durch relativ großflächige licht­ empfindliche Bereiche, kann dieser Effekt noch verstärkt werden.However, it is also possible to use the CCD receiver and that Adjust the lighting grid to each other so that the in the Aperture plane depicted light points between the light sensitive areas of the CCD receiver. In this Case arise when focusing through intensity minima those object locations whose reflecting surfaces exactly lie in the focus plane. Through a special training of CCD receiver, e.g. B. by relatively large-area light sensitive areas, this effect can be intensified will.

Schließlich ist auch ein inverses Beleuchtungsraster möglich; d. h. das auf das Objekt und in die Blendenebene abgebildete Raster besteht nicht aus hellen Lichtpunkten, sondern aus einer hellen Fläche mit einer rasterförmigen Anordnung von kleinen dunklen Zonen. Ein derartiges Beleuchtungsraster, welches z. B. aus einer von der Lichtquelle beleuchteten Schicht mit lichtundurchlässigen Zonen besteht, liefert bei einem CCD-Empfänger mit kleinen lichtempfindlichen Bereichen, auf welche die dunklen Zonen abgebildet werden, ebenfalls Intensitätsminima für diejenigen Objektstellen deren reflektierende Flächen genau in der Fokusebene liegen.Finally, an inverse lighting grid is also possible; d. H. that depicted on the object and in the aperture plane Raster does not consist of bright points of light, but of a bright area with a grid arrangement of small dark zones. Such a lighting grid,  which z. B. from an illuminated by the light source Layer with opaque zones a CCD receiver with small light-sensitive areas, on which the dark zones are also mapped Intensity minima for those object locations reflective surfaces lie exactly in the focal plane.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird das Beleuchtungsraster durch ein Linsen-Array erzeugt, welches eine annähernd punktförmige Lichtquelle vielfach in raster­ förmiger Anordnung in die Beleuchtungsebene abbildet.In another advantageous embodiment, the Illumination grid generated by a lens array, which an almost punctiform light source often in grid mapped arrangement in the lighting plane.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Beleuchtungsraster dadurch erzeugt, daß eine von der Licht­ quelle beleuchtete Blende vielfach in rasterförmiger Anordnung in die Beleuchtungsebene abgebildet wird. Auch in diesem Fall kann ein inverses Beleuchtungsraster z. B. dadurch realisiert werden, daß die Blende ein lichtundurchlässiges Zentrum hat.In a further advantageous embodiment, the Illumination grid generated by one of the light source illuminated aperture often in a grid Arrangement is shown in the lighting level. Also in in this case, an inverse lighting grid z. B. thereby be realized that the aperture is opaque Center.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Beleuchtungsraster durch ein Lichtquellen-Array erzeugt. Dieses kann z. B. aus einzelnen Leuchtdioden zusammengesetzt sein oder in integrierter Technik hergestellt werden. In beiden Fällen ist es ganz besonders vorteilhaft, die Arrays und ihre Spannungsversorgung so auszubilden, daß entweder jede einzelne Lichtquelle oder bestimmte Teilmengen der Lichtquellen unabhängig von den anderen ein- und ausgeschaltet werden können.In a particularly advantageous embodiment, the Illumination grid generated by a light source array. This can e.g. B. composed of individual LEDs be or be manufactured in integrated technology. In In both cases, it is particularly advantageous to use the arrays and train their power supply so that either each individual light source or certain subsets of the Light sources independent of the other on and can be turned off.

Zur Aufnahme der oben erläuterten höhenselektiven Übersichtsbilder ist es zweckmäßig, eine Verstellvorrichtung vorzusehen, welche es erlaubt die Fokusebene mit den Bildern der Lichtpunkte auf verschiedene Schichtebenen des Objektes einzustellen. To accommodate the above-mentioned height-selective Overview pictures it is useful to have an adjustment device to provide which allows the focus plane with the images the light points on different layer levels of the object adjust.  

Zur Aufnahme vollständiger Reflexionsprofile mit guter Auflösung ist es zweckmäßig, eine Verstellvorrichtung vorzusehen, welche es erlaubt, das Beleuchtungsraster und das Objekt relativ zueinander in Ebenen senkrecht zur optischen Achse zu bewegen, so daß das Objekt mit dem Beleuchtungs­ raster abgescannt wird. Die Relativbewegung zwischen Licht­ punkten und Objekt kann dabei innerhalb des Abstandes benach­ barter Lichtpunkte bleiben oder auch ein Vielfaches davon betragen.To record complete reflection profiles with good Resolution it is appropriate to use an adjustment device to provide, which allows the lighting grid and the Object relative to each other in planes perpendicular to the optical one Axis to move so that the object with the lighting grid is scanned. The relative movement between light score and object can be adjacent within the distance points of light remain or a multiple thereof be.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der CCD-Empfänger mit einem Computer verbunden, der die Signale des CCD-Empfängers auswertet. Es ist in diesem Fall vorteilhaft, die Verstellvorrichtungen für die relative Bewegung von Lichtpunkten und Objekt zueinander in Richtung der optischen Achse und/oder in den Ebenen der Lichtpunkte bzw. des Objektes durch den Computer zu steuern.In a further advantageous embodiment of the invention the CCD receiver is connected to a computer that Signals from the CCD receiver are evaluated. It is in this case advantageous, the adjustment devices for the relative Movement of light points and object towards each other the optical axis and / or in the planes of the light points or to control the object by the computer.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird von dem Computer außerdem eine Schaltvorrichtung gesteuert, die unterschiedliche Teilmengen der Lichtquellen des Lichtquellen-Arrays ein- und ausschaltet. Dabei kann z. B. die Anzahl der eingeschalteten Lichtquellen von den Ergebnissen der Auswertung des Computers gesteuert werden, so daß in kritischen Bereichen eines Objektes der Streulichtanteil durch eine Verminderung der Anzahl der wirksamen Lichtquellen gesenkt werden kann.In a particularly preferred embodiment of the invention the computer also becomes a switching device controlled the different subsets of the light sources of the light source array switches on and off. Here, for. B. the number of light sources switched on by the Results of the evaluation of the computer can be controlled, so that in critical areas of an object the Scattered light by reducing the number of effective light sources can be reduced.

Beim Abscannen eines Objektes kann es vorteilhaft sein, Beleuchtungsraster und CCD-Empfänger relativ zueinander in der Beleuchtungsebene bzw. in der Blendenebene durch eine Verstellvorrichtung, die zweckmäßigerweise vom Computer gesteuert wird, zu verschieben. Mit einem leistungsfähigen Computer können durch diese Verschiebung zusätzliche Informationen gewonnen werden, die eine genauere Auswertung ermöglichen. In diesem Fall muß das Rastermaß des Beleuch­ tungsrasters nur ungefähr gleich oder größer sein als das Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers.When scanning an object, it can be advantageous Illumination grid and CCD receiver relative to each other in the illumination level or in the aperture level by a Adjustment device, conveniently from the computer is controlled to move. With a powerful Computers can add additional through this shift Information is obtained, which is a more precise evaluation enable. In this case, the grid size of the lighting must  grid should only be approximately the same or larger than that Grid dimension of the light-sensitive areas of the CCD receiver.

Für eine möglichst geringe Tiefenschärfe der konfokalen Abbildung ist es vorteilhaft, an Stelle der üblichen kreisförmigen Telezentrie-Blende eine ringförmige Blende vorzusehen. Die Anwendung einer derartigen Blende ist aus der EP-A2-02 44 640 bekannt. Dort sind auch Blenden mit anderen Transmissionsmustern (pattern) beschrieben, die auch für das vorliegende optische Abbildungssystem geeignet sind, um die dreidimensionale Übertragungsfunktion an vorbekannte Objektmuster anzupassen.For the smallest possible depth of focus of the confocal Figure it is advantageous to replace the usual one circular telecentric aperture an annular aperture to provide. The application of such an aperture is from the EP-A2-02 44 640 known. There are also panels with others Transmission patterns (pattern) described, which also for the present optical imaging system are suitable to the three-dimensional transfer function to previously known Adjust object pattern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 7. Show:

Fig. 1 eine Ausführung, bei der das Beleuchtungsraster durch eine beleuchtete Schicht mit Löchern erzeugt wird,Wherein the illumination grid is generated by an illuminated layer with holes Fig. 1 shows an embodiment,

Fig. 2 eine Ausführung, bei der die Ausleuchtung der Löcher durch ein zusätzliches Linsen-Array ver­ bessert wird,Wherein the illumination of the holes is improved ver by an additional lens array Fig. 2 an embodiment,

Fig. 3 eine Ausführung, bei der das Beleuchtungsraster durch ein Halbleiter-Array erzeugt wird,Wherein the illumination grid is generated by a semiconductor array Fig. 3 shows an embodiment,

Fig. 4 eine Glasplatte mit einem Muster für ein inverses Beleuchtungsraster, Fig. 4 is a glass plate with a pattern of an inverted illumination grid,

Fig. 5 eine Anordnung zur Erzeugung eines Beleuchtungs­ rasters durch vielfache Abbildung einer Lichtquelle mit einem Linsen-Array, Fig. 5 shows an arrangement for generating a lighting grid by multiple imaging of a light source with a lens array,

Fig. 6 eine Anordnung zur Erzeugung eines Beleuchtungs­ rasters durch vielfache Abbildung einer beleuchte­ ten Blende mit einem Linsen-Array und Fig. 6 shows an arrangement for generating a lighting grid by multiple imaging of an illuminating aperture with a lens array and

Fig. 7 ein Beispiel für die beleuchtete Blende in Fig. 6. FIG. 7 shows an example of the illuminated diaphragm in FIG. 6.

In Fig. 1 ist mit (11) eine Lichtquelle, z. B. eine Halogenlampe, bezeichnet, die mit Hilfe des Kondensors (11k), evtl. über ein Filter (11f) (zur Aussonderung eines ausreichend schmalen Spektralbereiches), Löcher (12l) in einer Schicht (12s) beleuchtet. Eine derartige Schicht kann in bekannter Weise z. B. aus Chrom auf einer Glasplatte (12g) hergestellt werden. Die Löcher (12l) sind in der Schicht (12s) ebenso rasterförmig angeordnet wie die licht-empfind­ lichen Bereiche des CCD-Empfängers (17). Wird z. B. der Empfänger 1 CX 022 der Fa. Sony verwendet, dann enthält die Schicht 512×512 Löcher mit einem Abstand von 11 µm in bei­ den Richtungen des Rasters und mit einer Lochgröße von z. B. 2 µm×2 µm. Die Größe der Löcher ist also erheblich kleiner als ihr Abstand. Der Abstand der Löcher bzw. Bereiche von Mitte zu Mitte wird als Rastermaß bezeichnet.In Fig. 1 with ( 11 ) is a light source, for. B. a halogen lamp, which illuminates holes ( 12 l) in one layer ( 12 s) with the aid of the condenser ( 11 k), possibly via a filter ( 11 f) (for separating out a sufficiently narrow spectral range). Such a layer can in a known manner, for. B. made of chrome on a glass plate ( 12 g). The holes ( 12 l) are arranged in the layer ( 12 s) just like a grid like the light-sensitive areas of the CCD receiver ( 17 ). Is z. B. the receiver uses 1 CX 022 from Sony, then the layer contains 512 × 512 holes with a distance of 11 microns in the directions of the grid and with a hole size of z. B. 2 µm × 2 µm. The size of the holes is therefore considerably smaller than their distance. The distance between the holes or areas from center to center is called the grid dimension.

Das durch die beleuchteten Löcher (12l) in der Schicht (12s) erzeugte Beleuchtungsraster liegt in der Beleuchtungsebene (11b). Diese wird durch die Linsen (13o, 13u) in die Fokusebene (13f) abgebildet, so daß in letzterer das Objekt (14) mit rasterförmig angeordneten Lichtpunkten beleuchtet wird. Bei nichttransparenten Objekten kann nur die Oberfläche (14o) beleuchtet werden, während bei transparenten Objekten auch Schichten (14s) im Inneren mit den Lichtpunkten beleuchtet werden können. Die vom Objekt in der Fokusebene (13f) reflektierten Lichtstrahlen werden von den Linsen (13u, 13o) über einen Strahlteiler (16) in der Blendenebene (17b) fokussiert. Die für eine konfokale Anordnung notwendigen Blenden werden in der Blendenebene (17b) realisiert durch die lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers (17), die durch relativ große Zwischenräume voneinander getrennt sind. The illumination grid generated by the illuminated holes ( 12 l) in the layer ( 12 s) lies in the illumination plane ( 11 b). This is imaged by the lenses ( 13 o, 13 u) in the focal plane ( 13 f), so that in the latter the object ( 14 ) is illuminated with light points arranged in a grid. With non-transparent objects, only the surface ( 14 o) can be illuminated, while with transparent objects, layers ( 14 s) inside can also be illuminated with the light points. The light beams reflected by the object in the focal plane ( 13 f) are focused by the lenses ( 13 u, 13 o) via a beam splitter ( 16 ) in the diaphragm plane ( 17 b). The diaphragms necessary for a confocal arrangement are realized in the diaphragm plane ( 17 b) by the light-sensitive areas of the CCD receiver ( 17 ), which are separated from one another by relatively large spaces.

Zwischen den Linsen (13o, 13u) ist üblicherweise eine sog. Telezentrie-Blende (13t) angeordnet, welche dafür sorgt, daß der Mittenstrahl (13m) parallel zur optischen Achse (10) auf das Objekt (14) trifft, so daß die Lage der Lichtpunkte auf dem Objekt sich nicht ändert, wenn das Objekt (14) in Richtung der optischen Achse (10) bewegt wird.A so-called telecentric diaphragm ( 13 t) is usually arranged between the lenses ( 13 o, 13 u), which ensures that the center beam ( 13 m) strikes the object ( 14 ) parallel to the optical axis ( 10 ), so that the position of the light spots on the object does not change when the object ( 14 ) is moved in the direction of the optical axis ( 10 ).

Das Objekt (14) kann durch eine Verstellvorrichtung (15) in allen 3 Raumrichtungen bewegt werden, so daß verschiedene Schichten (14s) des Objektes (14) abgescannt werden können. Dabei kann die Bewegung in x- und y-Richtung kleiner gewählt werden als das Rastermaß der Lichtpunkte (12) bzw. des CCD-Empfängers (17). Selbstverständlich kann die Bewegung des Objektes (14) in z-Richtung auch durch verschieben der Linsen (13o, 13u) in Richtung der optischen Achse (10) erreicht werden und ebenso können anstelle der Bewegung des Objektes in x- und y-Richtung auch die Schicht (12s) mit den Löchern (12l) und CCD-Empfänger (17) entsprechend bewegt werden.The object ( 14 ) can be moved in all 3 spatial directions by an adjusting device ( 15 ) so that different layers ( 14 s) of the object ( 14 ) can be scanned. The movement in the x and y directions can be chosen to be smaller than the grid dimension of the light points ( 12 ) or the CCD receiver ( 17 ). Of course, the movement of the object ( 14 ) in the z direction can also be achieved by shifting the lenses ( 13 o, 13 u) in the direction of the optical axis ( 10 ) and likewise instead of moving the object in the x and y directions the layer ( 12 s) with the holes ( 12 l) and CCD receiver ( 17 ) can be moved accordingly.

Die Signale des CCD-Empfängers (17) werden über die Verbindungsleitung (17v) in einen Computer (18) übertragen, der in bekannter Weise die Auswertung übernimmt und auf einem Bildschirm (18b) die Ergebnisse der Auswertung z. B. in Form von graphischen Darstellungen wiedergibt. Der Computer (18) kann auch über die Verbindungsleitung (18v) die Verschiebung der Fokusebene (13f) im Objekt und das Scannen in x- und y- Richtung steuern. Diese Steuerung kann im Computer als festes Programm vorliegen oder abhängig von den Ergebnissen der Auswertung erfolgen.The signals of the CCD receiver ( 17 ) are transmitted via the connecting line ( 17 v) to a computer ( 18 ), which takes over the evaluation in a known manner and on a screen ( 18 b) the results of the evaluation z. B. in the form of graphical representations. The computer ( 18 ) can also control the shift of the focal plane ( 13 f) in the object and the scanning in the x and y directions via the connecting line ( 18 v). This control can be present in the computer as a fixed program or can take place depending on the results of the evaluation.

In Fig. 2 ist zwischen dem Kondensor (11k) bzw. dem Filter (11f) und der Schicht (12s) mit den Löchern (12l) ein Linsen- Array (22a) angeordnet, welches ebenso viele kleine Linsen (22l) enthält wie die Schicht (12s) Löcher (12l) hat. Die Linsen (22l) haben die Aufgabe, Bilder der Leuchtwendel der Lichtquelle (11) in die Löcher abzubilden und damit den Lichtpunkten eine größere Intensität zu geben.In Fig. 2, a lens array ( 22 a) is arranged between the condenser ( 11 k) or the filter ( 11 f) and the layer ( 12 s) with the holes ( 12 l), which also has as many small lenses ( 22 l) contains how the layer ( 12 s) has holes ( 12 l). The lenses ( 22 l) have the task of imaging images of the filament of the light source ( 11 ) into the holes and thus giving the light points a greater intensity.

Das Linsen-Array (22a) und die Schicht (12s) mit den Löchern (12l) können - wie dargestellt - in einem gemeinsamen Teil (22g) vereinigt sein. Die Herstellung geeigneter Linsen- Arrays ist z. B. aus einer Veröffentlichung von K. Koizumi (SPIE Vol. 1128, 74 (1989)) bekannt.The lens array ( 22 a) and the layer ( 12 s) with the holes ( 12 l) can - as shown - be combined in a common part ( 22 g). The production of suitable lens arrays is e.g. B. from a publication by K. Koizumi (SPIE Vol. 1128, 74 (1989)) known.

Eine besonders vorteilhafte Realisierung des Beleuchtungs­ rasters ist in Fig. 3 dargestellt. Dort ist mit (31) ein Lichtquellen-Array bezeichnet, welches z. B. aus Lumines­ zenzdioden (LEDs) (31l) bestehen kann. Ein derartiges Array mit einer Größe von z. B. 10×10 Dioden läßt sich z. B. aus handelsüblichen Mini-Dioden LSU260-EO der Fa. Siemens mit einem Rastermaß von 2,5 mm zusammensetzen und hat daher eine Gesamtgröße von 2,5 cm×2,5 cm. Es wird im Maßstab von ca. 1 : 5 in die Beleuchtungsebene (11b) durch das Objektiv (31o) so abgebildet, daß es ungefähr die Größe der gesamten lichtempfindlichen Fläche des CCD-Empfängers von 5 mm×5 mm erhält. Vom CCD-Empfänger (17) werden in diesem Fall nur 100 lichtempfindliche Bereiche mit einem Rastermaß von ca. 0,5 mm×0,5 mm ausgenutzt. Trotzdem ergibt sich durch die 100 Lichtpunkte ein erheblicher Zeitgewinn gegenüber dem Scannen mit nur einem Lichtpunkt.A particularly advantageous implementation of the lighting grid is shown in Fig. 3. There ( 31 ) denotes a light source array which, for. B. from Lumines zenzdioden (LEDs) ( 31 l). Such an array with a size of z. B. 10 × 10 diodes z. B. from commercially available mini diodes LSU260-EO from Siemens with a pitch of 2.5 mm and therefore has a total size of 2.5 cm × 2.5 cm. It is imaged on a scale of approx. 1: 5 into the illumination plane ( 11 b) through the lens ( 31 o) in such a way that it has approximately the size of the entire photosensitive surface of the CCD receiver of 5 mm × 5 mm. In this case, only 100 light-sensitive areas with a grid size of approx. 0.5 mm × 0.5 mm are used by the CCD receiver ( 17 ). Nevertheless, the 100 light points result in considerable time savings compared to scanning with just one light point.

Auch in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, in der Beleuch­ tungsebene (11b) eine Schicht (32s) mit Löchern (32l) anzuordnen, damit die Lichtpunkte genügend kleine Abmessungen erhalten. Außer dem Objektiv (31o) für die verkleinerte Abbildung ist eine Feldlinse (31f) für die weitere Abbildung im konfokalen Strahlengang zweckmäßig.In this case, too, it can be advantageous to arrange a layer ( 32 s) with holes ( 32 l) in the lighting plane ( 11 b) so that the light spots have sufficiently small dimensions. In addition to the objective ( 31 o) for the reduced image, a field lens ( 31 f) is useful for further imaging in the confocal beam path.

Wesentlich vorteilhafter ist es, für das Beleuchtungsraster integrierte LED-Arrays zu verwenden, wie sie z. B. in einer Veröffentlichung von J. P. Donnelly (SPIE 1043, 92 (1989)) beschrieben sind. Auch derartige LED-Arrays haben genauso wie das zusammengesetzte Array aus Mini-Dioden den Vorteil, daß definierte Teilmengen der LEDs ein- und ausgeschaltet werden können. In beiden Fällen kann das Ein- und Ausschalten vom Computer (18) über die Schaltvorrichtung (19) gesteuert werden.It is much more advantageous to use integrated LED arrays for the lighting grid, as z. B. are described in a publication by JP Donnelly (SPIE 1043, 92 (1989)). LED arrays of this type, like the assembled array of mini diodes, also have the advantage that defined subsets of the LEDs can be switched on and off. In both cases, the switching on and off can be controlled by the computer ( 18 ) via the switching device ( 19 ).

Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte konfokale Strahlen­ gang zwischen Beleuchtungsebene (11b), Fokusebene (13f) und Blendenebene (17b) ist nur eine spezielle Ausführungsform von mehreren bekannten konfokalen Strahlengängen, bei denen die Erfindung in für den Fachmann sofort erkennbarer Weise ange­ wendet werden kann. Außerdem ist auch bei dem dargestellten Strahlengang eine Abbildung der Beleuchtungsebene (11b) in die Fokusebene (13f) im Maßstab 1 : 1 keineswegs notwendig. Vielmehr ist dabei nicht nur - wie von Mikroskopen bekannt - eine Verkleinerung sondern auch eine Vergrößerung möglich, weswegen in der Überschrift auch nicht die Bezeichnung Mikro­ skop verwendet wurde.The confocal beam path shown in FIGS. 1 to 3 between the illumination plane ( 11 b), focal plane ( 13 f) and diaphragm plane ( 17 b) is only a special embodiment of several known confocal beam paths, in which the invention in immediately for the expert recognizable way can be applied. In addition, a mapping of the illumination plane ( 11 b) into the focal plane ( 13 f) on a scale of 1: 1 is by no means necessary in the beam path shown. Rather, not only - as is known from microscopes - a downsizing but also an enlargement is possible, which is why the term microscope was not used in the heading.

In der Fig. 4 ist eine Glasplatte (41) für ein inverses Beleuchtungsraster dargestellt. Hier besteht die auf die Glasplatte aufgebrachte, lichtundurchlässige Schicht nur aus kleinen Zonen (42), welche durch relativ weite, lichtdurch­ lässige Bereiche voneinander getrennt sind.In FIG. 4, a glass plate (41) is shown for an inverted illumination grid. Here, the opaque layer applied to the glass plate consists only of small zones ( 42 ), which are separated from one another by relatively wide, translucent areas.

In der Fig. 5 wird das Beleuchtungsraster durch ein Linsen- Array (53) erzeugt, welches durch ausreichend gute Abbil­ dungseigenschaften von einer nahezu punktförmigen Lichtquelle (51) ausreichend kleine Lichtpunkte (54) in der Beleuchtungs­ ebene (11b) herstellt. Die Kondensorlinse (52) bewirkt, daß das Linsen-Array (53) von einem Parallelbündel durchsetzt wird, so daß jede einzelne Linse (53l) optimal benutzt wird.In Fig. 5, the illumination grid is generated by a lens array ( 53 ), which produces sufficiently small light spots ( 54 ) in the illumination plane ( 11 b) by sufficiently good imaging properties from an almost punctiform light source ( 51 ). The condenser lens ( 52 ) causes the lens array ( 53 ) to be penetrated by a parallel bundle, so that each individual lens ( 53 l) is used optimally.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung bei der durch ein Linsen-Array (53) eine Blende (61) vielfach in die Beleuchtungsebene (11b) abgebildet wird. Diese Blende wird über den Kondensor (62) und die Streuscheibe (63) von der Lichtquelle (11) beleuch­ tet. Als Blende sind die verschiedensten Ausführungsformen möglich. Als Beispiel zeigt die Fig. 7 eine Blende (61) mit quadratischer Begrenzung des lichtdurchlässigen Bereiches (71) und einem lichtundurchlässigen Zentrum (72) für ein inverses Beleuchtungsraster. Natürlich sind auch Blenden für ein Beleuchtungsraster aus Lichtpunkten etc. möglich. Fig. 6 shows an arrangement in which a diaphragm (61) is frequently displayed in the illumination plane (11 b) by a lens array (53). This diaphragm is illuminated via the condenser ( 62 ) and the lens ( 63 ) from the light source ( 11 ). A wide variety of embodiments are possible as an aperture. As an example, FIG. 7 shows an aperture ( 61 ) with a square boundary of the translucent area ( 71 ) and an opaque center ( 72 ) for an inverse illumination grid. Of course, panels for a lighting grid made of light points etc. are also possible.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes (14) mit einer Lichtquelle (11), einem Empfänger (17) und optischen Elementen (13o, 13u, 13t) für einen konfokalen Strahlengang, bei dem eine Beleuch­ tungsebene (11b) in eine Fokusebene (13f) abgebildet ist, die auf oder im Objekt (14) liegt, und bei dem die Fokusebene (13f) in eine Blendenebene (17b) abgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beleuchtungsraster (12, 22, 32) in der Beleuchtungsebene (11b) angeordnet ist, daß in der Blendenebene (17b) ein CCD-Empfänger (17) angeordnet ist und daß das Beleuchtungsraster (12, 22, 32) auf dem CCD-Empfänger (17) mit einem Rastermaß abgebildet ist, welches dem Rastermaß der lichtempfind­ lichen Bereiche des CCD-Empfängers (17) ungefähr gleich oder größer ist.1. Device for three-dimensional optical examination of an object ( 14 ) with a light source ( 11 ), a receiver ( 17 ) and optical elements ( 13 o, 13 u, 13 t) for a confocal beam path, in which a lighting plane ( 11 b ) is depicted in a focal plane ( 13 f), which lies on or in the object ( 14 ), and in which the focal plane ( 13 f) is depicted in a diaphragm plane ( 17 b), characterized in that an illumination grid ( 12 , 22 , 32 ) is arranged in the illumination plane ( 11 b), that a CCD receiver ( 17 ) is arranged in the diaphragm plane ( 17 b) and that the illumination grid ( 12 , 22 , 32 ) on the CCD receiver ( 17 ) with a grid dimension is shown, which is the grid dimension of the light-sensitive areas of the CCD receiver ( 17 ) approximately the same or larger. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsraster (12, 22, 32) auf dem CCD-Empfänger (17) mit einem Rastermaß abgebildet ist, welches dem Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers (17) gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the illumination grid ( 12 , 22 , 32 ) on the CCD receiver ( 17 ) is mapped with a grid dimension which is the same as or a grid dimension of the light-sensitive areas of the CCD receiver ( 17 ) is an integer multiple of it. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beleuchtungsraster (12) aus von der Lichtquelle (11) beleuchteten Löchern (12l) in einer Schicht (12s) besteht.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the lighting grid ( 12 ) from the light source ( 11 ) illuminated holes ( 12 l) in one layer ( 12 s). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beleuchtung der Löcher (12l) ein Linsen-Array (22a) vorgesehen ist.4. The device according to claim 3, characterized in that a lens array ( 22 a) is provided for the illumination of the holes ( 12 l). 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beleuchtungsraster aus einer von der Lichtquelle (11) beleuchteten Schicht mit lichtundurch­ lässigen Zonen (42) besteht.5. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the lighting grid consists of a light source ( 11 ) illuminated layer with opaque zones ( 42 ). 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beleuchtungsraster durch ein Linsen- Array (53), welches die Lichtquelle (51) vielfach in rasterförmiger Anordnung in die Beleuchtungsebene (11b) abbildet, erzeugt ist.6. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the illumination grid is generated by a lens array ( 53 ), which the light source ( 51 ) often in a grid arrangement in the illumination plane ( 11 b). 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beleuchtungsraster durch ein Linsen- Array (53), welches eine von der Lichtquelle (11) beleuchtete Blende (61) vielfach in rasterförmiger Anordnung in die Beleuchtungsebene (11b) abbildet, erzeugt ist.7. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the illumination grid by a lens array ( 53 ), which from a light source ( 11 ) illuminated aperture ( 61 ) often in a grid arrangement in the illumination plane ( 11 b) , is generated. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (61) ein lichtundurchlässiges Zentrum (72) hat.8. The device according to claim 7, characterized in that the diaphragm ( 61 ) has an opaque center ( 72 ). 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beleuchtungsraster (32) aus einem Lichtquellen-Array (32a) besteht.9. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the lighting grid ( 32 ) consists of a light source array ( 32 a). 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (32l) des Lichtquellen-Arrays (32a) einzeln oder in Teilmengen ein- und ausschaltbar sind.10. The device according to claim 9, characterized in that the light sources ( 32 l) of the light source array ( 32 a) can be switched on and off individually or in subsets. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Verstellvorrichtung (15) die Fokusebene (13f) auf verschiedene Schichten (14s) des Objektes (14) einstellbar ist und/oder das Beleuch­ tungsraster (12, 22, 32) und das Objekt (14) relativ zueinander in Ebenen senkrecht zur optischen Achse (10) bewegbar sind. 11. The device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the focusing plane ( 13 f) on different layers ( 14 s) of the object ( 14 ) is adjustable by an adjusting device ( 15 ) and / or the lighting grid ( 12 , 22 , 32 ) and the object ( 14 ) can be moved relative to one another in planes perpendicular to the optical axis ( 10 ). 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der CCD-Empfänger (17) mit einem Computer (18) verbunden ist, in dem die Signale des CCD-Empfängers (17) ausgewertet werden.12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the CCD receiver ( 17 ) is connected to a computer ( 18 ) in which the signals of the CCD receiver ( 17 ) are evaluated. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (18) mit einer Verstellvorrichtung (15) verbunden ist, durch welche die Einstellung der Fokusebene (13f) auf verschiedene Schichten (14s) des Objektes (14) und/oder die Bewegung von Beleuch­ tungsraster (12, 22, 32) und Objekt (14) relativ zueinander durch den Computer (18) steuerbar ist.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the computer ( 18 ) is connected to an adjusting device ( 15 ) through which the adjustment of the focal plane ( 13 f) to different layers ( 14 s) of the object ( 14 ) and / or the movement of lighting grid ( 12 , 22 , 32 ) and object ( 14 ) relative to each other can be controlled by the computer ( 18 ). 14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Computer (18) mit einer Schalt­ vorrichtung (19) verbunden ist, durch welche die Licht­ quellen (32l) des Lichtquellen-Arrays (32a) einzeln oder in Teilmengen abhängig von den Ergebnissen der Auswertung des Computers durch den Computer (18) ein- und ausschalt­ bar sind.14. The apparatus of claim 10 or 13, characterized in that the computer ( 18 ) is connected to a switching device ( 19 ) through which the light sources ( 32 l) of the light source array ( 32 a) individually or in subsets depending on the results of the evaluation of the computer by the computer ( 18 ) can be switched on and off. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (18) mit einer Verstell­ vorrichtung (15v) verbunden ist, durch welche das Beleuchtungsraster (12, 22, 32) und der CCD-Empfänger (17) relativ zueinander in der Beleuchtungsebene (11b) bzw. in der Blendenebene (17b) verschiebbar sind.15. Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the computer ( 18 ) with an adjusting device ( 15 v) is connected, through which the lighting grid ( 12 , 22 , 32 ) and the CCD receiver ( 17 ) are displaceable relative to one another in the illumination plane ( 11 b) or in the diaphragm plane ( 17 b). 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im konfokalen Strahlengang eine Telezentrie-Blende (13t) vorgesehen ist, die ringförmig ausgebildet ist und/oder ein Transmissionsmuster hat.16. The device according to one of claims 1 to 15, characterized in that a telecentric diaphragm ( 13 t) is provided in the confocal beam path, which is ring-shaped and / or has a transmission pattern.
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