DE102015210016A1 - Method for determining a spatially resolved height information of a sample with a wide field microscope and a wide field microscope - Google Patents

Method for determining a spatially resolved height information of a sample with a wide field microscope and a wide field microscope Download PDF

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Nils Langholz
Ralf Netz
Ralf Wolleschensky
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Carl Zeiss Microscopy GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Weitfeldmikroskop und ein Verfahren zum Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe (14) mit einem Weitfeldmikroskop. Das Weitfeldmikroskop umfasst eine Beleuchtungsquelle (1, 52, 53), die in einem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist; eine erste Detektoreinheit (17, 33) zur Erfassung eines Weitfeldbildes in einem Beobachtungsstrahlengang einer in einer Probenebene (P) beleuchteten Probe (14); einen Modulator zur chromatischen Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges oder des Beobachtungsstrahlenganges in einer Richtung senkrecht zur Probenebene (P); eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer chromatisch konfokalen Höheninformation in jedem Bildpunkt des Weitfeldbildes. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Beleuchten der Probe (14) mit einer breitbandigen Beleuchtungsquelle (1) in einem Beleuchtungsstrahlengang; chromatische Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges oder eines Detektionsstrahlenganges; Erfassen mindestens eines Weitfeldbildes aus von der Probe in dem Detektionsstrahlengang reflektierten oder emittierten Probenlichtes mit chromatisch konfokalen Anteilen; Pixelweises Ermitteln von Höheninformationen der Probe aus dem Weitfeldbild durch Auswerten chromatisch konfokaler Anteile des Detektionsstrahlenganges in Abhängigkeit von der chromatischen Modulation.The invention relates to a wide field microscope and a method for determining a spatially resolved height information of a sample (14) with a wide field microscope. The wide field microscope comprises an illumination source (1, 52, 53) which is arranged in an illumination beam path; a first detector unit (17, 33) for detecting a wide-field image in an observation beam path of a sample (14) illuminated in a sample plane (P); a modulator for chromatic modulation of the illumination beam path or the observation beam path in a direction perpendicular to the sample plane (P); an evaluation unit for determining a chromatically confocal height information in each pixel of the wide field image. The method comprises the following steps: illuminating the sample (14) with a broadband illumination source (1) in an illumination beam path; chromatic modulation of the illumination beam path or a detection beam path; Detecting at least one wide field image of specimen light having chromatic confocal portions reflected or emitted from the specimen in the detection beam path; Pixel-wise determination of height information of the sample from the wide-field image by evaluating chromatically confocal components of the detection beam path as a function of the chromatic modulation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe mit einem Weitfeldmikroskop und ein Weitfeldmikroskop.The invention relates to a method for determining a spatially resolved height information of a sample with a wide-field microscope and a wide-field microscope.

Das Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe wird auch als optischer Schnitt bezeichnet. Solche optischen Schnitte werden insbesondere in der Mikrosopie verwendet, um Topografien einer Probe zu bestimmen oder Oberflächeneigenschaften einer Probe wie z.B. Rauheit zu messen.The determination of a spatially resolved height information of a sample is also referred to as an optical section. Such optical sections are used in particular in microsopy to determine topographies of a sample or surface properties of a sample such as e.g. To measure roughness.

Für die Charakterisierung von technischen Oberflächen wird heute als Standardverfahren die konfokale Mikroskopie eingesetzt. Dabei findet meist ein Abtasten der Probe in allen drei Raumrichtungen statt, d.h. es handelt sich um punktscannende Systeme, bei denen ein optischer Strahl in x/y-Richtung über die Probe geführt wird. Zur Ableitung der Höheninformation wird eine Bewegung der Probe relativ zur Detektoreinheit (in z-Richtung) benötigt. Aus dem Intensitätsmaximum in Abhängigkeit von der z-Position kann für jeden x-y-Ort die Höheninformation und damit die Topographie abgeleitet werden. For the characterization of technical surfaces, confocal microscopy is the standard procedure used today. In most cases, the sample is sampled in all three spatial directions, i. These are point-scanning systems in which an optical beam is guided in the x / y direction over the sample. To derive the height information, a movement of the sample relative to the detector unit (in the z-direction) is required. From the intensity maximum as a function of the z-position, the height information and thus the topography can be derived for each x-y location.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist unter anderem die lange Zeit, die durch den Rasterscan für eine 3D-Topographie benötigt wird. Weiterhin kann es während des xy-Scans, bei welchem eine fixierte geometrische Anordnung zwischen Probenkörper und optischem Sensor vorliegt, durch äußere Stöße bzw. Schwingungen zu unkontrollierten Bewegungen des Sensorkopfes relativ zum Probenkörper kommen, wodurch das Messergebnis verfälscht werden kann.A disadvantage of this method is, among other things, the long time required by the raster scan for a 3D topography. Furthermore, during the xy scan, in which there is a fixed geometric arrangement between the specimen and the optical sensor, external shocks or oscillations can lead to uncontrolled movements of the sensor head relative to the specimen, which can falsify the measurement result.

Um das z-Rastern zu vermeiden, wird das chromatisch konfokale Prinzip verwendet. Hier wird in der Regel eine polychromatische Lichtquelle eingesetzt, die die interessierende Probe über ein chromatisch wirkendes refraktives und/oder diffraktives Element beleuchtet, wodurch die z-Information spektral kodiert wird. Wird nun hinter einer konfokalen Lochblende in der Detektion das Spektrum vermessen, so kann hieraus die Höheninformation abgeleitet werden. Auch möglich, aber zeitaufwendig ist die Verwendung einer durchstimmbaren Lichtquelle mit sequentieller konfokaler Detektion wodurch ebenfalls ein Spektrum erhalten wird.To avoid z-rastering, the chromatic confocal principle is used. Here, a polychromatic light source is usually used, which illuminates the sample of interest via a chromatically acting refractive and / or diffractive element, whereby the z-information is spectrally encoded. If now the spectrum is measured behind a confocal pinhole in the detection, then the height information can be derived therefrom. Also possible, but time consuming, is the use of a tunable light source with sequential confocal detection which also gives a spectrum.

Kim et al beschreiben in „Chromatic confocal microscopy with a novel wavelength detection method using transmittance“, OPTICS EXPRESS 6286, Vol. 21, No. 5 eine punktscannende chromatisch konfokale Anordnung mit 50/50-Strahlteilung im Detektionsstrahlengang hinter der Pinhole-Detektion. Das Probenlicht wird entsprechend mit zwei Photomultipliertubes (PMT‘s) erfasst, wobei dem einen PMT ein Filter vorgeschaltet ist. Aus dem Intensitätsverhältnis der beiden PMTs wird die Transmission des Filters und damit die detektierte Wellenlänge und daraus schließlich eine Höheninformation ermittelt. Kim et al. Describe in "Chromatic confocal microscopy with a novel wavelength detection method using transmittance", OPTICS EXPRESS 6286, Vol. 21, no. 5 a point-scanning chromatic confocal arrangement with 50/50 beam splitting in the detection beam path behind the pinhole detection. The sample light is correspondingly detected with two photomultiplier tubes (PMTs), wherein one filter is connected upstream of the one PMT. From the intensity ratio of the two PMTs, the transmission of the filter and thus the detected wavelength and, finally, a height information is determined.

Um den Nachteil des x-y-Rasterscans zu umgehen, existieren schon seit langen konfokale Weitfeldsysteme, bei denen in der Regel Flächenkameras zum Einsatz kommen. Ein Beispiel hierfür ist das Spinning-Disc-Verfahren mit Nipkow-Scheibe. Hier werden mehrere Punkte quasi gleichzeitig nach dem konfokalen Prinzip detektiert. Das Anfahren verschiedener z-Positionen zur Ermittlung eines Schnittbildes ist auch hier erforderlich.To circumvent the disadvantage of the x-y raster scan, long-range confocal wide-field systems already exist, in which surface-area cameras are generally used. An example of this is the spinning-disc process with Nipkow disc. Here several points are detected almost simultaneously according to the confocal principle. The approach of different z-positions to determine a sectional image is also required here.

Weiterhin sind konfokale Weitfeldsysteme bekannt, die auf strukturierter Beleuchtung basieren. Hier wird für jeden z-Wert ein konfokales Schnittbild errechnet aus Bildern die mit einer z.B. durch ein Gitter gegebenen strukturierten Beleuchtung aufgenommen wurden. In der Regel kann dabei auch das Weitfeldbild erhalten werden. Unter Ausnutzung der Polarisation oder der Farbeigenschaften des Beleuchtungslichtes werden Höheninformationen aus der Probe gewonnen. In der DE 10 2007 018 048 A1 ist beispielsweise ein solches System beschrieben, bei dem zwei Beleuchtungsmuster auf die Probe projiziert werden.Furthermore, confocal wide-field systems are known which are based on structured illumination. Here, for each z-value, a confocal sectional image is calculated from images taken with a structured illumination given, for example, by a grid. As a rule, the wide field image can also be obtained. Taking advantage of the polarization or the color characteristics of the illumination light, height information is obtained from the sample. In the DE 10 2007 018 048 A1 For example, such a system is described in which two patterns of illumination are projected onto the sample.

Ebenfalls verwandt ist das Verfahren der Apertur-Korrelation. Hier wird eine sich kontinuierlich ändernde strukturierte Beleuchtung verwendet und das optische Schnittbild aus zwei parallel oder sequentiell aufgenommenen Bildern errechnet, von denen eines als schlecht konfokales Bild mit außerfokalen Anteilen und eines als reines Weitfeldbild bzw. als Bild mit überwiegend außerfokalen Anteilen angesehen werden kann. Ein Vorteil dieser auf strukturierter Beleuchtung basierenden Verfahren ist, dass parallel zum konfokalen Bild auch ein Weitfeldbild quasi in einem Schuss erhalten werden kann.Also related is the process of aperture correlation. Here, a continuously changing structured illumination is used and the optical sectional image is calculated from two parallel or sequentially recorded images, one of which can be regarded as a poorly confocal image with non-focal portions and one as a pure wide field image or as an image with predominantly non-focal proportions. An advantage of this method based on structured illumination is that parallel to the confocal image, a wide field image can also be obtained virtually in one shot.

Letztlich ist allen auf strukturierter Beleuchtung basierenden Systemen gemein, dass während der Änderung des Phasenmusters und/oder beim Verfahren der Probe bzw. des Sensors in z-Richtung Vibrationen einen störenden Einfluss auf das Messergebnis nehmen können.In the end, all systems based on structured illumination have in common that during the change of the phase pattern and / or during the movement of the sample or the sensor in the z direction, vibrations can have a disturbing influence on the measurement result.

Es existieren noch andere Weitfeld-Methoden, mit denen optische Schnitte erzeugt werden können. Hier ist zum Beispiel die Fokus-Variation zu nennen, bei welcher die Bildschärfe in Abhängigkeit von z ausgewertet wird, um hieraus ähnlich dem konfokalen Fall ein Maximum zu errechnen. Es werden dabei auch räumliche Informationen des Systems herangezogen.There are other wide-field methods that can be used to create optical sections. Here, for example, the focus variation should be mentioned, in which the image sharpness is evaluated as a function of z in order to calculate a maximum similar to the confocal case. It also spatial information of the system are used.

Hinsichtlich der Schwingungsanfälligkeit bestehen die gleichen Probleme wie bei den zuvor genannten Verfahren. With regard to susceptibility to vibration, the same problems exist as in the aforementioned methods.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Mikroskop und ein Verfahren zur Erzeugung einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe anzugeben, bei welchen störende Bewegungen am Mikroskop vermieden werden können.It is the object of the invention to provide a microscope and a method for generating a spatially resolved height information of a sample, in which disturbing movements on the microscope can be avoided.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Weitfeldmikroskop gemäß Anspruch 7 gelöst.The object is achieved by a method according to claim 1 and by a wide field microscope according to claim 7.

Erfindungsgemäß wird das chromatisch konfokale Prinzip auf ein optisches Weitfeld-Schnittbildverfahren angewendet und angepasst. Dies wird insbesondere durch eine Kodierung der Wellenlänge im Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlengang erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform werden wellenlängeabhängige Filter im Detektionsstrahlengang verwendet.According to the invention, the chromatic confocal principle is applied to a wide-field optical cross-sectional imaging method and adapted. This is achieved in particular by encoding the wavelength in the illumination or detection beam path. In a preferred embodiment, wavelength-dependent filters are used in the detection beam path.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Probe mit einer breitbandigen Beleuchtungsquelle in einem Beleuchtungsstrahlengang beleuchtet. Der Beleuchtungsstrahlengang wird nach dem chromatisch konfokalen Prinzip chromatisch moduliert. Weiterhin wird mindestens ein Weitfeldbild erfasst, indem von der Probe in einem Detektionsstrahlengang reflektiertes oder emittiertes Probenlicht erfasst wird.In a method according to the invention, a sample is illuminated with a broadband illumination source in an illumination beam path. The illumination beam path is chromatically modulated according to the chromatic confocal principle. Furthermore, at least one far field image is detected by detecting sample light reflected or emitted by the sample in a detection beam path.

Das Weitfeldbild kann sowohl rein konfokale Anteile des Probenlichts (z.B. bei der Verwendung einer Nipkow-Scheibe) aufweisen, aber auch aus konfokalen und außerfokalen Anteilen des Probenlichtes zusammengesetzt sein.The far-field image may comprise both purely confocal portions of the sample light (e.g., when using a Nipkow disc), but may also be composed of confocal and extra-focal portions of the sample light.

Im Beobachtungsstrahlengang und/oder im Beleuchtungs- oder Anregungsstrahlengang kommt mindestens eine wellenlängeabhängige Filterfunktion bzw. Spektralverteilung zum Einsatz und für jeden Bildpunkt in x-y-Richtung werden mindestens zwei Messvorgänge mit den unterschiedlichen Filtern bzw. Spektralverteilungen durchgeführt. Diese Messvorgänge können parallel (bei der Verwendung mehrerer Bildsensoren) oder sequentiell stattfinden.At least one wavelength-dependent filter function or spectral distribution is used in the observation beam path and / or in the illumination or excitation beam path, and at least two measurement operations with the different filters or spectral distributions are performed for each pixel in the x-y direction. These measurements can take place in parallel (when using several image sensors) or sequentially.

Wird beispielsweise das Verhältnis aus den Intensitäten der mindesten zwei Messvorgänge in jedem Bildpunkt des Weitfeldbildes gebildet, so ist hieraus die Wellenlänge mit maximaler Intensität des Probenlichtes und damit der Höhenwert der Probe am jeweiligen Bildpunkt bestimmbar.If, for example, the ratio of the intensities of the at least two measurement processes is formed in each pixel of the wide-field image, then the wavelength with maximum intensity of the sample light and thus the height value of the sample at the respective pixel can be determined therefrom.

Insbesondere gelingt dies prinzipiell unabhängig von der spektralen Reflektivität der Probe sowie unabhängig von den spektralen Eigenschaften der Lichtquelle und oder des Gerätes.In particular, this is possible in principle independently of the spectral reflectivity of the sample and independently of the spectral properties of the light source and or of the device.

Allgemein ist das Intensitätssignal im erfindungsgemäßen Verfahren und Mikroskop im i-ten Messvorgang gegeben durch: Ii(x, y, z) = ∫dλ'P(x, y, λ')R(x, y, λ')Ti(x, y, λ')gλ[z(x,y)](λ[z(x, y)] – λ'), In general, the intensity signal in the method and microscope according to the invention in the ith measuring process is given by: I i (x, y, z) = ∫ dλ'P (x, y, λ ') R (x, y, λ') T i (x, y, λ ') g λ [z (x, y) ] (λ [z (x, y)] - λ '),

Mit:

P(x, y, λ'):
spektrale Charakteristik der Lichtquelle und des Geräts eventuell auch abhängig von x, y
R(x, y, λ'):
spektrale Reflektivität der Probe
Ti(x, y, λ'):
Filterfunktion oder Spektralverteilung im i-ten Messvorgang bzw. chromatische Modulation (beinhaltet auch Strahlteiler etc.)
gλmaxmax – λ):
spektrale Geräte-Response-Funktion mit λmax als Parameter
λmax = λ[z(x, y)]:
maximal reflektierte Wellenlänge an der Stelle x, y entsprechend der Höhenfunktion
z(x, y):
Höhenfunktion der Probe
With:
P (x, y, λ '):
Spectral characteristics of the light source and the device may also depend on x, y
R (x, y, λ '):
spectral reflectivity of the sample
T i (x, y, λ '):
Filter function or spectral distribution in the i-th measuring process or chromatic modulation (also includes beam splitters, etc.)
g maxmax - λ):
spectral device response function with λ max as parameter
λ max = λ [z (x, y)]:
maximum reflected wavelength at the location x, y according to the altitude function
z (x, y):
Height function of the sample

Gesucht ist nun die Höhenfunktion z(x, y) für die zu untersuchende Probe. Die konfokale oder quasi konfokale Detektion äußert sich insbesondere in der Funktion gλmaxmax – λ). Die Parametrisierung hinsichtlich der Wellenlänge deutet an, dass diese Funktion je nach Beschaffenheit der chromatischen Ablage spektral variiert. Für die weitere Betrachtung wird vereinfachend angenommen, dass die Parametrisierung vernachlässigbar ist und die Funktion g eine bei 0 lokalisierte Deltafunktion darstellt. Die obige Formel vereinfacht sich dann zu: Ii(x, y, z) = P(x, y, λ)[z(x, y)])R(x, y, λ[z(x, y)])Ti(x, y, λ[z(x, y)]) We are now looking for the height function z (x, y) for the sample to be examined. The confocal or quasi-confocal detection manifests itself in particular in the function g λmaxmax -λ). The parameterization with respect to the wavelength indicates that this function varies spectrally depending on the nature of the chromatic deposition. For the sake of further consideration, it is assumed for the sake of simplification that the parameterization is negligible and the function g represents a delta function located at 0. The above formula simplifies to: I i (x, y, z) = P (x, y, λ) [z (x, y)]) R (x, y, λ [z (x, y)]) T i (x, y, λ [z (x, y)])

Sind P, R und T hinreichend bekannt, so kann hieraus prinzipiell bereits z(x, y) abgeleitet werden, was allerdings einen enormen Kalibrieraufwand mit sich bringt, auch da es sich um eine Absolutmessung handelt. If P, R and T are sufficiently well known, z (x, y) can in principle already be deduced therefrom, which, however, entails an enormous calibration effort, also because it is an absolute measurement.

Werden jedoch mindestens zwei Detektionsvorgänge i = 1,2 herangezogen, so kann das Verhältnis gebildet werden zu:

Figure DE102015210016A1_0002
However, if at least two detection processes i = 1,2 are used, the ratio can be formed to:
Figure DE102015210016A1_0002

P und R spielen keine Rolle mehr. In Näherung gilt dies auch dann, wenn P und R über den durch die Form von g vorgegebenen Integrationsbereich konstant sind. Aus der rechten Seite lässt sich anhand der bekannten Filterfunktionen bzw. Spektralverteilungen relativ einfach der zu einem gegebenen Intensitätsverhältnis zugehörige Wert und damit auch der Wert z(x, y) bestimmen.P and R no longer matter. As an approximation, this also applies if P and R are constant over the integration range given by the form of g. From the right side, it is relatively easy to determine the value associated with a given intensity ratio, and thus also the value z (x, y), on the basis of the known filter functions or spectral distributions.

In einem Spezialfall weist T2 keine Wellenlängenabhängigkeit auf (Ts(λ) = constant). Realisiert werden kann dieser Fall beispielsweise mit Hilfe zweier gleichartiger Detektoren und einem Strahlteiler, wobei nur in einem Strahlengang ein wellenlängen-abhängiger Filter zum Einsatz kommt. In a special case T 2 has no wavelength dependence (T s (λ) = constant). This case can be realized, for example, with the aid of two similar detectors and a beam splitter, wherein a wavelength-dependent filter is used only in one beam path.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nur einen Kanal zu verwenden und zwei sequentielle Messungen mit und ohne bzw. mit zwei verschiedenen wellenlängen-abhängigen Filter durchzuführen, die allerdings in so schneller Folge durchgeführt werden, dass quasi von einer Einschuss-Messung gesprochen werden kann (Gesamtmessung < 100ms).Another possibility is to use only one channel and to carry out two sequential measurements with and without or with two different wavelength-dependent filters, which, however, are carried out in such a rapid sequence that quasi a shot measurement can be spoken (total measurement <100ms).

Auch möglich ist die Verwendung eines Filters in der Anregung, so dass bei gleicher Lichtquelle alternierend mit und ohne Filter gemessen wird.Also possible is the use of a filter in the excitation, so that is measured with the same light source alternately with and without filter.

Ein weiterer Spezialfall ist die Verwendung zweier spektral zueinander versetzter Bandpassfilter in Anregung und/oder Detektion. In der Detektion ist auch hier neben einer sequentiellen Anordnung eine parallele Anordnung möglich. Ein Beispiel für die parallele Anordnung ist die Verwendung einer Farbkamera mit Bayer-Pattern mit Auswahl von jeweils zwei Farbkanälen.Another special case is the use of two spectrally offset bandpass filters in excitation and / or detection. In the detection, a parallel arrangement is also possible here in addition to a sequential arrangement. An example of the parallel arrangement is the use of a Bayer pattern color camera with two color channels each.

Ein weiterer Spezialfall ist beispielsweise die Verwendung von zwei Detektionskanälen und einem dichroitischen Strahlteiler, so dass T2 = 1 – T1 wird.Another special case is, for example, the use of two detection channels and a dichroic beam splitter such that T 2 = 1 - T 1 .

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.Preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS.

Es zeigen:Show it:

1: ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Weitfeldmikroskops; 1 a first preferred embodiment of a wide field microscope according to the invention;

2: eine Ausgestaltungsvariante mit parallelen Detektoren; 2 : an embodiment variant with parallel detectors;

3: eine Ausgestaltungsvariante mit parallelen Detektoren und Filtern im Detektionsstrahlengang; 3 : an embodiment variant with parallel detectors and filters in the detection beam path;

4: eine Ausgestaltungsvariante mit einem Schaltelement im Detektionsstrahlengang; 4 an embodiment variant with a switching element in the detection beam path;

5: eine Ausgestaltungsvariante mit einem Chip-Splitter-Detektor; 5 an embodiment variant with a chip splitter detector;

6: ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroskops; 6 a second preferred embodiment of a microscope according to the invention;

7: ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroskops; 7 a third preferred embodiment of a microscope according to the invention;

8: eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des Beleuchtungsstrahlenganges mit einem Schaltelement; 8th : An advantageous embodiment variant of the illumination beam path with a switching element;

9: eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des Beleuchtungsstrahlenganges mit zwei gleichen Beleuchtungslichtquellen; 9 : An advantageous embodiment variant of the illumination beam path with two identical illumination light sources;

10: eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des Beleuchtungsstrahlenganges mit zwei spektral verschiedenen Beleuchtungslichtquellen. 10 : An advantageous embodiment variant of the illumination beam path with two spectrally different illumination light sources.

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung gelten gleiche Bezugsziffern für gleiche Elemente. Deren Funktionsbeschreibungen gelten auch in den Figuren bzw. Ausführungsformen, in denen sie nicht ausdrücklich erwähnt sind.In the following description of the figures, the same reference numbers apply to the same elements. Their functional descriptions also apply in the figures or embodiments in which they are not expressly mentioned.

1 zeigt eine erste bevorzugtes Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Weitfeldmikroskops. Eine polychromatische Beleuchtungsquelle 1 (z. Bsp. Breitband-Laser, Halogenlampe, Superlumineszenz-Diode, ...), bei der in dieser Ausführungsform verschiedene spektrale Verteilungen durch ein Selektionselement 2 selektierbar sind. Dieses Selektionselement 2 kann beispielsweise ein AOTF (Acousto-optical Tunable Filter), ein Prisma, ein Gitter oder auch eine Filterselektionseinheit sein. Das Beleuchtungslicht kann dann durch eine Ablenkeinheit 3 in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden. Die Ablenkeinheit 3 stellt beispielsweise einen schnell schaltbaren Spiegel (z.B. Galvo-Spiegel), einen AOD (Acousto-optical deflector) oder eine auf Polarisationsdrehung basierende Schalteinheit dar. 1 shows a first preferred embodiment of a wide field microscope according to the invention. A polychromatic illumination source 1 (For example, broadband laser, halogen lamp, super luminescence diode, ...), in this embodiment, different spectral distributions by a selection element 2 are selectable. This selection element 2 For example, it may be an AOTF (Acousto-Optical Tunable Filter), a prism, a grid, or a filter selection unit. The illumination light can then pass through a deflection unit 3 be diverted in different directions. The deflection unit 3 represents, for example, a fast-switching mirror (eg galvo mirror), an AOD (Acousto-optical deflector) or a polarization rotation based switching unit.

Ein strukturiertes Element 4 ist in einer Ebene A konjugiert zu einer Probenebene P angeordnet. Im einfachsten Fall stellt das strukturierte Element 4 eine transmittive 1D- oder 2D-Gitterstruktur dar. Die Struktur wird über refraktiv und/oder diffraktiv wirkende Farblängsfehler-induzierende Elemente 6, 7 (Objektiv) in den Probenraum abgebildet, so dass hier eine chromatische Aufspaltung 8 in z-Richtung generiert wird, d.h. der Fokus verschiebt sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge in z-Richtung.A structured element 4 is arranged in a plane A conjugate to a sample plane P. In the simplest case, the structured element represents 4 a transmissive 1D or 2D lattice structure. The structure is via refractive and / or diffractive longitudinal chromatic aberration inducing elements 6 . 7 (Lens) imaged in the sample space, so here is a chromatic splitting 8th in the z direction is generated, ie the focus shifts depending on the wavelength in the z-direction.

Im Beobachtungsstrahlengang sind vorteilhafterweise Lichtleiterfasern 9 angeordnet. Es kann aber in anderen Ausführungsformen hierfür auch eine einfache Freistrahlführung basierend auf Spiegeln verwendet werden. Mit den Lichtleitfasern 9 kann optional eine Polarisationsfilterung vorgenommen werden. In the observation beam path are advantageously optical fiber 9 arranged. However, in other embodiments, a simple free beam guidance based on mirrors can also be used for this purpose. With the optical fibers 9 Optionally, polarization filtering can be performed.

Durch die Ablenkeinheit 3 ist es möglich, das strukturierte Element 4 mit Hilfe je einer Kollimationslinse 11 von zwei Seiten sequentiell zu beleuchten (gestrichelte Darstellung). Dazu ist das strukturierte Element 4 verspiegelt ausgeführt, es können dementsprechend zwei Gitterphasen in den Probenraum bzw. die Probenebene P abgebildet werden. Ist das strukturierte Element 4 nicht verspiegelt, so entfällt die Ablenkeinheit 3 und die gestrichelt dargestellte Optik.Through the deflection unit 3 is it possible the structured element 4 with the help of a collimating lens 11 from two sides to illuminate sequentially (dashed line). This is the structured element 4 executed mirrored, it can be mapped accordingly two grating phases in the sample space or the sample plane P. Is the structured element 4 not mirrored, so eliminates the deflection 3 and the dashed lines shown optics.

Zur Vereinigung des Transmissions- und Reflexions-Strahlengangs wird ein Strahlteiler 12 verwendet. Das Beleuchtungslicht wird dann durch einen Strahlteiler 13 weiter zu einer im Probenraum P positionierten Probe 14 geführt, wobei der Strahlteiler 13 vorteilhafterweise als Polarisationsstrahlteiler ausgeführt ist. Es kann nämlich weiterhin eine Lambda/4-Platte 16 im Strahlengang angeordnet sein, so dass das zur Probe 14 gehende Beleuchtungslicht und von der Probe 14 reflektierte oder emittierte zu detektierende Probenlicht eine um 90° zueinander verdrehte Polarisation aufweisen und so am Strahlteiler 13 gut voneinander abgetrennt werden können. To combine the transmission and reflection beam path is a beam splitter 12 used. The illumination light is then passed through a beam splitter 13 to a sample positioned in the sample space P 14 led, wherein the beam splitter 13 is advantageously designed as a polarization beam splitter. It can still continue a lambda / 4-plate 16 be arranged in the beam path, so that the sample 14 going illumination light and from the sample 14 reflected or emitted to be detected sample light having a 90 ° to each other twisted polarization and so on the beam splitter 13 can be separated well from each other.

Weiterhin ist es mit einer solchen Konfiguration möglich, störende Reflexionen, die von den optischen Elementen einer Detektionseinheit 17 und nicht von der Probe 14 herrühren, zu unterdrücken. Hierzu kann weiterhin vor der Detektoreinheit 17 ein Polarisationsfilter 18 angeordnet sein. Die Detektionseinheit 17 kann eine einfache Kamera mit entsprechender Abbildungsoptik sein, wenn die spektralen Verteilungen über das Selektionselement 2 allein in der Beleuchtung bzw. Anregung gewählt werden. Zusätzlich oder stattdessen ist auch eine der Ausführungsvarianten gemäß der 2 bis 5 möglich.Furthermore, it is possible with such a configuration, disturbing reflections from the optical elements of a detection unit 17 and not from the sample 14 stem, suppress. For this purpose, further in front of the detector unit 17 a polarizing filter 18 be arranged. The detection unit 17 can be a simple camera with appropriate imaging optics, if the spectral distributions on the selection element 2 be chosen alone in the lighting or stimulation. Additionally or alternatively, one of the embodiments according to the 2 to 5 possible.

2 beschreibt beispielsweise eine Anordnung, in welcher das Probenlicht zunächst durch einen Farbteiler 19 geführt wird, so dass zwei Detektionskanäle bedient werden, die jeweils eine Abbildungsoptik 21 und eine Kamera 22 umfassen. 2 describes, for example, an arrangement in which the sample light is first passed through a color splitter 19 is guided, so that two detection channels are served, each having an imaging optics 21 and a camera 22 include.

Im Wesentlichen entspricht diese Anordnung dem oben beschriebenen Spezialfall mit T2 = 1 – T1.In essence, this arrangement corresponds to the special case described above with T2 = 1 - T1.

In 3 ist im Vergleich zu 2 der Farbteiler durch einen Strahlteiler 23 ersetzt, der zunächst keine wellenlängen-abhängige Filterung bewirkt. Diese kommt allerdings in Kanal I durch einen Filter 24 zustande. Optional kann auch in Kanal II ein Filter 26 angeordnet sein (T2 wäre dann nicht konstant; gibt es keinen Filter 26, so wäre T2 konstant).In 3 is compared to 2 the color divider through a beam splitter 23 replaced, which initially causes no wavelength-dependent filtering. However, this comes in channel I through a filter 24 conditions. Optionally, also in channel II a filter 26 be arranged (T2 would not be constant then there is no filter 26 , T2 would be constant).

Mit 4 wird die weiter oben bereits beschriebene sequentielle Detektion abgebildet. Ein Schaltelement 27 dient dem sequentiellen Schalten von Filterunktionen. Das Schaltelement 27 kann dabei z.B. ein schnelles Filterrad oder ein AOTF oder eine geeignete Strahlteileranordnung mit Schaltspiegelanordnung sein.With 4 the sequential detection already described above is mapped. A switching element 27 serves the sequential switching of filter functions. The switching element 27 can be eg a fast filter wheel or an AOTF or a suitable beam splitter arrangement with switching mirror arrangement.

Eine spezielle Anordnung, die ähnlich wie die in 2 oder 3 beschriebenen Anordnungen funktioniert, ist in 5 gezeigt. Hier kommt ein sogenannter Chip-Splitter 28 zum Einsatz, wie er beispielsweise von der Firma Optosplit angeboten wird, d.h. es wird ein und derselbe Kamerachip der Kamera 22 für die zwei Messvorgänge genutzt, die somit auch parallel ablaufen können.A special arrangement similar to the one in 2 or 3 works described in is 5 shown. Here comes a so-called chip splitter 28 used, as it is offered for example by the company Optosplit, ie it is one and the same Kamerachip the camera 22 used for the two measuring processes, which can thus also run in parallel.

Es ist somit mit einer Vorrichtung gemäß der zuvor beschriebenen Figuren zunächst möglich, unterschiedliche Gitterphasen bzw. Strukturen auf die Probe abzubilden und zu detektieren, und es kann auf diese Weise wie bei den gängigen Verfahren der strukturierten Beleuchtung ein „optisches Schnittbild“ erstellt werden, welches für ein gegebenes Pixel in xy nur dann ein signifikantes Signal aufweist, wenn die Probenoberfläche an dieser Stelle im Fokus ist. In der Regel lässt sich hier stets eine Wellenlänge finden, für die dieser Fall gegeben ist, sofern die Oberflächentopographie in ihrer Höhendynamik nicht wesentlich über den mit der chromatisch Ablage verknüpften Messbereich hinaus geht. It is thus initially possible with a device according to the figures described above to image and detect different grating phases or structures on the sample, and it is thus possible to produce an "optical cross-sectional image" as in the conventional structured illumination methods for a given pixel in xy only has a significant signal if the sample surface is in focus at that location. As a rule, one can always find a wavelength for which this case is given, provided that the surface topography in its height dynamics does not significantly exceed the measuring range associated with the chromatic deposition.

Die Auswertung der Bilddaten erfolgt dahingehend, dass für jedes Pixel diejenige Wellenlänge ermittelt wird, bei der das optische Schnittbildsignal maximal wird. Hieraus kann dann direkt auf die Funktion z(x, y) bzw. die Oberflächentopographie geschlossen werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Auswertung der Filterfunktion wie oben beschrieben, wobei im einfachsten Fall die Intensitätsverhältnisse aus den mindestens zwei Messvorgängen ausgewertet werden und hieraus direkt auf die Wellenlänge geschlossen wird. Selbstverständlich sind hierbei Mehrfachmessungen sinnvoll, um ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Sinnvoll kann es darüber hinaus auch sein, die Mehrfachmessungen bei unterschiedlichen Absolut-Höhen durch ein Verschieben der Probe relativ zum Sensor durchzuführen. Dies ist dann vorteilhaft, wenn die Probe stark gefärbt ist und in unterschiedlichen Spektralbereichen ein unterschiedlichen Reflexionsverhalten zeigt.The evaluation of the image data takes place in such a way that the wavelength at which the optical sectional image signal becomes maximum is determined for each pixel. From this, the function z (x, y) or the surface topography can be directly deduced. This is done, for example, by evaluating the filter function as described above, wherein in the simplest case the intensity ratios are evaluated from the at least two measurement processes and from this is directly deduced to the wavelength. Of course, multiple measurements are useful here in order to obtain a better signal-to-noise ratio. In addition, it can also be useful to carry out the multiple measurements at different absolute heights by moving the sample relative to the sensor. This is advantageous if the sample is strongly colored and shows a different reflection behavior in different spectral ranges.

In Abhängigkeit von der Probe ist ebenfalls ein HDR-Imaging beispielsweise durch Mehrfachmessungen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten sinnvoll, damit das Rauschen für jedes Pixel im wesentlichen Shot-Noise limitiert ist. Mitunter reicht eine Kalibrierung unabhängig von der Funktion g sowie der Funktion P nicht aus, so dass diese beiden Funktionen als Geräte-Eigenschaften noch mit hinzugezogen werden müssen. Die Wellenlänge wird dann unter Umständen nicht direkt, sondern unter Anwendung eines iterativen Verfahrens bestimmt. Depending on the sample, HDR imaging, for example, by multiple measurements with different exposure times is also useful, so that the noise for each pixel is essentially shot-noise limited. Occasionally, a calibration is not sufficient regardless of the function g and the function P, so that these two functions as device properties still have to be involved. The wavelength may then be determined not directly, but using an iterative method.

Ist die Oberflächentopographie so beschaffen, dass ihre Höhendynamik den mit der chromatisch Ablage verknüpften Messbereich übersteigt, so ist gegebenenfalls ein z-Stitching erforderlich, bei welchem gleichartige Messungen bei verschiedenen Abständen zwischen Sensor und Probe durchgeführt werden und anschließend miteinander verknüpft werden. If the surface topography is such that its height dynamic exceeds the measurement range associated with chromatic storage, z-stitching may be required where similar measurements are made at different distances between the sensor and the sample and then linked together.

Die Filterfunktionen sind sinnvollerweise so an die chromatische Farbablage angepasst, dass über den gesamten Wellenlängenbereich eine ähnlich sensitive Höhenbestimmung möglich ist.The filter functions are usefully adapted to the chromatic color storage so that a similar sensitive height determination is possible over the entire wavelength range.

Mitunter kann es zweckmäßig sein, eine Filterfunktion sowohl in der Beleuchtung als auch in der Detektion anzuwenden sowie mehrere Messungen mit unterschiedlichen Filterfunktionen durchzuführen, um eine bessere Sensitivität hinsichtlich der Höhenbestimmung zu erreichen.Sometimes it may be useful to apply a filter function in both lighting and detection, as well as to perform multiple measurements with different filter functions to achieve better sensitivity in terms of altitude determination.

Mit Hinblick auf 1 kann das Schalten unterschiedlicher Gitterphasen auch durch ein einfaches Umschalten von Strahlengängen realisiert werden, wozu beispielsweise ein elektrooptischer Modulator (EOM) oder ein akustooptischer Modulator (AOD) zum Einsatz kommen kann. Im gezeigten Fall ergibt sich dabei beispielsweise eine phasenverschobene Abbildung des strukturierten Elementes 4 in Transmission und Reflexion. Es sind darüber hinaus auch Anordnungen denkbar, wo beispielsweise ein EOM oder ein AOD oder auch ein Galvo-Spiegel ein schnelles Gitterschalten durch eine direkte Modulation in der Pupillenebene des Objektivs 7 bewirkt. Ein Gitter ist hier gemäß der Fouriertransformation im Wesentlichen als Punktmuster dargestellt, welches den einzelnen Beugungsordnungen des Gitters entspricht. Durch eine Winkelmodulation wäre es beispielsweise möglich, schnell zwischen unterschiedlichen Gitterlagen zu schalten.With regard to 1 the switching of different grating phases can also be realized by a simple switching of optical paths, for which purpose, for example, an electro-optical modulator (EOM) or an acousto-optic modulator (AOD) can be used. In the case shown here results, for example, a phase-shifted mapping of the structured element 4 in transmission and reflection. Arrangements are also conceivable, for example, where, for example, an EOM or an AOD or even a galvo mirror a fast grid switching by a direct modulation in the pupil plane of the lens 7 causes. A grating is represented here in accordance with the Fourier transformation substantially as a dot pattern, which corresponds to the individual diffraction orders of the grating. By means of an angle modulation, it would be possible, for example, to switch quickly between different grid positions.

In einer anderen Variante wird das strukturierte Element 4, das auch durch eine 2D-Lochblenden-Anordnung gebildet sein kann, auf verschiedene Positionen bewegt, und es werden mit der Detektoreinheit 17 entsprechende Bilder aufgenommen, wobei hier aber nur jeweils ein Lichtkanal der Beleuchtung verwendet wird. Die Detektoreinheit 17 kann gleichsam als digitales PH-verwendet werden, so dass ein echt konfokales Bild durch Verrechnen und Zusammensetzen der bei den einzelnen Positionen aufgenommenen Bilder erhalten wird. In another variant, the structured element 4 , which can also be formed by a 2D pinhole arrangement, moved to different positions, and it is with the detector unit 17 taken corresponding images, but here only one light channel of the illumination is used. The detector unit 17 can be used as a digital PH, so that a truly confocal image is obtained by calculating and composing the images taken at each position.

Die Auswertung hinsichtlich der Wellenlänge erfolgt wie oben beschrieben.The evaluation with regard to the wavelength takes place as described above.

In einer weiteren Variante entfällt die Struktur 4 komplett und es wird jeweils nur für jeden lokalen Bildbereich eine Schärfefunktion über die Wellenlänge ermittelt. Dies entspricht dem Prinzip der Fokusvariation, wie sie beispielsweise in M. Rahlves, J. Seewig, „Optisches Messen technischer Oberflächen“, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2009 , beschrieben ist. Bei hinreichend strukturierten Proben reicht auch dies aus, um Höheninformationen zu erhalten. In another variant, the structure is eliminated 4 completely and it is only determined for each local image area a sharpness function on the wavelength. This corresponds to the principle of focus variation, such as in M. Rahlves, J. Seewig, "Optical Measurement of Technical Surfaces", Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2009 , is described. With sufficiently structured samples, this is sufficient to obtain height information.

Ähnlich gestaltet sich ein Aufbau, der nach dem Prinzip des HiLo-Verfahrens funktioniert. Das strukturierte Element 4 kann hier auch ein Element zu gezielten Einführung eines Speckle-Patterns darstellen, welches komplett aus dem Strahlengang entfernt werden kann.Similarly, a structure that works on the principle of HiLo method designed. The structured element 4 can also be an element for specific introduction of a speckle pattern, which can be completely removed from the beam path.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein chromatisches Weitfeldmikroskop, welches der Kombination des Apertur-Korrelationsprinzips mit der chromatisch konfokalen Technologie entspricht. In einer Zwischenbildebene Z ist hier eine rotierbare Scheibe 31 mit einer verspiegelten Struktur 32 angeordnet. Das von der Probe 14 zurückreflektierte oder emittierte Probenlicht (Detektionsstrahlengang) wird im dargestellten Beispiel in zwei Kamera-Kanälen detektiert, wobei ein erster Detektor 33 das durch die Scheibe 31 transmittierte Probenlicht (konfokale Anteile) und ein zweiter Detektor 34 das ab der verspiegelten Struktur 32 reflektierte Probenlicht (Weitfeld-Bild mit außerfokalen Anteilen) erfassen. Optional können auch hier Polarisationsfilter 18 im Detektionsstrahlengang angeordnet sein. 6 shows another embodiment of a wide-field chromatic microscope, which corresponds to the combination of the aperture correlation principle with the chromatic confocal technology. In an intermediate image plane Z here is a rotatable disc 31 with a mirrored structure 32 arranged. That from the sample 14 sample light reflected back or emitted (detection beam path) is detected in the example shown in two camera channels, wherein a first detector 33 that through the glass 31 transmitted sample light (confocal portions) and a second detector 34 from the mirrored structure 32 detect reflected sample light (wide-field image with off-focus portions). Optionally, polarization filters can also be used here 18 be arranged in the detection beam path.

Aus den beiden Bildern der Detektoren 33, 34 kann in Abhängigkeit von der Wellenlänge sowohl ein Weitfeld-Bild als auch ein konfokales Bild errechnet werden. Wiederum ergibt sich aus der Intensität als Funktion der Wellenlänge die gesuchte Höheninformation für jedes Detektionspixel. Natürlich lässt sich die erhaltene Farbaufnahme auch direkt dazu nutzen, ein Farbbild mit erweiterter Schärfentiefen-Information darzustellen. Ebenso sind auch Aufbauten möglich, bei denen die beiden Kanäle auf nur einem Kamera-Chip angeordnet sind.From the two pictures of the detectors 33 . 34 Depending on the wavelength, both a wide-field image and a confocal image can be calculated. Again, the intensity information as a function of the wavelength yields the sought height information for each detection pixel. Of course, the resulting color image can also be used directly to represent a color image with extended depth of field information. Likewise, structures are possible in which the two channels are arranged on only one camera chip.

In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchen beispielsweise ein Lochblenden-Array 41 bzw. eine Nipkow-Scheibe zum Einsatz kommt. Eine Erfassung der gesamten Probenoberfläche wird durch eine Bewegung (Rotation, Verschiebung) des Lochblenden-Arrays 41 und/oder eine optionale Scannereinheit 42 erreicht. Ist das Lochblenden-Array 41 eine Nipkow-Scheibe und als solche mit strukturierten und unstrukturierten Sektoren ausgeführt, so stellt diese Ausführungsform auch einen Sonderfall der Apertur-Korrelation dar, bei welchem die Konfokalitätsauswertung durch Verrechnung von sequentiell oder parallel aufgenommenen strukturiert und nicht-strukturiert beleuchteten Bildern erfolgt.In 7 a further embodiment is shown in which, for example, a pinhole array 41 or a Nipkow disc is used. A detection of the entire sample surface is achieved by a movement (rotation, displacement) of the pinhole array 41 and / or one optional scanner unit 42 reached. Is the pinhole array 41 a Nipkow disk and as such with structured and unstructured sectors, this embodiment also represents a special case of the aperture correlation, in which the confocality evaluation takes place by offsetting sequentially or parallel recorded structured and non-structured illuminated images.

Ein Interferometerelement 43 ist optional zur Steigerung der Messgenauigkeit vorgesehen. Dieses kann auch in allen anderen Ausführungsformen vorhanden sein.An interferometer element 43 is optional for increasing the measuring accuracy. This may also be present in all other embodiments.

8 bis 10 zeigen mögliche Ausgestaltungsvarianten zum Einsatz von Filterfunktionen bzw. unterschiedlichen spektralen Verteilungen im Beleuchtungsstrahlengang. 8th to 10 show possible design variants for the use of filter functions or different spectral distributions in the illumination beam path.

So zeigt 8 die polychromatischen Lichtquelle 1, deren Licht mit einem schnellen Schaltelement 44 in unterschiedliche Kanäle geleitet werden kann, was wiederum in Analogie zum oben besprochenen den zwei Messvorgängen gleich kommt. In beiden Kanälen können nun unterschiedliche Filter 46 und 47 angeordnet sein. Im Prinzip reicht auch nur einer der beiden Filter 46, 47. In jedem Fall findet eine Strahlvereinigung am Strahlvereinigerelement 48 statt, wobei dieses in einer geschickten Variante auch polarisationssensitiv z.B. als Polarisationsstrahlteiler gestaltet sein kann. Wird statt des Strahlvereinigerelementes 48 ein Farbteiler eingesetzt, so kann auf die Filter 46, 47 ggf. verzichtet werden, was in der Gesamtwirkung dem anhand von 2 beschriebenen Fall in sequentieller Ausführung entspricht.So shows 8th the polychromatic light source 1 whose light comes with a fast switching element 44 can be routed into different channels, which in turn, in analogy to the above discussed equal to the two measurement processes. Both channels now have different filters 46 and 47 be arranged. In principle, only one of the two filters is sufficient 46 . 47 , In any case, a beam combination takes place at the beam combiner element 48 instead, this can be designed in a clever variant polarization-sensitive, for example, as a polarization beam splitter. Will instead of Strahlvereinigerelementes 48 a color divider can be used on the filters 46 . 47 be omitted if necessary, which in the overall effect of the basis of 2 described case in sequential execution corresponds.

9 zeigt eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung, bei der zwei gleichartige Lichtquellen 1 mit jeweils nachgeschalteten Filtern 46, 47 verwendet werden, die schnell hintereinander geschaltet werden. 9 shows an embodiment variant of the invention, in which two similar light sources 1 each with downstream filters 46 . 47 used, which are switched quickly in a row.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungvariante gibt 10 wieder. Hier werden zwei unterschiedliche Beleuchtungsquellen 51 und 52 eingesetzt, die sich hinsichtlich ihrer spektralen Charakteristik unterscheiden. Das Strahlvereinigungselement 53 ist nunmehr als reiner Strahlvereiniger ausgeführt. Die spektralen Charakteristiken ergeben bereits die gewünschten Filterfunktionen. Beispielsweise können die Spektren der Beleuchtungsquellen 51, 52 leicht zueinander verschoben und gaussförmig sein. Aus dem Intensitätsverhältnis der beiden mit jeweils einer der Beleuchtungsquellen 51, 52 gekoppelten Messvorgänge ist dann sofort die Wellenlänge ableitbar.A further advantageous embodiment variant is 10 again. Here are two different sources of illumination 51 and 52 used, which differ in terms of their spectral characteristics. The beam combining element 53 is now designed as a pure Strahlvereiniger. The spectral characteristics already yield the desired filter functions. For example, the spectra of the illumination sources 51 . 52 be slightly shifted to each other and gaussförmig. From the intensity ratio of the two with each one of the illumination sources 51 . 52 Coupled measuring processes, then the wavelength can be derived immediately.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101
Beleuchtungsquelle lighting source
0202
Selektionselement selection element
0303
Ablenkeinheit Deflector
0404
strukturiertes Element structured element
0505
0606
Farblängsfehler-induzierendes Element Color longitudinal error inducing element
0707
Objektiv lens
0808
chromatische Aufspaltung chromatic decomposition
0909
Lichtleitfaser optical fiber
1010
1111
Kollimationslinse collimating lens
1212
Strahlteiler beamsplitter
1313
Strahlteiler beamsplitter
1414
Probe sample
1515
1616
λ/4-Platte λ / 4 plate
1717
Detektoreinheit detector unit
1818
Polarisationsfilter polarizing filter
1919
Farbteiler color splitter
2020
2121
Abbildungsoptik imaging optics
2222
Kamera camera
2323
Strahlteiler beamsplitter
2424
Filter filter
2525
2626
Filter filter
2727
Schaltelement switching element
2828
Chip-Splitter Chip Splitter
2929
3030
3131
Scheibe disc
3232
verspiegelte Struktur mirrored structure
3333
erste Detektoreinheit first detector unit
3434
zweite Detektoreinheit second detector unit
3535
4141
Lochblenden-Array Pinhole array
4242
Scannereinheit scanner unit
4343
Interferometer interferometer
4444
Schaltelement switching element
4545
4646
Filter filter
4747
Filter filter
4848
Strahlvereinigungselement Beam combining element
4949
5050
5151
Beleuchtungsquelle lighting source
5252
Beleuchtungsquelle lighting source
5353
Strahlvereinigungselement Beam combining element
A, ZA, Z
Feldebene field level

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007018048 A1 [0008] DE 102007018048 A1 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Kim et al beschreiben in „Chromatic confocal microscopy with a novel wavelength detection method using transmittance“, OPTICS EXPRESS 6286, Vol. 21, No. 5 [0006] Kim et al. Describe in "Chromatic confocal microscopy with a novel wavelength detection method using transmittance", OPTICS EXPRESS 6286, Vol. 21, no. 5 [0006]
  • M. Rahlves, J. Seewig, „Optisches Messen technischer Oberflächen“, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2009 [0065] M. Rahlves, J. Seewig, "Optical Measurement of Technical Surfaces", Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2009 [0065]

Claims (12)

Verfahren zum Ermitteln einer ortsaufgelösten Höheninformation einer Probe (14) mit einem Weitfeldmikroskop, folgende Schritte umfassend: – Beleuchten der Probe (14) mit einer breitbandigen Beleuchtungsquelle (1) in einem Beleuchtungsstrahlengang; – chromatische Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges oder eines Detektionsstrahlenganges; – Erfassen mindestens eines Weitfeldbildes aus von der Probe in dem Detektionsstrahlengang reflektierten oder emittierten Probenlichtes mit chromatisch konfokalen Anteilen; – Pixelweises Ermitteln von Höheninformationen der Probe aus dem Weitfeldbild durch Auswerten chromatisch konfokaler Anteile des Detektionsstrahlenganges in Abhängigkeit von der chromatischen Modulation.Method for determining a spatially resolved height information of a sample ( 14 ) with a wide field microscope, comprising the following steps: illuminating the sample ( 14 ) with a broadband illumination source ( 1 ) in a illumination beam path; - Chromatic modulation of the illumination beam path or a detection beam path; Detecting at least one wide-field image of sample light with chromatic confocal components reflected or emitted by the sample in the detection beam path; Pixel-wise determination of height information of the sample from the wide-field image by evaluating chromatically confocal components of the detection beam path as a function of the chromatic modulation. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin folgende Schritte umfassend: – Erfassen eines ersten Bildes mit einer ersten chromatischen Modulationseinstellung; – Erfassen eines zweiten Bildes mit einer zweiten chromatischen Modulationseinstellung zeitgleich oder zeitversetzt zur Erfassung des ersten Bildes; – Ermitteln eines Verhältnisses der Intensitätssignale der beiden Bilder für jeden Bildpunkt; – Bestimmen eines Höhenwertes z(x, y) der Probe (14) für jeden Bildpunkt. The method of claim 1, further comprising the steps of: - acquiring a first image having a first chromatic modulation setting; Capturing a second image with a second chromatic modulation setting at the same time or with a time delay for capturing the first image; Determining a ratio of the intensity signals of the two images for each pixel; Determining a height value z (x, y) of the sample ( 14 ) for each pixel. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätssignal definiert ist durch Ii(x, y, z) = ∫dλ'P(x, y, λ')R(x, y, λ')Ti(x, y, λ')gλ[z(x,y)](λ[z(x, y)] – λ'), wobei: P(x, y, λ') eine spektrale Charakteristik der Lichtquelle und des Geräts; R(x, y, λ') eine spektrale Reflektivität der Probe; Ti(x, y, λ') die chromatische Modulation; gλmaxmax – λ) eine spektrale Geräte-Response-Funktion mit λmax als Parameter; λmax = λ[z(x, y)] eine maximal reflektierte Wellenlänge an einer Stelle x, y entsprechend einer Höhenfunktion; und z(x, y) die Höhenfunktion der Probe darstellt.A method according to claim 2, characterized in that the intensity signal is defined by I i (x, y, z) = ∫ dλ'P (x, y, λ ') R (x, y, λ') T i (x, y, λ ') g λ [z (x, y) ] (λ [z (x, y)] - λ '), where: P (x, y, λ ') is a spectral characteristic of the light source and the device; R (x, y, λ ') has a spectral reflectivity of the sample; T i (x, y, λ ') the chromatic modulation; g λmaxmax - λ) a spectral device response function with λ max as a parameter; λ max = λ [z (x, y)] a maximum reflected wavelength at a location x, y corresponding to an altitude function; and z (x, y) represents the height function of the sample. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnisses der Intensitätssignale der beiden Bilder für jeden Bildpunkt nach der Vorschrift
Figure DE102015210016A1_0003
gebildet wird.
A method according to claim 2 or 3, characterized in that the ratio of the intensity signals of the two images for each pixel according to the rule
Figure DE102015210016A1_0003
is formed.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die chromatische Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges durch eine sequentielle Schaltung eines Filters in den Beleuchtungsstrahlengang oder in den Beobachtungsstrahlengang erfolgt.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the chromatic modulation of the illumination beam path is effected by a sequential circuit of a filter in the illumination beam path or in the observation beam path . Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen eines ersten Weitfeldbildes und eines zweiten Weitfeldbildes in zwei separaten Detektionskanälen erfolgt. Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that the detection of a first wide field image and a second wide field image in two separate detection channels. Weitfeldmikroskop umfassend – eine Beleuchtungsquelle (1, 52, 53), die in einem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist; – eine erste Detektoreinheit (17, 33) zur Erfassung eines Weitfeldbildes in einem Beobachtungsstrahlengang einer in einer Probenebene (P) beleuchteten Probe (14); – einen Modulator zur chromatischen Modulation des Beleuchtungsstrahlenganges oder des Beobachtungsstrahlenganges in einer Richtung senkrecht zur Probenebene (P); – eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer chromatisch konfokalen Höheninformation in jedem Bildpunkt des WeitfeldbildesWide field microscope comprising - a source of illumination ( 1 . 52 . 53 ) disposed in an illumination beam path; A first detector unit ( 17 . 33 ) for detecting a wide-field image in an observation beam path of a sample illuminated in a sample plane (P) ( 14 ); - A modulator for chromatic modulation of the illumination beam path or the observation beam path in a direction perpendicular to the sample plane (P); - An evaluation unit for determining a chromatically confocal height information in each pixel of the wide field image Weitfeldmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen zweiten Detektor umfasst, der gleichartig zum ersten Detektor ist.Wide field microscope according to claim 7, characterized in that it comprises a second detector, which is similar to the first detector. Weifeldmikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Detektor ein Strahlteiler angeordnet ist und in einem der Beobachtungsstrahlengänge als Modulator ein wellenlängeabhängiger Filter angeordnet ist.Weifeldmikroskop according to claim 8, characterized in that between the first and the second detector, a beam splitter is arranged and in one of the observation beam paths as a modulator, a wavelength-dependent filter is arranged. Weifeldmikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor im Beobachtungsstrahlengang einer Einrichtung zur Erfassung chromatisch konfokaler Anteile nachgeordnet angeordnet ist und der zweite Detektor zur Erfassung außerfokaler Anteile im Beobachtungsstrahlengang angeordnet ist.Weifeldmikroskop according to claim 8, characterized in that the first detector in the observation beam path of a device for detecting chromatic confocal components is arranged downstream and the second detector for detecting non-focal components in the observation beam path is arranged. Weitfeldmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist. Wide field microscope according to claim 7, characterized in that a switching element is arranged in the illumination beam path . Weitfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der chromatische Modulator ein Filter ist.Wide field microscope according to one of claims 1 to 11, characterized in that the chromatic modulator is a filter.
DE102015210016.2A 2015-06-01 2015-06-01 Method for determining a spatially resolved height information of a sample with a wide field microscope and a wide field microscope Pending DE102015210016A1 (en)

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