DE4035799C2

DE4035799C2 - Device for three-dimensional optical examination of an object

Info

Publication number: DE4035799C2
Application number: DE19904035799
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Knupfer; Eberhard Derndinger; Rudolf Dr Groskopf
Original assignee: Groskopf Rudolf Dr Ing
Current assignee: GROSSKOPF, RUDOLF, DR.-ING., 89551 KOENIGSBRONN, D
Priority date: 1990-11-10
Filing date: 1990-11-10
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2010-11-11
Also published as: DE4035799A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a device for three-dimensional optical examination of a Object according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Vorrichtung mit Verwendung eines CCD-Empfängers und eines zweidimensionalen Arrays von Löchern in einer beleuchteten Schicht ist für ein Scanning-Mikroskop aus der US 4 806 004 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.Such a device using a CCD receiver and a two-dimensional array of holes in an illuminated layer is known for a scanning microscope from US 4 806 004. However, it only states that the object observes in different layer levels can be. Above all, the aperture effect of the CCD receiver is not used there, d. H. the fact that it consists of grid-like photosensitive areas, whose dimensions are considerably smaller than their distances from one another.

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 Löcher-Array 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 Videokamera mit einem CCD-Empfänger angegeben, deren Bilder gespeichert und ausgewertet werden können.In the above-mentioned US patent, the confocal beam path is rather only one Incident light microscope realized, in which the rays going to the object through go through the same hole array as the beams reflected from the object. Therefore, it is necessary, through an optical element called an eyepiece, the hole array in one plane map in which it is observed or recorded. For the latter case, among other things specified a video camera with a CCD receiver, whose images are saved and can be 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 the present invention, however, a CCD receiver is always used and its im exploited general disadvantageous property that only a small proportion of the recipient area consists of light-sensitive areas.

In der DD 2 73 122 ist ein Lichtrastermikroskop beschrieben, bei dem zwar eine Blende mit lichtempfindlichen Schichten versehen ist, so daß die Randbereiche der Blende gleichzeitig auch als Detektor dienen. Diese Blende ist jedoch nicht in einer zur Objektoberfläche konjugierten Ebene angeordnet, d. h. die Fokusebene wird nicht in die Blendenebene abgebildet. Die Blende und damit die auf der Blende aufgebrachten Detektoren sind vielmehr entweder auf der dem Objekt zugewandten Seite des Objektivs oder im telezentrischen Strahlengang angeordnet. Eine tiefenselektive Messung wie die Aufzeichnung von Ober flächenprofilen ist daher mit dieser Vorrichtung nicht möglich.DD 2 73 122 describes a light scanning microscope where an aperture with photosensitive Layers is provided so that the edge areas of the diaphragm also serve as a detector. This aperture but is not in a conjugate to the object surface Level arranged, d. H. the focus level is not in the aperture plane is shown. The aperture and thus the on rather, the diaphragm-mounted detectors are either on the side of the lens facing the object or arranged in the telecentric beam path. A depth selective measurement like the recording of upper surface profiles is therefore not with this device possible.

Aus dem Aufsatz in Appl. Phys. Lett. 53 (8), 716 (1988), ist eine Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes bekannt, bei der in einer zur Bildebene eines Mikroskopobjektivs konjugierten Ebene eine rotierende Nipkow-Scheibe angeordnet ist. Sowohl das Beleuchungslicht als auch das am Objekt reflektierte Licht transmittiert durch die kleinen Öffnungen der Nipkow- Scheibe, wodurch das außerhalb der Bildebene des Mikroskopobjektivs reflektierte Licht unterdrückt wird und daher Schnittbilder erzeugt werden. Das System dient jedoch nur zur Erzeugung von Schnittbildern in Echtzeit zur visuellen Beobachtung oder zur photographischen Aufzeichnung.From the essay in Appl. Phys. Lett. 53 (8), 716 (1988), is a device for three-dimensional optical Examination of an object known in which in a Image plane of a microscope objective conjugate plane rotating Nipkow disc is arranged. Both that Illumination light as well as the light reflected on the object transmitted through the small openings of the Nipkow Disc, which is outside the image plane of the Microscope lens reflected light is suppressed and therefore cross-sectional images are generated. However, the system serves only for generating sectional images in real time visual observation or for photographic Recording.

Schließlich ist ein konfokales Scanning-Mikroskop 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. Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, daß die Aufnahme eines Oberflächenprofils relativ viel Zeit erfordert.After all, a confocal scanning microscope is in one Publication of 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 is in one plane of the Object and this level of the object on a so-called point receiver or a pinhole, behind which a receiver is pictured has the property of being very height selective, d. H. Visually separate levels that are only a short distance apart. In the above This property is used to cite a surface profile of a publication Record semiconductor device. For this, the object becomes for each x-y position of the light point moved in the z-direction (direction of the optical axis) and the intensity curve measured. There this has a pronounced maximum when the image of the light spot is exactly on the surface , the height of the surface in the z direction can be determined for each point in the x-y plane and in this way the entire surface profile of the object in succession be included. A disadvantage of this known device is that the recording of a surface profile requires a relatively long time.

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 to provide a device with which surface profiles can be recorded in a relatively short time.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnende Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved according to the invention solved the characteristic combination of features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 15 aufgezeigt. Advantageous embodiments are shown in subclaims 2 to 15.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß die Aufnahme eines Oberflächenprofils infolge des Beleuchtungsrasters nicht nur schnell 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.The invention Solution has the advantage that the inclusion of a surface profile due to the Illumination grid not only goes quickly, but that also immediately a height-selective Consideration is possible because the confocal beam path causes the intensity of the individual object locations reflected radiation directly from the heights of the relevant Make the object depends, so that each raster element provides information about the height of the Surface at the location of the object belonging to it and thus the intensity distribution Above the surface, an overview of the height distribution of the object surface gives. In particular, if the object is relative to the beam path in the direction the optical axis is moved very easily the areas with the same height of the surface determine.

Bei Objekten mit reflektierenden Bereichen in oder unter einer transparenten Schicht ergeben sich für die Abhängigkeit der Intensität von der Höhe im Objekt Reflexionsprofile mit einem kleinen Maximum für die Oberfläche der transparenten 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.Objects with reflective areas in or under a transparent layer result for the dependence of the intensity on the height in the object reflection profiles with a small Maximum for the surface of the transparent layer and a large maximum for the reflective area. It is therefore possible with the device according to the invention, not only To investigate surface profiles, but also structures inside or under transparent Layers.

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, the lighting grid through holes in a layer that is illuminated by a light source. To one greater intensity of the illuminated holes - hereinafter also referred to as light points for short - to achieve this, a lens array can be arranged in front of the layer with the holes, which ensures that the radiation from the light source does not illuminate the layer uniformly, but focus on the holes.

Normalerweise werden der CCD-Empfänger und das Beleuchtungsraster 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 Objektstellen, deren reflektierende Flächen genau in der Fokusebene liegen.Usually the CCD receiver and the lighting grid are adjusted to each other so that the light spots imaged in the aperture plane onto the light-sensitive areas of the CCD receiver fall. In this case, intensity maxima arise for through-focusing those object locations whose reflecting surfaces lie exactly in the focal plane.

Es ist jedoch auch möglich, den CCD-Empfänger und das Beleuchtungsraster zueinander so zu justieren, daß die in die Blendenebene abgebildeten Lichtpunkte zwischen die lichtempfindlichen 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 lichtempfindliche Bereiche, kann dieser Effekt noch verstärkt werden. However, it is also possible to connect the CCD receiver and the lighting grid to one another in this way adjust that the light spots shown in the aperture plane between the photosensitive Areas of the CCD receiver fall. In this case, focusing occurs Intensity minima for those object locations whose reflecting surfaces are exactly in the Focus plane. Through special training of the CCD receiver, e.g. B. by relative large light sensitive areas, this effect can be enhanced.

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 on the object and in the The grid shown on the diaphragm plane does not consist of bright points of light, but a bright one Area with a grid arrangement of small dark zones. Such a thing Illumination grid, which, for. B. from a layer illuminated by the light source opaque zones, delivers on a CCD receiver with small light-sensitive areas, on which the dark zones are imaged, likewise Intensity minima for those object locations whose reflecting surfaces are exactly in the Focus plane.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird das Beleuchtungsraster durch ein Linsen- Array erzeugt, welches eine annähernd punktförmige Lichtquelle vielfach, in rasterförmiger Anordnung in die Beleuchtungsebene abbildet.In another advantageous embodiment, the illumination grid is replaced by a lens Generates an array, which is an almost punctiform light source in many cases, in a grid-shaped Mapped arrangement in the lighting level.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Beleuchtungsraster dadurch erzeugt, daß eine von der Lichtquelle 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 lighting grid is generated by that a screen illuminated by the light source in many, in a grid arrangement in the Illumination level is mapped. In this case too, an inverse lighting grid can be used e.g. B. can be realized in that the aperture has an 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 lighting grid is replaced by a Light source array created. This can e.g. B. be composed of individual LEDs or manufactured using integrated technology. In both cases it is particularly advantageous design the arrays and their power supply so that either each individual light source or certain subsets of the light sources switched on and off independently of the others can be.

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. 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 Beleuchtungsraster abgescannt wird. Die Relativbewegung zwischen Lichtpunkten und Objekt kann dabei innerhalb des Abstandes benachbarter Lichtpunkte bleiben oder auch ein Vielfaches davon betragen.To record the height-selective overview images explained above, it is advisable to use a Adjustment device to be provided, which allows the focal plane with the images of the Set light points on different layer levels of the object. To record complete reflection profiles with good resolution it is appropriate to use an adjustment device to be provided, which allows the lighting grid and the object relative to each other in To move planes perpendicular to the optical axis so that the object with the Illumination grid is scanned. The relative movement between points of light and object can remain within the distance between neighboring light points or a multiple of which amount.

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 equipped with a Computer connected, which evaluates the signals of the CCD receiver. It is in this case advantageous, the adjustment devices for the relative movement of light points and object to each other in the direction of the optical axis and / or in the planes of the light spots or Control the object through 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 controls a switching device that different subsets of the light sources of the Turns light source arrays on and off. Here, for. B. the number of switched on Light sources are controlled by the results of the evaluation of the computer, so that in critical areas of an object the amount of 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 Beleuchtungsrasters nur ungefähr gleich oder größer sein als das Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers.When scanning an object, it can be advantageous to use lighting grids and CCD Receiver relative to one another in the illumination plane or in the diaphragm plane through a Adjustment device, which is expediently controlled by the computer. With A powerful computer can move additional information through this shift can be obtained, which enable a more precise evaluation. In this case The grid of the lighting grid should only be approximately equal to or larger than the grid of 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.In order to minimize the depth of field of the confocal image, it is advantageous in place the usual circular telecentric aperture to provide an annular aperture.

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

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 verbessert wird,Wherein the illumination of the holes is improved 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 Beleuchtungsrasters durch vielfache Abbildung einer Lichtquelle mit einem Linsen-Array, Fig. 5 shows an arrangement for generating an illumination grid by multiple imaging of a light source with a lens array,

Fig. 6 eine Anordnung zur Erzeugung eines Beleuchtungsrasters durch vielfache Abbildung einer beleuchteten Blende mit einem Linsen-Array und Fig. 6 shows an arrangement for generating an illumination grid by multiple imaging of an illuminated 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), eventuell über ein Filter (11f) (zur Aussonderung eines ausreichend schmalen Spektralbereiches), Löcher 12l) in einer Schicht (12)s) beleuchtet. Eine derartige Schicht kann in bekannter Weise z. B. aus Chrom auf einer Glasplatte (12g) hergestellt weren. Die Löcher (12l) sind in der Schicht (12s) ebenso rasterförmig angeordnet wie die lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers (17) und 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. denotes a halogen lamp, which is illuminated with the aid of the condenser ( 11 k), possibly via a filter ( 11 f) (for separating out a sufficiently narrow spectral range), holes 12 l) in a layer ( 12 ) s). 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 ) and 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. Zwischen den Linsen (13o, 13u) ist üblicherweise ein 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.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. 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 pitch 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 moving the lenses ( 13 o, 13 u) in the direction of the optical axis ( 10 ), and likewise instead of moving the object in x- and y- Direction also the layer ( 12 s) with the holes ( 12 l) and CCD receiver ( 17 ) are 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.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).

Eine besonders vorteilhafte Realisierung des Beleuchtungsrasters ist in Fig. 3 dargestellt. Dort ist mit (31) ein Lichtquellen-Array bezeichnet, welches z. B. aus Lumineszenzdioden (LEDs) (31l) bestehen kann. Ein derartiges Array mit einer Größe von z. B. 10×10 Dioden läßt sich z. B. aus handelsüblichen Mini-Dioden 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 realization of the lighting grid is shown in FIG. 3. There ( 31 ) denotes a light source array, which, for. B. may consist of luminescent diodes (LEDs) ( 31 l). Such an array with a size of z. B. 10 × 10 diodes z. B. composed of commercially available mini diodes 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 about 1: 5 in the illumination plane ( 11 b) through the lens ( 31 o) so that it has approximately the size of the entire light-sensitive area 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 Beleuchtungsebene (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 illumination 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. It is much more advantageous to use integrated LED arrays for the lighting grid.

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.LED arrays of this type, like the composite 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 Strahlengang zwischen Beleuchtungsebene (11b), Fokusebene (13f) und Blendenebene (17b) ist nur eine spezielle Ausführungsform von mehreren möglichen konfokalen Strahlengängen. 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 Mikroskop verwendet wurde.The confocal beam path shown in FIGS. 1 to 3 between the illumination plane ( 11 b), focus plane ( 13 f) and diaphragm plane ( 17 b) is only a special embodiment of several possible confocal beam paths. In addition, a mapping of the illumination plane ( 11 b) into the focal plane ( 13 f) on a scale of 1: 1 is in no way 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, lichtdurchlässige 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 Abbildungseigenschaften von einer nahezu punktförmigen Lichtquelle (51) ausreichend kleine Lichtpunkte (54) in der Beleuchtungsebene (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 is prepared by sufficiently good imaging properties from a nearly point-like light source (51) sufficiently small light spots (54) in the illumination plane (11 b). 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) beleuchtet. 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 by the light source ( 11 ) via the condenser ( 62 ) and the diffusing screen ( 63 ). 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

1. Device for three-dimensional optical examination of an object,

- With a light source ( 11 ) that illuminates a lighting grid ( 12 l, 31 l, 32 l) attached in an illumination plane ( 11 b),
- With optical elements ( 13 o, 13 u) that the lighting grid ( 12 l, 31 l, 32 l) in a focus plane ( 13 f) at the location of the object to be observed ( 14, 14 s) and the reflected light emitted from there map into a diaphragm plane ( 17 b) arranged confocal to the lighting grid ( 12 l, 31 l, 32 l),
- And with a CCD receiver ( 17 ) with separate, light-sensitive areas, which registers the reflected light transmitted from the optical elements ( 13 o, 13 u) of the object ( 14 ) confocal,

dadurch gekennzeichnet,characterized,

- That the CCD receiver ( 17 ) is arranged in the diaphragm plane ( 17 b)
- And the lighting grid ( 12 l, 31 l, 32 l) is mapped with a grid dimension on the CCD receiver ( 17 ), which corresponds to the grid dimension of the light-sensitive areas of the CCD receiver ( 17 ) or is an integral multiple of this ,
- So that the spaces between the separate, light-sensitive areas of the CCD receiver ( 17 ) cause the confocal arrangement of the CCD receiver.

2. Device according to claim 1, characterized in that the illumination grid consists of holes ( 12 l) which are introduced into an opaque layer ( 12 s) and are illuminated by the light source ( 11 ).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the lighting of the holes ( 12 l) through a lens array ( 22 a) takes place and for this purpose each hole ( 12 l) is assigned its own lens.

4. The device according to claim 1, characterized in that the lighting grid ( 12 l, 31 l, 32 l) is designed as an inverse lighting grid and consists of a transparent layer with compact, opaque areas ( 42 ) illuminated by the light source ( 11 ) whose dimensions are small compared to the translucent areas in between.

5. The device according to claim 4, characterized in that the illumination of the translucent areas is carried out through a lens array ( 22 a) and for this purpose a separate lens is assigned to each opaque area.

6. The device according to claim 1, characterized in that the illumination grid ( 12 l, 31 l, 32 l) is generated by a lens array ( 53 ) which is a pinhole ( 61 ) illuminated by the light source ( 11 ) often in a grid arrangement in depicts the illumination plane ( 11 b).

7. The device according to claim 6, characterized in that the perforated diaphragm ( 61 ) has an opaque center ( 72 ) and is designed as a ring diaphragm.

8. The device according to claim 1, characterized in that the lighting grid ( 12 l, 31 l, 32 l) is designed as a light source array consisting of punctiform light sources.

9. The device according to claim 8, characterized in that the light sources ( 31 l) of the light source array ( 31 ) individually or in subsets can be switched on or off.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the focal plane ( 13 f) on different layer levels ( 14 s) within the object ( 14 ) is adjustable via an adjusting device ( 15 ) and / or the illumination grid ( 12 l , 31 l, 32 l) and the object ( 14 ) can be moved relative to one another in planes perpendicular to the optical axis.

11. The device according to claim 10, characterized in that the CCD receiver ( 17 ) is connected to a computer ( 18 ) which evaluates the signals of the CCD receiver ( 17 ).

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the computer ( 18 ) the setting of the focal plane ( 13 f) on different layer planes ( 14 s) of the object ( 14 ) and / or the relative movement between the illumination grid ( 12 l, 31 l, 32 l) and object ( 14 ) via the adjusting device ( 15 ).

13. The apparatus according to claim 11, characterized in that the computer ( 18 ), the light sources ( 32 l) of the light source array individually or in subsets via a switching device ( 19 ) depending on the results of the evaluation by the computer ( 18 ) on or off .

14. The apparatus according to claim 12, characterized in that the adjusting device ( 15 v) is operated by the computer ( 18 ).

15. Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that an annular telecentric diaphragm ( 13 t) is arranged in the confocal beam path.