專利名稱：用于在樣品成像時(shí)確定焦點(diǎn)位置的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在樣品成像時(shí)確定焦點(diǎn)位置的方法，其中將視場(chǎng)光闌成像到樣品上，借助于相對(duì)于視場(chǎng)光闌傾斜的、對(duì)位置靈敏的接收裝置來(lái)檢測(cè)這個(gè)成像，并且依照在接收裝置上的亮度分布來(lái)確定焦點(diǎn)位置。此外，本發(fā)明涉及用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置。
為了借助于成像光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)確地獲取樣品或樣品段的成像，需要的是，將樣品精確地放置到成像光學(xué)裝置的焦點(diǎn)位置。如果成像不清晰，則重要的是知道，以多少量和以哪個(gè)方向來(lái)改變樣品相對(duì)于成像光學(xué)裝置的位置，并且在必要時(shí)導(dǎo)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)命令，這些命令能夠用于后續(xù)的聚焦。
在這個(gè)方面，主要已知三角方法、具有反差分析的成像方法和借助于傾斜設(shè)置的共焦的狹縫光闌的定位。
在三角方法中，經(jīng)準(zhǔn)直的激光束被反射進(jìn)成像物鏡的光圈面，并且根據(jù)這個(gè)激光束相對(duì)于成像光路的曲線走向而閉合到由樣品反射的激光的Z位置。
這種處理方法的主要缺點(diǎn)在于，通過(guò)在不同深度的樣品面中的激光成像而出現(xiàn)像差，并且由此所檢測(cè)的關(guān)于給定景深的信號(hào)變化較大。
在確定焦點(diǎn)位置時(shí)，精度不利地依賴于，是否得到檢測(cè)器接收區(qū)域的中心的測(cè)量結(jié)果或者外圍的測(cè)量結(jié)果。為了補(bǔ)償這種效應(yīng)，必須在多個(gè)迭代步驟中確定焦點(diǎn)位置，這導(dǎo)致，這種處理方法需要較多時(shí)間。
在利用反差分析的成像方法中，通過(guò)以下方式以柵形的強(qiáng)度分布照射樣品，即將光柵設(shè)置到照明光路的視場(chǎng)光闌面中。這樣照射的樣品被成像到接收裝置上。以這種方式拍攝一組具有在成像光學(xué)系統(tǒng)和樣品之間的不同距離的圖像，并且從中確定具有最高反差的圖像。配屬于這個(gè)圖像的、在成像光學(xué)系統(tǒng)和樣品之間的距離作為最佳聚焦距離。
其缺點(diǎn)在于，為了拍攝該組圖像，必須以高的精度使用許多不同的Z位置，從而這種處理方法也需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
在借助于傾斜設(shè)置的共焦的狹縫光闌的定位中，將狹縫光闌設(shè)置到照明光路的視場(chǎng)光闌中。在此由樣品反射的光線射向相對(duì)于狹縫光闌傾斜設(shè)置的CCD行，并且在CCD行上確定這樣的位置，在該位置上發(fā)射光具有最大值。因?yàn)樵谶@種處理方法中能夠利用在CCD行上唯一的成像來(lái)計(jì)算焦點(diǎn)位置，所以較短時(shí)間的焦點(diǎn)確定的結(jié)果。
當(dāng)然存在缺點(diǎn)，因?yàn)樵跇悠飞系碾s質(zhì)或者在樣品表面的干擾結(jié)構(gòu)引起強(qiáng)度變化，該強(qiáng)度變化能夠?qū)е洛e(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。這種處理方法的主要問(wèn)題是在將狹縫成像到CCD行上時(shí)很高的調(diào)整花費(fèi)，因?yàn)楠M縫(或行)必須很窄，以便能夠達(dá)到較高的精度。此外，需要嚴(yán)格校準(zhǔn)的成像光學(xué)系統(tǒng)。
特別在芯片制作中，力求越來(lái)越細(xì)微的結(jié)構(gòu)和越來(lái)越薄的層，這導(dǎo)致，對(duì)用于檢驗(yàn)制造精度的檢查方法的要求也越來(lái)越高。相應(yīng)地，要求盡可能不中斷制造流程的、越來(lái)越快和越來(lái)越精確的聚焦。
以此為出發(fā)點(diǎn)，本發(fā)明所基于的任務(wù)是，進(jìn)一步提供在確定焦點(diǎn)位置時(shí)的精度，并且還說(shuō)明這樣的裝置，該裝置能夠?qū)嵤┻@樣一種更精確的方法。
本發(fā)明屬于借助于傾斜設(shè)置的狹縫光闌確定位置的主題范圍。
根據(jù)本發(fā)明，在文章開始處提到的類型的方法中，在所述方法中將視場(chǎng)光闌成像到樣品上并將這個(gè)成像至少部分地與光柵的成像相疊加，借助于相對(duì)于視場(chǎng)光闌傾斜的對(duì)位置靈敏的接收裝置來(lái)獲取由樣品所反射的光線的強(qiáng)度值。這些強(qiáng)度值配屬于在接收裝置上的位置。由關(guān)于位置的強(qiáng)度值確定關(guān)于位置的反差值，并根據(jù)這些反差值確定作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)的、在接收裝置上反差重心的位置。
不同于按照現(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)方法，不是作為在接收裝置上強(qiáng)度最大量的等價(jià)來(lái)獲取焦點(diǎn)位置，而是將光闌成像與光柵成像相疊加，這使得能夠，確定關(guān)于位置的反差值，并基于這些反差值來(lái)確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置。
相對(duì)于迄今已知的方法，這具有以下主要優(yōu)點(diǎn)，即大大降低校正工作。此外，在確定焦點(diǎn)位置時(shí)的結(jié)果不再同樣受本底噪聲、樣品上的雜質(zhì)或干擾的樣品結(jié)構(gòu)歪曲。在這方面，利用本發(fā)明提供一種快速的方法，該方法相比于現(xiàn)有技術(shù)保證顯著更高的精度。
在本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中設(shè)置，按照以下函數(shù)來(lái)確定關(guān)于位置的反差值I(yi)，即
i I(yi)＝|I(xi)-I(xi+n)|其中，I(xi)表示強(qiáng)度值，該強(qiáng)度值配屬于在接收裝置上的位置xi，而I(xi+n)是這樣的強(qiáng)度值，該強(qiáng)度值配屬于鄰近的位置xi+n。在此，n優(yōu)先地在1和20之間來(lái)選擇。
在確定關(guān)于位置的反差值之后，按照以下函數(shù)確定位置作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf的等價(jià)，即Pf:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi)]]>其中，涉及所有大于預(yù)定最小值Imin的反差值I(yi)。
由此，在許多應(yīng)用情況下，已經(jīng)在減少校正工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)相比于現(xiàn)有技術(shù)更高的精度。
對(duì)于對(duì)精度更高的要求，首先在第一步中針對(duì)所有大于預(yù)定最小值Imin的反差值I(yi)按照以下函數(shù)確定位置Pf′，即Pf:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi)]]>并且，隨后在第二步中針對(duì)所有這樣的反差值I(yi)按照以下函數(shù)確定位置作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)，即Pf′:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi)]]>所述反差值I(yi)大于預(yù)定的最小值Imin′，并且所述反差值I(yi)到位置Pf′的間距不超過(guò)預(yù)定的間距a。
在此，分別針對(duì)第一步和針對(duì)第二步所確定的最小值Imin或Imin′可以相等或者也可以不相等。
優(yōu)選地，使用狹縫光闌作為光闌，使用以條形遮掩形式的吸收柵作為光柵，并且使用CCD行作為接收裝置。在這種情況下，通過(guò)在CCD行上傳感器元素(下面稱為像素)的連續(xù)編號(hào)來(lái)表征位置xi。若CCD行例如具有2400個(gè)像素，則利用x1至x2400來(lái)定義其位置。因而，利用一定數(shù)量的像素來(lái)說(shuō)明在CCD行上在兩個(gè)像素之間的間距a，其中優(yōu)選地在10至1000的范圍預(yù)定a。
在另一擴(kuò)展方案中，所述擴(kuò)展方案可以特別地用于自動(dòng)生產(chǎn)檢驗(yàn)，根據(jù)在接收裝置上所測(cè)量的間距b來(lái)生成用于自動(dòng)聚焦的調(diào)節(jié)信號(hào)，所述間距b是對(duì)應(yīng)在接收裝置上的理想焦點(diǎn)位置Pf″的、在接收裝置上的位置與對(duì)應(yīng)當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf的位置之間的距離。
在此，所述調(diào)節(jié)信號(hào)優(yōu)選地用于改變?cè)跇悠泛统上窆鈱W(xué)系統(tǒng)之間的間距Δz，直到成像到CCD行上的位置Pf與依照設(shè)備校準(zhǔn)預(yù)定的位置Pf″相重合。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，這類調(diào)節(jié)裝置是公知的，因此在這里不必詳細(xì)說(shuō)明。作為這樣的調(diào)節(jié)裝置的驅(qū)動(dòng)器，特別地選擇步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)被耦合到樣品臺(tái)。
本發(fā)明的又一擴(kuò)展方案不僅適合用于確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置，而且還用于確定焦平面相對(duì)于接收裝置中的檢測(cè)器的接收面的傾斜。
在這方面規(guī)定，使用長(zhǎng)方形的光闌作為光闌，使用CCD矩陣作為接收裝置，以及光柵由兩個(gè)在柵面相互傾斜的柵掩(Gitter Masken)組成，所述柵掩的每一個(gè)具有多個(gè)平行的條形遮掩物。其中規(guī)定，由每個(gè)條形遮掩物產(chǎn)生在樣品上的成像，并且如它在前面或也在權(quán)利要求2至4所描述，借助于CCD矩陣針對(duì)每個(gè)成像的遮掩物按照處理方法來(lái)確定反差重心的位置。
在這樣情況下，在每個(gè)被成像的遮掩物上的反差重心的位置是當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)。根據(jù)本發(fā)明，確定經(jīng)過(guò)反差重心的兩條連接直線的走向和傾斜度，并由此確定焦平面與CCD矩陣的接收面的傾斜角，如在下面還進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的。
在這里也可以考慮，由這樣確定的焦平面與CCD矩陣的接收面的傾斜角來(lái)獲得調(diào)節(jié)信號(hào)，這個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào)經(jīng)由調(diào)節(jié)裝置被用于補(bǔ)償傾斜角，所述調(diào)節(jié)裝置影響樣品相對(duì)于成像光路的光軸的傾斜度。
在本發(fā)明的前面提到的每一個(gè)實(shí)施變型方案中，依賴于所選樣品段的反射能力和/或依賴于散射的或反射的和因此干擾的光線的強(qiáng)度，設(shè)置光柵的間隙寬度。為了在確定反差重心時(shí)提高精度，樣品段的反射能力越微弱或者干擾的散射的或反射的光線越強(qiáng)，間隙寬度應(yīng)設(shè)置為越小。
此外，如果需要，證明有利的是，為了將強(qiáng)度值進(jìn)一步處理為關(guān)于位置的反差值，首先確定在被成像的柵周期上相鄰像素的強(qiáng)度值，然后確定在此所得的強(qiáng)度信號(hào)Iist與預(yù)定強(qiáng)度信號(hào)Isoll之間的偏差，最后依賴于在此得到的差進(jìn)行反差值的校正。
由此必須有利地首先確定強(qiáng)度值、亦即被平均的強(qiáng)度信號(hào)Iist?；谶@個(gè)強(qiáng)度信號(hào)Iist與所期望的強(qiáng)度信號(hào)Isoll之間的偏差，這樣校正反差值，從而補(bǔ)償干擾，所述干擾由在光路上的雜質(zhì)或者由不均勻反射的樣品所引起。
在此，可以按照以下函數(shù)來(lái)求取相鄰像素的強(qiáng)度值的平均值，即I(xi):=1nΣj=0nJ(xi+j-n2).]]>針對(duì)所有具有n＝2...100的xi，其中n優(yōu)選地對(duì)應(yīng)每個(gè)柵周期的像素?cái)?shù)量。
此外，本發(fā)明涉及一種用于實(shí)施迄今說(shuō)明的方法步驟的裝置，所述裝置尤其可以被構(gòu)建為顯微鏡裝置，所述裝置包括用于產(chǎn)生照明光路的光源，成像光學(xué)系統(tǒng)，和配置在成像光路中的照相機(jī)，通過(guò)所述成像光學(xué)系統(tǒng)將成像光路對(duì)準(zhǔn)樣品，其中-與柵掩相疊加的縫隙被放置在照明光路中，-從成像光路中分出來(lái)的檢測(cè)光路對(duì)準(zhǔn)CCD行，-CCD行與檢測(cè)光路的光軸成角度α≠90°，-CCD行連接有用于確定關(guān)于位置的強(qiáng)度值I(xi)和關(guān)于位置的反差值I(yi)的分析裝置，和-構(gòu)建有用于確定CCD行上反差重心的位置作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)的分析裝置。
有利地，將所述縫隙與光闌孔一起放置在所述裝置的視場(chǎng)光闌面中，所述光闌孔限定在樣品上圖像截面的范圍和大小，其中光闌孔位于相對(duì)于照明光路的光軸中心的位置，而縫隙位于照明光路的外圍。
在本發(fā)明裝置的一個(gè)擴(kuò)展變型中，所述擴(kuò)展變型特別適合用于觀察和研究具有較強(qiáng)散射表面的樣品，所述光闌孔應(yīng)垂直于照明光路的光軸，而所述縫隙與光軸成這樣的角度，該角度對(duì)應(yīng)CCD行與檢測(cè)光路的光軸之間的角度，其中在樣品和縫隙之間的光學(xué)路徑長(zhǎng)度同樣等于在樣品和CCD行之間的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。
在此，分析裝置可以例如包括差分生成器，該差分生成器按照以下函數(shù)來(lái)確定關(guān)于位置的反差值I(yi)，即i I(yi)＝|I(xi)-I(xi+n)|分別利用配屬于位置xi和xi+n的強(qiáng)度值I(xi)和I(xi+n)，和其中分析裝置此外配置有計(jì)算電路，該計(jì)算電路按照以下函數(shù)來(lái)確定作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)的反差重心，即Pf:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi)]]>對(duì)于所有大于預(yù)定最小值Imin的反差值I(yi)。
在此，值n確定在CCD行上相鄰位置的間距。在這方面，n是變量并且依照應(yīng)用被預(yù)定為n＝1...20。
特別針對(duì)與用于自動(dòng)生產(chǎn)生物芯片的裝置一起的應(yīng)用，在所述用于自動(dòng)生產(chǎn)生物芯片的裝置中也獨(dú)立進(jìn)行生產(chǎn)精度的檢驗(yàn)，在分析裝置中設(shè)置有這樣的計(jì)算電路，該計(jì)算電路被構(gòu)建用于確定間距b，所述間距b是對(duì)應(yīng)在CCD行上的當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf的位置與對(duì)應(yīng)在CCD行上的理想焦點(diǎn)位置Pf″的位置之間的距離。由此得到偏離理想焦點(diǎn)位置的量度。
隨后，此外有利的是，這樣配置分析裝置，從而它根據(jù)到理想焦點(diǎn)位置的偏差確定調(diào)節(jié)信號(hào)，并且連接有用于校正焦點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置例如改變?cè)跇悠泛统上窆鈱W(xué)系統(tǒng)之間的間距Δz。由此可以影響在當(dāng)前焦點(diǎn)位置和理想焦點(diǎn)位置之間的間距，其中如此長(zhǎng)時(shí)間地和如此頻繁地進(jìn)行調(diào)整，直到間距b為0并由此調(diào)到理想焦點(diǎn)位置。
為了在確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置時(shí)或在確定到理想焦點(diǎn)位置的偏差時(shí)能夠達(dá)到最佳結(jié)果，有利的是，將分別用于成像到樣品上的柵的頻率匹配于成像光學(xué)系統(tǒng)的分辨率界限。在此，優(yōu)選地CCD行的每五個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)柵周期。
在成像平的樣品表面時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的方法或迄今說(shuō)明的裝置也可以通過(guò)以下方式用于水準(zhǔn)儀目的，即確定樣品表面相對(duì)于物鏡光路的光軸的傾斜度，并且將該傾斜度校正到預(yù)定的值、優(yōu)選地校正到相對(duì)光軸為90°的角度。
為此目的，所述裝置配有樣品臺(tái)，該樣品臺(tái)能夠垂直于光軸沿坐標(biāo)方向X和Y上移動(dòng)。由此能夠聚焦到不處于直線上的、樣品表面的三個(gè)不同的點(diǎn)。針對(duì)這三個(gè)點(diǎn)中的每一個(gè)，確定在CCD行上的當(dāng)前焦點(diǎn)位置，并且分別確定到理想焦點(diǎn)位置的偏差和/或焦點(diǎn)間距。
根據(jù)所述偏差或焦點(diǎn)間距的幾何關(guān)系，計(jì)算樣品表面相對(duì)于物鏡光路的光軸的傾斜度，和/或通過(guò)借助于調(diào)節(jié)裝置調(diào)整樣品來(lái)這樣改變樣品表面的傾斜度，從而在當(dāng)前焦點(diǎn)位置和理想焦點(diǎn)位置之間的偏差或焦點(diǎn)間距針對(duì)所有三個(gè)點(diǎn)是相等的，從而樣品表面垂直于物鏡光路的光軸。
所述調(diào)節(jié)裝置可以例如作為三點(diǎn)線性調(diào)節(jié)或兩軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)施，該調(diào)節(jié)裝置依賴于當(dāng)前傾斜度和由此生成的調(diào)節(jié)命令來(lái)控制，直到不期望的傾斜角得到校正。
下面應(yīng)依照實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。在附圖中

圖1示出用于實(shí)施本發(fā)明方法的裝置的基本原理，圖2示出圖1的單個(gè)單元、在相關(guān)視場(chǎng)光闌面中的光闌裝置，圖3示出用作接收裝置的CCD行的符號(hào)化描述，圖4示出示意性的沿著CCD行得到的強(qiáng)度曲線，圖5示出依賴于圖4的強(qiáng)度曲線所得到的反差值的曲線，圖6示出具有分析裝置和用于自動(dòng)聚焦的調(diào)節(jié)裝置的、根據(jù)本發(fā)明的裝置的布置，圖7示出在將玻璃/水界面成像到CCD行上時(shí)的、典型的強(qiáng)度曲線，圖8示出依賴于圖7的強(qiáng)度曲線所得到的反差值的曲線，圖9示出具有傾斜的接收裝置和傾斜的縫隙的、根據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施，圖10示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的變型方案，其中除了精確確定焦點(diǎn)位置，還作出用于在接收裝置中相對(duì)于接收表面將樣品面傾斜的結(jié)論，圖11示出圖10的光闌裝置的放大的描述，圖12示出在按照?qǐng)D10的裝置的CCD矩陣的像素行中的反差重心圖13示出通過(guò)反差重心的連接直線的例子。
在圖1中描述成像光學(xué)系統(tǒng)、例如顯微鏡，該顯微鏡應(yīng)用于拍攝生物芯片。在借助于顯微鏡檢測(cè)生物芯片時(shí)、特別是在熒光顯微鏡上，找到準(zhǔn)確的聚焦位置是特別有問(wèn)題的。
按照?qǐng)D1的顯微鏡裝置主要具有照明光源1和物鏡3，所述照明光源1產(chǎn)生具有光軸2的照明光路，通過(guò)所述物鏡3將照明光源成像到樣品4、在這種情況下是生物芯片的表面。由樣品表面反射或者散射的光線作為擁有光軸5的成像光路到達(dá)接收裝置6、例如CCD照相機(jī)。
在此，借助于由物鏡3和鏡筒透鏡組成的成像光學(xué)系統(tǒng)，將樣品表面成像到接收裝置6的接收面，并且因而能夠?qū)ζ溥M(jìn)行觀察或者評(píng)估。
在分光器9的分光面8上，將照明光路和成像光路引開或隔開。
根據(jù)本發(fā)明，將光闌裝置11設(shè)置到照明光路的光闌面10中，所述光闌裝置11在圖2中放大示出。
由圖2可以看出，光闌裝置11具有例如方形的光闌孔12，該縫隙12確定圖像區(qū)域。然而，除了光闌孔12，在由圓形界限13標(biāo)識(shí)的照明光路內(nèi)設(shè)置有狹縫光闌的縫隙14，該縫隙14與條紋光柵15相疊加。
在照射樣品4時(shí)，與條紋光柵15的結(jié)構(gòu)相疊加的縫隙14被成像到樣品4的表面。在此，由樣品4放射或散射的光線沿成像光路返回到分光器9，并且在那里在分光面8上又被折射到進(jìn)入的照明光路的方向，在此通過(guò)鏡筒透鏡16，在另一個(gè)分光器18的分光面17上從照明光路中被輸出耦合，并且折射到CCD行19上。
在此，物鏡3和鏡筒透鏡16被用作成像系統(tǒng)，并將與柵結(jié)構(gòu)疊加的縫隙14成像到CCD行19上。CCD行19相對(duì)于光闌裝置11是傾斜的。包括縫隙14的光闌裝置11垂直于照明光路的光軸2，CCD行19與檢測(cè)光路的光軸33的夾角不等于90°，最好為45°。
圖3大致示出CCD行19。明顯的是，CCD行19具有許多配置在線上的接收元素，在下面稱為像素20。在CCD行19上給每個(gè)像素20分配固定位置xi。若CCD行例如具有2400個(gè)像素20，那么假定，在CCD行19的一端分配位置xi＝1；在CCD行相對(duì)的一端相對(duì)地分配像素20的位置xi＝2400。
在每個(gè)像素20的輸出端上，可提供強(qiáng)度信號(hào)I(xi)，也就是說(shuō)，每個(gè)像素20給出關(guān)于在分配給它的位置xi上的成像光線強(qiáng)度。因?yàn)榘l紋光柵15的縫隙14被成像到傾斜設(shè)置的CCD行19上，所以在CCD行上存在這樣的位置，在該位置上條紋光柵15被清晰地成像。這個(gè)位置對(duì)應(yīng)當(dāng)前的焦點(diǎn)位置Pf，能夠根據(jù)一個(gè)或多個(gè)分配的像素20來(lái)確定。
利用下面說(shuō)明的根據(jù)本發(fā)明的方法，比現(xiàn)有技術(shù)能夠更精確地確定當(dāng)前的焦點(diǎn)位置。
根據(jù)本發(fā)明，首先針對(duì)每個(gè)像素位置xi確定所接受的光線的強(qiáng)度值I(xi)。在此，沿著CCD行19得到如圖4所示的強(qiáng)度曲線。根據(jù)圖4可以看出，在像素x700至像素x1200的區(qū)域中成像光線的強(qiáng)度比在其余區(qū)域中的更高。
然而，不是如同在現(xiàn)有技術(shù)中找出具有最大強(qiáng)度的位置并定義為當(dāng)前焦點(diǎn)位置，而是將強(qiáng)度值I(xi)首先進(jìn)一步處理為關(guān)于位置的反差值。關(guān)于位置的反差值I(yi)例如按照以下函數(shù)來(lái)確定，即i I(yi)＝|I(xi)-I(xi+n)|.也就是說(shuō)，分別形成位置xi的強(qiáng)度值I(xi)與相鄰的位置xi+n的強(qiáng)度值I(xi+n)之差。在此n是變量，并且應(yīng)當(dāng)優(yōu)先地在1和20之間來(lái)選擇。
每個(gè)這樣得到的差值作為反差值I(yi)被分配給位置xi。在此得到如圖5所示的反差值I(yi)的曲線。
由圖5可以看出，在y600至y1100的區(qū)域的反差值I(yi)基本上比在CCD行19的其余區(qū)域中的更大。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在在下一步中，針對(duì)所有大于預(yù)定最小值Imin的反差值I(yi)，按照以下函數(shù)來(lái)確定反差重心，即Pf:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi)]]>在目前情況下，給Imin例如預(yù)先設(shè)定數(shù)值，如圖5所示。
這個(gè)反差重心能夠被分配給在CCD行19上的一個(gè)位置，該位置在所選的例子中大約處于位置y850處。由此，根據(jù)本發(fā)明確定當(dāng)前的焦點(diǎn)位置Pf。
在本發(fā)明一個(gè)有利的擴(kuò)展方案中，在下一步中，將在CCD行19上的當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf與理想焦點(diǎn)位置Pf″進(jìn)行比較，所述理想焦點(diǎn)位置Pf″已經(jīng)依照顯微鏡裝置、例如借助于光滑的樣品表面被確定，并且這里應(yīng)假定，所述理想焦點(diǎn)位置Pf″位于位置y1200處。
在所描述的根據(jù)圖5的實(shí)例中，在位置Pf和Pf″之間得到350個(gè)像素的間距。CCD行19具有分別在兩個(gè)像素20之間的確定的間距；由此推出，在這種情況下當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf到理想焦點(diǎn)位置Pf″的距離大約為間距d的350倍，為了將樣品表面清晰地成像到接收裝置6上，必須將焦點(diǎn)位置校正。
通常，通過(guò)改變?cè)跇悠?和物鏡3之間的間距Δz來(lái)實(shí)現(xiàn)校正。
在實(shí)踐中，出于精度的考慮，在所用CCD行上的單個(gè)像素之間的間距d通過(guò)測(cè)量加以確定，而所述裝置依賴于測(cè)量結(jié)果而加以校準(zhǔn)，并在校準(zhǔn)的狀態(tài)中被用于樣品評(píng)估。
出于以上述方式處理強(qiáng)度值I(xi)的目的，并且為了自動(dòng)聚焦，顯微鏡裝置還配置有分析裝置21和調(diào)節(jié)裝置22，如圖6所示，其中CCD行19與分析裝置21經(jīng)由信號(hào)路徑相連接，而且分析裝置21與調(diào)節(jié)裝置22經(jīng)由信號(hào)路徑相連接。
分析裝置21包括用于確定關(guān)于位置的反差值I(yi)的差分生成器和用于確定作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf的等價(jià)的反差重心的計(jì)算電路。此外，分析裝置21擁有用于預(yù)先設(shè)定值n＝1...20和最小值Imin的裝置。
此外，在根據(jù)圖6的實(shí)例所對(duì)應(yīng)的分析裝置21中，設(shè)置有計(jì)算電路，以確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf和在CCD行19上的對(duì)應(yīng)于理想焦點(diǎn)位置Pf″的位置之間的距離b。在此，這個(gè)計(jì)算電路同時(shí)能夠生成調(diào)節(jié)命令，該調(diào)節(jié)命令引起在樣品4和物鏡3之間的間距Δz在預(yù)定方向R上改變等價(jià)于間距b的量。
若當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf應(yīng)當(dāng)在CCD行19上在方向R上移動(dòng)，則必須生成這樣的調(diào)節(jié)命令，該調(diào)節(jié)命令負(fù)責(zé)提高在物鏡3和樣品4之間的間距。反之，若當(dāng)前焦點(diǎn)位置與方向R相反移動(dòng)，則調(diào)節(jié)命令必須減小這個(gè)間距。若在執(zhí)行調(diào)節(jié)命令之后當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf與理想焦點(diǎn)位置Pf″重合，則自動(dòng)聚焦結(jié)束。
在按照權(quán)利要求4的特殊的變型方法中(所述權(quán)利要求4對(duì)自動(dòng)聚焦的精度提出更高要求)規(guī)定，分析裝置21首先在顧及所有大于預(yù)定最小值Imin的反差值I(yi)情況下確定在CCD行19上的位置Pf′，然后才在下一步中在顧及所有這樣的反差值I(yi)的情況下確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf，所述反差值I(yi)大于預(yù)定的最小值Imin，并且所述反差值I(yi)到位置Pf′的間距不超過(guò)預(yù)定的間距a。
利用這種兩級(jí)方法，通過(guò)以下方式在聚焦時(shí)避免干擾的影響，即確定校正的反差重心，并且基于這個(gè)反差重心來(lái)確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置。
若焦點(diǎn)位置的確定涉及在樣品上或在樣品中的界面，所述樣品屬于具有多個(gè)界面的分層系統(tǒng)，則可以采取措施，以便提供針對(duì)在圖4中所示的最大量和最小量的反差。這例如通過(guò)對(duì)柵縫寬度的匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)。
因而，可以由柵縫的寬度來(lái)改變最大量的寬度。若柵縫很窄，則強(qiáng)度分布也更窄。由此，達(dá)到“共焦”條件，并且由其他界面所反射的光線不抵達(dá)CCD行19。以這種方式，可以將成像到CCD行19上的條紋光柵的反差提高到這樣的程度，從而能夠?qū)υ诓Ａ?空氣界面附近的、更微弱反射的玻璃/水界面進(jìn)行精確聚焦，并由此在其相互間距方面進(jìn)行精確測(cè)量。
在這方面，圖7示出在將玻璃/水界面成像到CCD行19上時(shí)的強(qiáng)度曲線。在此，在x500至x1100的區(qū)域中需要識(shí)別的干擾來(lái)源于相鄰的散射的界面，所述界面相互距離大約150μm。
在所述方式對(duì)在圖7中所示的強(qiáng)度值I(xi)的進(jìn)一步處理導(dǎo)出關(guān)于位置的反差值I(yi)，如圖8所示。
在迄今說(shuō)明的本發(fā)明裝置的實(shí)施中，不僅光路孔徑12而且作為光闌裝置11的組成部分的縫隙14垂直于照明光路的光軸2。由此，在評(píng)估僅僅微弱散射的樣品4時(shí)能夠獲得很好的測(cè)量結(jié)果。
與之相反，在圖9中描述這樣布置的根據(jù)本發(fā)明的裝置，所示布置適合研究具有較強(qiáng)散射表面的樣品4。
如在先前已經(jīng)說(shuō)明的實(shí)施例，在根據(jù)圖9的實(shí)施中，位于視場(chǎng)光闌面10中的光闌裝置11也具有縫隙14和光闌孔12，其中在這里縫隙14也用于確定焦點(diǎn)位置，而光闌孔12規(guī)定在樣品4上圖像截面的范圍和大小。
在此，光闌孔12對(duì)準(zhǔn)相對(duì)于照明光路的光軸2中心，而縫隙14位于照明光路的外圍。
特別地，在這里縫隙14與光軸2形成這樣的角度，該角度等于CCD行19與檢測(cè)光路的光軸33之間的傾斜角，而光闌孔12仍然垂直于照明光路的光軸2。
此外，在樣品4和縫隙14之間的光的路徑與在樣品4和CCD行19之間的光的路徑一樣長(zhǎng)。
這類光闌裝置11能夠在技術(shù)上例如通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即分離地制造具有縫隙14的分光闌11.1和具有光闌孔12的分光闌11.2，然后將其相互連接。
一方面在樣品4和縫隙14之間的光的路徑與另一方面在樣品4和CCD行19之間的光的路徑一樣長(zhǎng)在所述情況下滿足前提光軸2、光軸33和分光器18的分光面17的交點(diǎn)，距離光軸2與縫隙14的交點(diǎn)和距離光軸33與CCD行19的交點(diǎn)一樣遠(yuǎn)。
在圖10中示出用于實(shí)施本發(fā)明方法的另一變型的裝置。這個(gè)裝置適合于這樣的應(yīng)用，在所示應(yīng)用中除了確定焦點(diǎn)位置還作出樣品面相對(duì)于接收裝置的接收面6傾斜的結(jié)論。
出于清晰的原因，在圖10中盡可能針對(duì)同一組件再次使用與圖1相同的附圖標(biāo)記。
根據(jù)圖10的裝置與根據(jù)圖1的裝置的不同之處在于，設(shè)置第二照明光源23，從該第二照明光源23中射出照明光路24，并且將其成像到樣品4上。在附加的分光器26的分光層25上將照明光路24折射到樣品4的方向，并且照明光路24在分光器9中與從照明光源1射出的照明光路的光軸2聚集在一起。
在視場(chǎng)光闌面27中有光闌裝置28，該光闌裝置28在圖11中被放大示出。光闌裝置28由兩個(gè)分光闌28.1和28.2組合而成，這兩個(gè)分光闌28.1和28.2相鄰地配置在照明光路24中，并且將設(shè)置用于成像到樣品上的圖像區(qū)域完全填滿。
交替地驅(qū)動(dòng)照明光源1和23，也就是說(shuō)，利用照明光源1，以便出于觀察和評(píng)估的目的將樣品表面成像到接收裝置6的CCD照相機(jī)上，而照明光源23僅僅用于確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置和用于確定樣品4相對(duì)于接收裝置6的接收面的傾斜角。
兩個(gè)分光闌28.1和28.2中的每一個(gè)由多個(gè)平行的縫隙29和30組成，這些縫隙中的每一個(gè)同樣如在圖1的裝置中的縫隙14與柵結(jié)構(gòu)相疊加。在此，分光闌28.1的縫隙29垂直于分光闌28.2的縫隙30。
柵結(jié)構(gòu)分別垂直于縫隙29或30，也就是說(shuō)，柵向量分別與縫隙29或30平行。
在這里不需要如在圖1的裝置中的、傾斜設(shè)置的CCD行19。在來(lái)自樣品4的成像光線穿過(guò)物鏡3、分光器9、鏡筒透鏡7和分光器26之后，光闌裝置28被成像到在接收裝置6中的CCD矩陣上。
在圖12中，符號(hào)化地描述具有通過(guò)縫隙29和30的成像所使用的像素行31或32的CCD矩陣。
包括柵結(jié)構(gòu)的縫隙29被成像到在CCD矩陣的像素行31上，并產(chǎn)生強(qiáng)度信號(hào)I(xi)，所述強(qiáng)度信號(hào)I(xi)能夠在每一個(gè)像素的信號(hào)輸出端上加以量取。以同樣的方式適用于縫隙30，所示包括柵結(jié)構(gòu)的縫隙30分別被成像到在CCD矩陣上的像素行32。
如前面針對(duì)圖1的單個(gè)的CCD行19已經(jīng)描述的，在這個(gè)方法的變型中，將所確定強(qiáng)度值I(xi)與關(guān)于位置的反差值I(yi)聯(lián)系到一起，其中以完全相同的方式如已經(jīng)說(shuō)明的，在像素行31或32中的每一行上能夠確定反差重心，該反差重心分別說(shuō)明當(dāng)前焦點(diǎn)位置Pf。
所示反差重心能夠針對(duì)每個(gè)被成像的分光闌28.1和28.2由直線來(lái)連接，如在圖13中特別描述的。這兩根直線通過(guò)相應(yīng)的直線方程y1＝m1*x1+n1或y2＝m2*x2+n2來(lái)定義。
在此，在校準(zhǔn)狀態(tài)中的量n1和n2給出當(dāng)前焦點(diǎn)位置的量度。如果n1或n2對(duì)應(yīng)預(yù)定的間距值，則成像光學(xué)系統(tǒng)被聚焦。
此外，基于數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)量m1來(lái)確定焦平面與樣品4的平面之間的第一傾斜角和根據(jù)量m2來(lái)確定焦平面與樣品4的面之間的第二傾斜角，所述量m1說(shuō)明直線y1＝m1*x1+n1的斜率并由此說(shuō)明平行方向與像素行31或32的方向之間的偏差。
在此，以此為出發(fā)點(diǎn)，即在裝置的校準(zhǔn)狀態(tài)中，量m1或m2正比于在焦平面和樣品4的面之間的傾斜角。
若樣品4的面被傾斜，直到兩個(gè)量m1或m2對(duì)應(yīng)給定值、優(yōu)選為值“零”，則所述傾斜被校正。
附圖標(biāo)記1照明光源2照明光路的光軸3物鏡4樣品5成像光路的光軸6接收裝置7鏡筒透鏡
8 分光面9 分光器10視場(chǎng)光闌面11光闌裝置12光路孔徑13界限14縫隙15條紋光柵16鏡筒透鏡17分光面18分光器19CCD行20像素21分析裝置22調(diào)節(jié)裝置23照明光源24照明光路25分光面26分光器27光闌面28光闌裝置28.1，28.2分光闌29，30縫隙31，32像素行33檢測(cè)光路的光軸
權(quán)利要求
1.用于在樣品(4)成像時(shí)確定焦點(diǎn)位置的方法，其中-將視場(chǎng)光闌成像到所述樣品(4)上并將在所述樣品(4)上的視場(chǎng)光闌的成像至少部分地與光柵的成像相疊加，-借助于相對(duì)于視場(chǎng)光闌傾斜的、對(duì)位置靈敏的接收裝置來(lái)獲取由所述樣品(4)所反射的光線的強(qiáng)度值I(xi)，并將所述強(qiáng)度值I(xi)配屬給在所述接收裝置上的位置，-由所述強(qiáng)度值I(xi)確定關(guān)于位置的反差值，和-根據(jù)這些反差值I(yi)，確定所述接收裝置上的反差重心的位置作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，分別根據(jù)配屬于在所述接收裝置上位置i的強(qiáng)度值I(xi)和配屬于鄰近位置i+n、優(yōu)選地具有n＝1...20的強(qiáng)度值I(xi+n)之差，按照以下函數(shù)來(lái)確定關(guān)于位置的反差值I(yi)，即i I(yi)＝|I(xi))-I(xi+n)|。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，針對(duì)所有大于預(yù)定最小值Imin的反差值I(yi)，按照以下函數(shù)確定一個(gè)位置作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)，即Pf:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi).]]>
4.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，-首先在第一步中針對(duì)所有大于預(yù)定最小值Imin的反差值I(yi)按照以下函數(shù)確定位置Pf′，即Pf:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi)]]>-并且，在第二步中針對(duì)所有這樣的反差值I(yi)按照以下函數(shù)確定一個(gè)位置作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)，即所述反差值I(yi)大于預(yù)定的最小值Imin′，并且所述反差值I(yi)到位置Pf′:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi)]]>Pf′的間距不超過(guò)預(yù)定的間距a。
5.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，-使用具有縫隙(14)的視場(chǎng)光闌，使用以條形遮掩形式的條紋光柵(15)作為光柵，并且使用CCD行(19)作為接收裝置，-通過(guò)對(duì)所述CCD行(19)上的像素(20)的連續(xù)編號(hào)來(lái)表征位置i，和-預(yù)先給定具有在范圍a＝10...1000內(nèi)的多個(gè)像素(20)的間距a。
6.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，根據(jù)在所述接收裝置上所測(cè)量的間距b來(lái)生成用于自動(dòng)聚焦的調(diào)節(jié)信號(hào)，所述間距b是所述位置Pf與對(duì)應(yīng)于理想焦點(diǎn)位置的位置Pf″之間的距離，優(yōu)選地通過(guò)改變?cè)谒鰳悠?4)和成像光學(xué)系統(tǒng)之間的間距Δz。
7.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，-使用長(zhǎng)方形的光闌作為視場(chǎng)光闌-使用CCD矩陣作為接收裝置，和-所述光柵由兩個(gè)在柵面相互傾斜的條紋光柵遮掩組成，所述條紋光柵遮掩中的每一個(gè)具有多個(gè)相互平行的條形遮掩，其中-由每個(gè)條形遮掩產(chǎn)生在樣品上的成像，并且在所述CCD矩陣上針對(duì)每個(gè)成像的遮掩，如在權(quán)利要求2至4中所描述，確定反差重心的位置作為當(dāng)前焦點(diǎn)的等價(jià)，-確定經(jīng)過(guò)所述反差重心的兩條連接直線的走向和傾角，和-由此確定焦平面與所述CCD矩陣的接收面之間傾斜角。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其特征在于，由所述在焦平面與所述CCD矩陣的接收面之間的傾斜角來(lái)獲得用于補(bǔ)償所述傾斜角的調(diào)節(jié)信號(hào)。
9.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，依賴于所選樣品段的反射能力和/或依賴于干擾的散射或反射的光線的強(qiáng)度，確定光柵的間隙寬度，其中為了在確定反差重心和由此確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置時(shí)提高精度，所述樣品段的反射能力越微弱或者干擾的散射或反射的光線越強(qiáng)，所述間隙寬度被預(yù)先設(shè)定為越小。
10.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，-在成像的柵的周期上對(duì)所述接收裝置上的相鄰像素(20)的強(qiáng)度值求平均，-確定在此所獲得的強(qiáng)度信號(hào)Iist與預(yù)定強(qiáng)度信號(hào)Isol1之間的偏差，和-為了補(bǔ)償由在所述光路中的雜質(zhì)或其他方面所引起的干擾，進(jìn)行反差值I(yi)的校正，所述校正補(bǔ)償所述偏差。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其特征在于，按照以下函數(shù)來(lái)求取相鄰像素(20)的強(qiáng)度值的平均值，即I(xi):=1nΣj=0nJ(xi+j-n2)]]>針對(duì)所有具有n＝2...100的xi，其中n優(yōu)選地對(duì)應(yīng)每個(gè)柵周期的像素?cái)?shù)量。
12.用于按照上述方法步驟、特別是在顯微鏡上確定焦點(diǎn)位置的裝置，包括-用于產(chǎn)生照明光路的照明光源(1)，-成像光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)所述成像光學(xué)系統(tǒng)將所述照明光路對(duì)準(zhǔn)樣品(4)，和-配置在成像光路中的照相機(jī)，其特征在于-與柵遮掩相疊加的縫隙(14)被放置在照明光路中-從成像光路中分出來(lái)的檢測(cè)光路對(duì)準(zhǔn)CCD行(19)，所述CCD行(19)與檢測(cè)光路的光軸所成角度為α≠90°，-所述CCD行(19)連接有用于確定關(guān)于位置的強(qiáng)度值I(xi)和關(guān)于位置的反差值I(yi)的分析裝置(21)，和-構(gòu)建有用于確定CCD行(19)上的反差重心的位置作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置等價(jià)的分析裝置(21)。
13.按照權(quán)利要求12的裝置，其特征在于，-將所述縫隙(14)與光闌孔(12)一起放置在視場(chǎng)光闌面(10)中，所述光闌孔(12)限定了樣品上圖像截面的范圍和大小，其中-所述光闌孔(12)位于相對(duì)于所述照明光路的光軸(2)中心的位置，而所述縫隙(14)位于所述照明光路的外圍。
14.按照權(quán)利要求13的裝置，其特征在于，-所述光闌孔(12)垂直于所述照明光路的光軸(2)，而-所述縫隙(14)與光軸成這樣的角度，所述角度對(duì)應(yīng)于CCD行(19)與檢測(cè)光路的光軸(33)之間的夾角，其中-在所述樣品(4)和所述縫隙(14)之間的光學(xué)路徑長(zhǎng)度等于在所述樣品(4)和所述CCD行(19)之間的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。
15.按照權(quán)利要求12至14之一的裝置，其特征在于，所述分析裝置(21)包括-差分生成器，該差分生成器按照以下函數(shù)來(lái)確定關(guān)于位置的反差值I(yi)，即i I(yi)＝|I(xi)-I(xi+n)|分別根據(jù)配屬于在CCD行(19)上位置i的強(qiáng)度值I(xi)和配屬于鄰近位置i+n的強(qiáng)度值I(xi+n)之差，優(yōu)選地具有n＝1...20，和-計(jì)算電路，所述計(jì)算電路按照以下函數(shù)確定所述反差重心作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)，即Pf:=Σiyi·I(yi)ΣiI(yi)]]>對(duì)于所有大于預(yù)定最小值Imin的反差值I(yi)。
16.按照權(quán)利要求12-15的裝置，其特征在于，-在所述分析裝置中設(shè)置有計(jì)算電路，用于確定在位置Pf和對(duì)應(yīng)于在CCD行(19)上理想焦點(diǎn)位置的位置Pf″之間的距離b，和-所述分析裝置(21)連接有調(diào)節(jié)裝置(22)，所述調(diào)節(jié)裝置(22)用于改變?cè)谒鰳悠?4)和所述成像光學(xué)系統(tǒng)之間的間距Δz。
17.按照權(quán)利要求12至16之一的裝置，其特征在于，所述柵的頻率匹配于所述成像光學(xué)系統(tǒng)的分辨率極限，其中優(yōu)選地，所述CCD行(19)的每五個(gè)像素(20)對(duì)應(yīng)一個(gè)柵周期。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在樣品(4)成像時(shí)確定焦點(diǎn)位置的方法，其中將視場(chǎng)光闌成像到樣品上，這個(gè)成像借助于相對(duì)于視場(chǎng)光闌傾斜的、對(duì)位置靈敏的接收裝置來(lái)檢測(cè)，并且依照在接收裝置上的亮度分布來(lái)確定焦點(diǎn)位置。此外，本發(fā)明涉及一種用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置。根據(jù)本發(fā)明，在文章開始處提到的類型的方法中，視場(chǎng)光闌到樣品(4)上的成像至少部分地由光柵的成像來(lái)疊加；借助于對(duì)位置靈敏的接收裝置，得到由樣品反射的光的強(qiáng)度值；這些強(qiáng)度值被分配給在接收裝置上的位置；由此確定關(guān)于位置的反差值；依照這些反差值，確定作為當(dāng)前焦點(diǎn)位置的等價(jià)的、在接收裝置上反差重心的位置。
文檔編號(hào)G03F7/20GK1781049SQ200480011620
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月29日
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