NL8603108A

NL8603108A - Mikroskoop.

Info

Publication number: NL8603108A
Application number: NL8603108A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-12-08
Filing date: 1986-12-08
Publication date: 1988-07-01
Also published as: EP0274155B1; US4845352A; EP0274155A1; JP2603660B2; JPS63155114A; DE3777594D1

Description

£ PHN 11.975 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Mikroskoop.

De uitvinding heeft betrekking op een aftastende mikroskoop voor het waarnemen van een in een voorwerpvlak geplaatst voorwerp, bevattende een coherente stralingsbron, een objektiefstelsel voor het fokusseren van door de stralingsbron uitgezonden straling tot 5 een stralingsvlek in het voorwerpvlak en een stralingsgevoelig detektiestelsel dat twee stralingsdetektoren bevat die zo zijn aangebracht dat straling van de twee afzonderlijke helften van de van de stralingsvlek afkomstige stralingsbundel door een verschillende detektor wordt gedetekteerd. Bij voorkeur is de vlek een diffraktiebegrensde 10 vlek. Een dergelijke mikroskoop is bij uitstek geschikt voor het waarnemen van fasestrukturen in een objekt, zoals bijvoorbeeld een biologische cel of een stukje halfgeleidermateriaal dat een of meerdere processtappen voor het daarin aanbrengen van een geïntegreerde schakeling heeft ondergaan.

15 In het artikel "Improved imaging of phase gradients in scanning optical microscopy" door D.K. Hamilton et al., verschenen in het tijdschrift "Journal of Microscopy", Vol. 135, Pt. 3, biz. 275-286, is een dergelijke mikroskoop beschreven. In de bekende mikroskoop wordt de door het objekt tredende straling gedetekteerd door twee 20 stralingsgevoelige detektoren die ieder ongeveer de helft van de stralingskegel opvangen en omzetten in een elektrisch signaal. De detektoren zijn naast elkaar geplaatst, en kunnen eventueel door een diafragma gedeeltelijk zijn afgedekt zodat de vorm van het stralingsgevoelige oppervlak van de detektoren wordt beïnvloed. Door 25 deze vorm geschikt te kiezen, dat wil zeggen aan te passen aan de aard van het waar te nemen voorwerp, is een hoge resolutie te behalen.

Echter wanneer het voorwerp niet goed in fokus is, of wanneer het een eindige dikte heeft, wordt de door de detektoren gedetekteerde straling sterk beïnvloed door strukturen buiten het 30 beeldvlak van het objektiefstelsel. Zo kan straling, afkomstig van een zich buiten het beeldvlak bevindende amplitudestruktuur, het signaal dat afkomstig is van een in het beeldvlak aanwezige fasestruktuur 8603108

N

4 PHN 11.975 2 beïnvloeden. Het van de detektorsignalen afgeleide amplitude- of fasesignaal is dan geen zuivere weergave meer van een zich in het voorwerpvlak bevindende struktuur. Daarnaast verliest het waargenomen beeld natuurlijk aan scherpte.

5 De uitvinding beoogt een in dit opzicht verbeterde mikroskoop te verschaffen. Daartoe heeft een mikroskoop volgens de uitvinding als kenmerk, dat de detektoren van elkaar gescheiden puntdetektoren zijn, en dat in de stralingsweg van het voorwerpvlak naar de stralingsdetektoren een bundelsplitser is aangebracht, en dat zich 10 tussen het voorwerpvlak en ieder van de detektoren een afbeeldingsstelsel bevindt, waarmee het voorwerpvlak op de detektor wordt afgebeeld. Het afbeeldingsstelsel kan voor ieder van de detektoren afzonderlijk zijn, maar kan ook voor beide detektoren gemeenschappelijk zijn. Met puntdetektor wordt bedoeld een detektor waarvan het 15 stralingsgevoelig oppervlak kleiner is dan het oppervlak van de diffraktiebegrensde vlek. In de praktijk wordt een dergelijke detektor gerealiseerd door een diafragma met zeer kleine opening, een zogenaamd speldeprik- of "pinhole"-diafragma vóór een stralingsgevoelig element, bijvoorbeeld een fotodiode, te plaatsen.

20 Een mikroskoop waarin zowel de stralingsbron op het voorwerpvlak als het voorwerpvlak op een puntdetektor wordt afgebeeld, wordt een konfokale mikroskoop genoemd. Een dergelijke mikroskoop heeft als voordeel een zeer kleine scherptediepte. Details welke zich buiten het voorwerpvlak bevinden vangen slechts een gedeelte van de invallende 25 stralingsbundel op en worden onscherp afgebeeld op de puntdetektor. Deze details hebben dus slechts een geringe invloed op de intensiteit van het gedetekteerde signaal. Een konfokale mikroskoop heeft in het voorwerpvlak ook een betere resolutie doordat ten gevolge van de twee afbeeldingsstelsels een punt in het voorwerpvlak een smallere 30 puntresponsie heeft dan bij een konventionele mikroskoop. Deze voordelen zijn onder andere beschreven in het artikel "Imaging Properties and Applications of Scanning Optical Microscopes" van T. Wilson, verschenen in het tijdschrift "Applied Physics", Vol. 22, blz. 119-128, (1980). Als gevolg van de geringe scherptediepte heeft het toepassen van het 35 konfokale principe in een differentiële fasekontrastmikroskoop het voordeel dat de genoemde verstoring van de waargenomen signalen door buiten het beeldvlak liggende strukturen onderdrukt is.

8603108 * •t PHN 11.975 3

De uitvinding berust op het inzicht dat, in tegenstelling tot de tot nu toe bestaande opvatting, het principe van konfokale mikroskopie juist wel en met voordeel kan worden toegepast in een differentiële fasekontrastmikroskoop.

5 Een uitvoeringsvorm van de mikroskoop volgens de uitvinding heeft als kenmerk dat de bundelsplitser wordt gevormd door een dubbele optische wig.

Een verdere uitvoeringsvorm van de mikroskoop volgens de uitvinding waarin de door het voorwerp gereflekteerde straling wordt 10 gedetekteerd, heeft het kenmerk, dat in de stralingsweg van de stralingsbron naar het voorwerpvlak een bundeldeler is aangebracht. De bundeldeler koppelt een gedeelte van de gereflekteerde straling uit en richt deze naar de puntdetektoren.

Deze uitvoeringsvorm van de mikroskoop volgens de 15 uitvinding vertoont bij voorkeur als verder kenmerk, dat de stralingsbron geschikt is voor het uitzenden van een lineair gepolariseerde stralingsbundel, dat de bundeldeler een polarisatiegevoelige bundeldeler is en dat tussen de bundeldeler en het voorwerpvlak een X/4-plaatje is aangebracht, waarin λ de golflengte van 20 de gebruikte straling is. Dan wordt een zo efficiënt mogelijk gebruik van de beschikbare straling gemaakt.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van de mikroskoop volgens de uitvinding waarbij eveneens de door het voorwerp gereflekteerde straling wordt gedetekteerd, heeft het kenmerk, dat het objektiefstelsel en het 25 afbeeldingsstelsel ten minste één optisch element gemeenschappelijk hebben. Wanneer de belangrijkste lens (of lenzen) van objektief- en afbeeldingsstelsel gelijk zijn worden een aantal aberraties gekompenseerd. Bovendien zijn er minder uitlijnproblemen en treedt een zekere kostenbesparing op.

30 Het spreekt voor zich dat een mikroskoop als deze, waarmee slechts één enkel punt van het voorwerp tegelijkertijd waargenomen wordt, voorzien moet zijn van middelen voor het ten opzichte van elkaar bewegen van dat punt en het voorwerp. Deze middelen kunnen bijvoorbeeld een tafel voor het daarop aanbrengen van het voorwerp 35 bevatten, die evenwijdig aan het voorwerpvlak beweegbaar is. Deze middelen kunnen bijvoorbeeld ook daarin bestaan dat zowel in de stralingsweg van de naar het voorwerpvlak lopende, als in de 8603108

V

PHN 11.975 4 stralingsweg van de van het voorwerpvlak afkomstige, straling regelbare bundelafbuigende elementen zoals bewegende spiegels zijn aangebracht.

Een uitvoeringsvorm van de mikroskoop volgens de uitvinding waarbij de door het voorwerp gereflekteerde straling wordt 5 waargenomen heeft echter het kenmerk dat in de stralingsweg tussen de bundeldeler en het voorwerpvlak bundelafbuigende middelen zijn aangebracht. Deze middelen bevatten bijvoorbeeld een klapspiegel voor het aftasten van een lijn op het voorwerp en mogelijk een tweede klapspiegel waardoor, in samenwerking met de eerste, een vlak kan worden 10 afgetast. Door de bundelafbuigende middelen in de stralingsweg van zowel de op het voorwerp vallende als de van het voorwerp afkomstige straling te plaatsen kan het synchroniseren van twee aftaststelsels achterwege blijven.

De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand van de 15 tekening waarin de figuren 1a en 1b schematisch een bekende differentiële fasekontrastmikroskoop, respektievelijk een bekende konfokale mikroskoop tonen, figuur 2 het principe van een konfokale differentiële 20 fasekontrastmikroskoop volgens de uitvinding illustreert, en figuur 3 een uitvoeringsvorm van een dergelijke mikroskoop laat zien.

In figuur 1a is met 10 een stralingsbron aangegeven, die kan bestaan uit bijvoorbeeld een laser of, zoals getekend, uit een 25 kombinatie van een incoherente stralingsbron die een brede bundel uitzendt en een daarachter geplaatst diafragma. De door de stralingsbron 10 uitgezonden straling wordt door een objektiefstelsel 20 gefokusseerd tot een kleine stralingsvlek A in het voorwerpvlak 30. De van de stralingsvlek afkomstige straling wordt gedetekteerd met het 30 stralingsgevoelig detektiestelsel 50. Tussen het voorwerpvlak 30 en het detektiestelsel 50 kan eventueel een collectorstelsel 40 zijn geplaatst. Het stralingsdetektiestelsel 50 bevat twee stralingsgevoelige detektoren 51 en 52 die zo dicht mogelijk tegen elkaar aan weerszijden van de optische as 0-0' van de mikroskoop geplaatst zijn. Het fase- en 35 amplitudebeeld van een in het voorwerpvlak 30 geplaatst voorwerp wordt verkregen door het voorwerp met de stralingsvlek af te tasten en daarbij de uitgangssignalen van de twee detektoren 51 en 52 respektievelijk af 8603108

V

ί ΡΗΝ 11.975 5 te trekken en op te tellen en verder te verwerken in een niet getekend beeldverwerkend systeem.

Het objektiefstelsel 20 en het collectorstelsel 40 zijn in de figuur aangegeven als enkelvoudige dubbelbolle lenzen. Dit kunnen 5 natuurlijk ook samengestelde lenzen zijn, waarmee door het kompenseren van aberraties een beter resultaat kan worden verkregen.

In figuur 1b is het principe van een bekende konfokale mikroskoop geschetst. De door een stralingsbron 10 uitgezonden straling wordt door een objektiefstelsel 20 tot een, bij voorkeur 10 diffraktiebegrensde, stralingsvlek A in het voorwerpvlak 30 gefokusserd.

Evenals bij de differentiële fasekontrastmikroskoop kan de stralingsbron een laser zijn of een incoherente stralingsbron met een daarachter geplaatst diafragma. In dit laatste geval moet het diafragma echter een zodanig kleine opening hebben dat in feite een coherente 15 lichtbron wordt verkregen. Een dergelijk diafragma wordt aangeduid met speldeprik- of "pinhole"-diafragma.

De, in het voorwerpvlak gevormde, stralingsvlek wordt door de afbeeldingslens 40 afgebeeld op de puntdetektor 50. Deze detektor bevat een, in het afbeeldingsvlak geplaatst, "pinhole 20 diafragma met een eveneens zeer kleine opening 53 en een daarachter geplaatste stralingsgevoelige detektor 54, bijvoorbeeld een fotodiode.

Een konfokale mikroskoop is vrijwel ongevoelig voor details van het voorwerp die zich niet in het afgetaste voorwerpvlak 30 bevinden. Doordat deze details slechts door een gedeelte van de 25 stralingsbundel aangestraald worden, deze details onscherp op het vlak van de stralingsgevoelige detektor worden afgebeeld en slechts een gedeelte van de gevormde onscherpe afbeelding door de puntdetektor wordt waargenomen hebben ze slechts in zeer geringe mate invloed op het gedetekteerde signaal.

30 Figuur 2 illustreert het principe van de mikroskoop volgens de uitvinding. Evenals in de figuren 1a en 1b is een stralingsbron 10, aangegeven evenals een objektiefstelsel 20 dat de van de stralingsbron 10 afkomstige straling fokusseert tot een, bij voorkeur diffraktiebegrensde, vlek A in het voorwerpvlak 30. Een bundelsplitser 35 60, bijvoorbeeld een dubbele optische wig, splitst de stralingsbundel in twee deelbundels die worden toegevoegd aan twee puntdetektoren, gevormd door de stralingsgevoelige detektoren 61 en 62 respektievelijk, 8603108

V

'i PHN 11.975 6 en de daarvoor geplaatste speldeprikdiafragma's 63 en 64. Een andere uitvoeringsvorm van de bundelsplitser 60 bestaat bijvoorbeeld uit een dubbele optische wig samengesteld uit twee prisma's die met de smalle zijde tegen elkaar aangeplaatst zijn, of twee vlakke spiegels waarvan de 5 spiegelende vlakken een hoek met elkaar maken.

De van de vlek A afkomstige stralingsbundel wordt opgevangen door een afbeeldingsstelsel 40 dat zó geplaatst is dat het voorwerpvlak 30 op in het vlak van de twee puntdetektoren 61, 63 respektievelijk 62, 64 afgebeeld wordt. Het afbeeldingsstelsel 40 kan, 10 zoals in de figuur 2 aangegeven is tussen de bundelsplitser 60 en het voorwerpvlak 30 zijn aangebracht maar andere konfiguraties zijn ook mogelijk, bijvoorbeeld plaatsing tussen de bundelsplitser en de detektoren eventueel als twee afzonderlijke afbeeldingsstelsels tussen de bundelsplitser en ieder van de twee detektoren.

15 Door de van het voorwerpvlak afkomstige stralingsbundel te splitsen in twee deelbundels wordt een differentiële fasekontrastmikroskoop verkregen welke als voordelen boven een bekende fasekontrastmikroskoop heeft dat de verstoring van de door de twee detektoren opgevangen straling ten gevolge van het niet in het 20 beeldvlak liggen van een deel van het voorwerp klein is, dus de detektorsignalen, en de daaruit gerekonstrueerde amplitude- en fasebeelden, vrijwel niet door details buiten het beeldvlak beïnvloed worden, en dat de punt-responsie in het voorwerpvlak verhoogd is.

In figuur 3 is een mogelijke praktische uitvoeringsvorm 25 van de mikroskoop volgens de uitvinding geschetst. Ook hier is met 10 een stralingsbron aangegeven, bijvoorbeeld een laser die een evenwijdige koherente stralingsbundel b uitzendt. Deze evenwijdige bundel doorloopt de lenzen 21 en 22 van het objektiefstelsel en wordt door deze lenzen gefokusseerd tot een diffraktiebegrensde vlek A in het voorwerpvlak 30. 30 De door een voorwerp in het voorwerpvlak gereflekteerde straling wordt door het afbeeldingssysteem, gevormd door de lenzen 22, 21, 41 en 42, en na gesplitst te zijn in de bundelsplitser 60, gedetekteerd door de twee stralingsgevoelige detektoren 61 en 62. Deze detektoren zijn, door het plaatsen van de pinholediafragma's 63 en 64 in een afbeeldingsvlak van 35 het voorwerp, effektief puntdetektoren. Zoals in de figuur getoond, kan de bundelsplitser 60 tussen de lenselementen van het afbeeldingssysteem zijn opgenomen, maar plaatsing tussen de detektoren en het 8603108 ¥ PHN 11.975 7 afbeeldingsstelsel is ook mogelijk.

De stralingswegen van de naar het voorwerp gaande en de van het voorwerp afkomstige straling worden van elkaar gescheiden door de bundelde]er 71, dit is bijvoorbeeld een halfdoorlatende spiegel die 5 de helft van de opvallende straling doorlaat en de helft reflekteert.

Bij voorkeur echter is de bundeldeler 71 een polarisatiegevoelige bundeldeler en de door de stralingsbron 10 uitgezonden straling lineair gepolariseerd. De van de bron 10 afkomstige en door de polarisatiegevoelige bundeldeler 71 doorgelaten lineair gepolariseerde 10 straling wordt door een in de stralingsweg tussen de bundeldeler en het voorwerpvlak in diagonaalstand geplaatst λ/4-plaatje 72 getransformeerd tot een cirkulair gepolariseerde bundel. De door het voorwerp teruggekaatste straling is in overwegende mate cirkulair gepolariseerd, zij het in de tegengestelde polarisatierichting en wordt door het λ/4-15 plaatje 72 omgevormd tot een in overwegende mate lineair gepolariseerde stralingsbundel waarvan nu echter het vlak van de polarisatierichting loodrecht staat op het vlak van de polarisatierichting van de oorspronkelijke bundel. De van het voorwerp afkomstige straling wordt door de polarisatiegevoelige bundeldeler in overwegende mate in de 20 richting van de splitser 60 gereflekteerd, zodat de waargenomen stralingsintensiteit hoger is dan bij gebruik van een neutrale bundeldeler.

Aangezien de mikroskoop slechts één punt van het voorwerp waarneemt zijn voor het vormen van een beeld van het voorwerp 25 middelen nodig om het voorwerp en de daarop of daarin gevormde stralingsvlek ten opzichte van elkaar te verplaatsen. In de uitvoeringsvorm volgens figuur 3 is hierin voorzien door een klapspiegeltje 73 dat heen en weer draait rond een loodrecht op het vlak van de tekening geplaatste as 74. Hierdoor wordt de stralingsvlek en dus 30 het waargenomen punt in één richting in het voorwerpvlak verplaatst.

Verplaatsing in de andere richting kan worden verkregen door een tweede klapspiegel of door verplaatsing van de tafel waarop het voorwerp bevestigd is.

Door de klapspiegel in de gemeenschappelijke stralingsweg 35 van de naar het voorwerp gaande en de van het voorwerp afkomstige straling te plaatsen kan met een enkele klapspiegel worden volstaan en is synchronisatie tussen meerdere klapspiegels overbodig.

8603108 PHN 11.975 8 *

In plaats van een klapspiegel zijn ook andere aftastende of bundelafbuigende voorzieningen mogelijk zoals bijvoorbeeld een akoesto-optisch element of een roterend spiegelend polygoon.

8603108

Claims

1. Aftastende mikroskoop voor het waarnemen van een in een voorwerpvlak geplaatst voorwerp, bevattende een coherente stralingsbron, een objektiefstelsel voor het fokusseren van door de stralingsbron uitgezonden straling tot een stralingsvlek in het voorwerpvlak en een 5 stralingsgevoelig detektiestelsel dat twee stralingsdetektoren bevat die zo zijn aangebracht dat straling van de twee afzonderlijke helften van de van de stralingsvlek afkomstige stralingsbundel door een verschillende detektor wordt gedetekteerd, met het kenmerk, dat de detektoren van elkaar gescheiden puntdetektoren zijn, dat in de 10 stralingsweg van het voorwerpvlak naar de stralingsdetektoren een bundelsplitser is aangebracht, en dat zich tussen het voorwerpvlak en ieder van de detektoren een afbeeldingsstelsel bevindt, waarmee het voorwerpvlak op de detektor wordt afgeheeld.

2. Mikroskoop volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 15 bundelsplitser wordt gevormd door een dubbele optische wig.

3. Mikroskoop volgens conclusie 1 of 2, waarin de door het voorwerp gereflekteerde straling wordt gedetekteerd, met het kenmerk, dat in de stralingsweg van de stralingsbron naar het voorwerpvlak een bundeldeler is aangebracht.

4. Mikroskoop volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de stralingsbron geschikt is voor het uitzenden van een lineair gepolariseerde bundel, dat de bundeldeler een polarisatiegevoelige bundeldeler is en dat tussen de bundeldeler en het voorwerpvlak een X/4-plaatje is aangebracht waarin λ de golflengte van de gebruikte straling 25 is.

5. Mikroskoop volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat het objektiefstelsel en het afbeeldingsstelsel ten minste één optisch element gemeenschappelijk hebben.

6. Mikroskoop volgens conclusie 3, 4 of 5, met het kenmerk, 30 dat tussen de bundeldeler en het voorwerpvlak bundelafbuigende middelen zijn aangebracht. 8603108