(57)【要約】  所定の測定時間の間、試料の一試料領域を、測定時間中位相が時間的に変化するパターンで照明し、それによって、相応に時間的に変化する位相が付加された試料光を発生させる照明モジュール（１）と、複数の記録ピクセル（１２）を有し、試料領域を記録する位置分解検出領域（８）、記録ピクセル（１２）と結合可能な２つの評価チャネル（１３、１４）、および両方の評価チャネル（１３、１４）と結合された評価ユニット（２５）を備える検出モジュール（４）と、測定時間の間、各記録ピクセルを、検出された試料光の位相と時間的に同期して、両方の評価チャネル（１３、１４）と交互に結合させ、それにより、検出された試料光を、互いに位相のずれた２つの成分に分割し、両方の評価チャネルに供給する制御ユニットとを備えており、その際、評価チャネルに供給された成分に基づいて、評価ユニットが試料領域の光学的断面画像を算出する、試料を深さ分解して光学的に検出するための装置が提供される。
2009510412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を深さ分解して光学的に検出するための装置であって、
所定の測定時間の間、該試料の一試料領域を、該測定時間中に位相が時間的に変化するパターンで照明し、それによって、相応に時間的に変化する位相が付加された試料光を発生させる、照明モジュール（１）と、
複数の記録ピクセル（１２）を有し、該試料領域を記録する位置分解検出領域（８）、該記録ピクセル（１２）と結合可能な２つの評価チャネル（１３、１４）、および該両方の評価チャネル（１３、１４）と結合された評価ユニット（２５）を含む、検出モジュール（４）と、
該測定時間の間、各記録ピクセルを、検出された該試料光の該位相と時間的に同期して、該両方の評価チャネル（１３、１４）と交互に結合させ、それにより、検出された該試料光を、互いに位相のずれた２つの成分に分割し、該両方の評価チャネルに供給する制御ユニットとを備えており、
該評価チャネルに供給された該成分に基づいて、該評価ユニットが該試料領域の光学的断面画像を算出する、装置。
【請求項２】
前記制御ユニットが、各記録ピクセルを前記両方の評価チャネルと、前記位相ずれが１８０°となるように交互に結合させる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各記録ピクセル（１２）が２つのサブピクセル（１５、１６）を有しており、該サブピクセル（１５、１６）の一方は、前記両方の評価チャネルのうちの第１の評価チャネルとのみ結合可能であり、該サブピクセルのもう一方は第２の評価チャネルとのみ結合可能である、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記記録ピクセルが、延長方向に沿って隣り合わせに配置される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記評価チャネルのそれぞれが、別々の評価電子機器として形成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
それぞれの評価チャネルが、記録ピクセルごとに、前記測定時間の間、前記供給された成分を合計する積分器を備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記評価ユニットが、前記光学的断面画像を算出するために、前記両方の成分の引き算をする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記照明モジュール（１）が、前記試料を線状に照明し、前記位相を該線状の照明の方向に変化させる、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
試料を深さ分解して光学的に検出するための方法であって、
所定の測定時間の間、該試料の一試料領域を、該測定時間中位相が時間的に変化するパターンで照明し、それによって、相応に時間的に変化する位相が付加された試料光を発生させ、該測定時間の間、該試料領域を位置分解して検出し、該検出された試料光を、互いに位相のずれた２つの成分に分割し、その際、該成分に基づいて該試料領域の光学的断面画像を算出する、方法。
【請求項１０】
前記検出された試料光が、１８０°の位相ずれで分割される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
位置分解して検出するために複数の記録ピクセルが設けられ、その際、各記録ピクセル（１２）が２つのサブピクセル（１５、１６）を有しており、該サブピクセル（１５、１６）の一方は、前記両方の成分のうちの第１の成分だけを供給し、該サブピクセルのもう一方は第２の成分だけを供給する、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
線状の位置分解検出が実施される、請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
それぞれの成分ごとに別々の評価電子機器が設けられている、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
それぞれの成分ごとに、前記測定時間の間、前記供給された成分を位置分解して合計する積分器が設けられている、請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記光学的断面画像を算出するために、前記両方の成分の引き算をする、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記試料を線状に照明し、前記位相を該線状の照明の方向に変化させる、請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を深さ分解して光学的に検出するための装置および方法に関する。特に、焦点深度の基準として振幅構造（例えば格子）の光学結像の変調度を利用する、いわゆる構造化された照明の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
周期的な構造の画像は、変調の周波数および変調の位相位置（画像の位相）を特色とする。光軸に垂直な構造の位相シフトにより、異なる投影シナリオを得ることができる。深度弁別された光学的断面を算出できるためには、例えば、エム・エー・エー・ニルら（Ｍ．Ａ．Ａ．Ｎｉｌ  ｅｔ  ａｌ．）「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｏｂｔａｉｎｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ  ｂｙ  ｕｓｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｌｉｇｈｔ  ｉｎ  ａ  ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２２（２４）１９９７年、１９０５〜１９０７ページに記載されているように、例えば０°、１２０°、および２４０°の３つの位相画像が必要になる。この場合の欠点は、複数の画像を時間的に前後して記録し、読み出し、差し引かなければならないことである。
【０００３】
可能な限り検出器で既に光学的断面画像を生成させ、それにより非共焦点の背景信号による検出器のダイナミックレンジの制限を阻止するために、ドイツ特許出願公開第１０２５４１３９号では、検出光または試料光の互いに位相のずれた成分を、空間的に分割することが提案されている。ただしこれは、例えば線状の照明の場合、少なくとも２つの検出器列を設ける必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって本発明の課題は、冒頭に述べた欠点を回避できる、試料を深さ分解して光学的に検出するための方法または装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、この課題は、所定の測定時間の間、試料の一試料領域を、測定時間中位相が時間的に変化するパターンで照明し、それによって、相応に時間的に変化する位相が付加された試料光を発生させる照明モジュールと、複数の記録ピクセルを有し、試料領域を記録する位置分解検出領域、記録ピクセルと結合可能な２つの評価チャネル、および両方の評価チャネルと結合された評価ユニットを備える検出モジュールと、測定時間の間、各記録ピクセルを、検出された試料光の位相と時間的に同期して両方の評価チャネルと交互に結合させ、それにより、検出された試料光を互いに位相のずれた２つの成分に分割し、両方の評価チャネルに供給する制御ユニットとを備えており、その際、評価チャネルに供給された成分に基づいて、評価ユニットが試料領域の光学的断面画像を算出する、試料を深さ分解して光学的に検出するための装置によって解決される。
【０００６】
２つの別々の評価チャネルが設けられていること、ならびに記録ピクセルを評価チャネルの一方または他方と交互に結合させることが可能なことにより、同じ記録ピクセルで試料光の両方の位相成分を検出することができ、その結果、非共焦点の背景信号によって検出器のダイナミックレンジが制限されなくなる。
【０００７】
試料光は、照明モジュールの光と試料の相互作用によって発生させる。具体的には、試料光は、蛍光、反射光、ルミネセンス光、散乱光、および／または透過光である。
試料を照明するパターンとは、照明光の所定の強度分布である。特に、例えば正弦分布のような、周期的なパターンまたは周期的な強度分布を生じさせる。位相の時間的な変化も周期的に実施することが好ましい。この場合も、正弦または余弦波形の時間的な位相変化を実施することができる。
【０００８】
制御ユニットは、位相のずれが１８０°（π）となるように、記録ピクセルを両方の評価チャネルと交互に結合させる。これにより断面画像の算出の際に最適な結果が達成される。
【０００９】
各記録ピクセルは２つのサブピクセルを有し、その際、サブピクセルの一方は、両方の評価チャネルのうちの第１の評価チャネルとのみ結合可能であり、サブピクセルのもう一方は第２の評価チャネルとのみ結合可能である。このようにして、検出モジュールは簡単な方法で容易に実現可能である。
【００１０】
記録ピクセルは、延長方向に沿って隣り合わせに配置される。こうして特に線状の検出領域が実現される。こうすると、照明モジュールが試料を線状に照明し、この線状の照明が、その延長方向を横切るように試料上で偏向される場合には、検出領域によって、常に真っ直ぐな線状に照明された試料領域が記録されるので、特に有利である。これは、特に走査型レーザ顕微鏡として装置を形成する場合、照明光を偏向させるためのスキャナが、一般的に試料光のデスキャンにも利用されるので、非常に簡単に実現可能である。
【００１１】
特に、評価チャネルのそれぞれが別々の評価電子機器として形成される。これにより、迅速で正確な、位相に応じた試料光の成分の検出が可能になる。
それぞれの評価チャネルが、記録ピクセルごとに、測定時間の間、供給された成分を合計する積分器を備える。
【００１２】
さらに評価ユニットは、光学的断面画像を算出するために、両方の（好ましくは合計された）成分の引き算をする。これにより検出モジュールがハードウェアで既に、主な全ての（特に時間のかかる）評価を実施可能であり、したがって、断面画像の画像生成のためには、さらに実質的に画像データを相応に表示するだけでよい。もちろん試料の様々な深度での複数の光学的断面が記録され、次いでその記録から、既知の方法によって相応の３次元表示が実現される。
【００１３】
線状の検出の場合、位相変化は、この線状の検出の方向に実施することが好ましい。
試料を深さ分解して光学的に検出するための本発明による装置は、特に顕微鏡として形成される。この顕微鏡は走査型レーザ顕微鏡である。
【００１４】
さらに本発明によれば、所定の測定時間の間、試料の一試料領域を、測定時間中位相が時間的に変化するパターンで照明し、それによって、相応に時間的に変化する位相が付加された試料光を発生させ、測定時間の間、試料領域を位置分解して検出し、検出した試料光を、互いに位相のずれた２つの成分に分割し、その際、その成分に基づいて、試料領域の光学的断面画像を算出する、試料を深さ分解して光学的に検出するための方法が提供される。この方法により、速くて正確性の高い光学的断面画像が取得できる。
【００１５】
検出した試料光を１８０°の位相ずれで分割するなら特に好ましい。この場合、非常によい結果が達成できる。
この方法では、位置分解して検出するために複数の記録ピクセルが設けられ、その際、各記録ピクセルは２つのサブピクセルを有しており、このサブピクセルの一方は、両方の成分のうち第１の成分を供給し、両方のサブピクセルのもう一方は第２の成分を供給する。
【００１６】
さらに、線状の位置分解検出を実施することができる。この場合、位置分解ライン検出器を使用することができる。
さらにこの方法では、それぞれの成分ごとに別々の評価電子機器を設けることができ、その電子機器はそれぞれ、例えば、測定時間の間、供給された成分を位置分解して合計する積分器を備えている。したがって、深さ分解された光学的断面を生成するための主な（特に時間のかかる）評価が、ハードウェアで実施される。このようなハードウェアによる解決策は、一般的に正確さが非常に高く、かつ対応するソフトウェアで実現された解決策よりも速く進めることができる。
【００１７】
特に、光学的断面画像を算出するために、両方の成分の引き算をする。これにより所望の共焦点の画像情報が取得される。
さらに、試料を線状に照明し、この線状の照明の方向に位相を変化させることができる。この線状の照明をさらに試料上でスキャンする場合、試料全体を走査することができ、その際、１つの線状の位置分解検出しか必要ない。
【００１８】
試料を深さ分解して光学的に検出するための本発明による方法は、特に顕微鏡検査方法である。この顕微鏡検査方法は走査型レーザ顕微鏡検査方法でよい。
以下に、本発明の例示的実施形態について図面に基づきさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に示した実施形態では、試料を深さ分解して光学的に検出するための装置は、照明モジュール１、スキャン・モジュール２、顕微鏡モジュール３、検出モジュール４、および制御ユニット５を含む走査型レーザ顕微鏡として形成されている。
【００２０】
照明モジュール１はレーザ・ビームを発生させ、このレーザ・ビームは、照明モジュール１とスキャン・モジュール２の間に接続されたビーム・スプリッタ６を介して、スキャン・モジュール２に向けられ、このスキャン・モジュールは、レーザ・ビームを試料７上で偏向させる。この場合、照明モジュール１は、レーザ・ビームが、試料７上で、または好ましくは試料７中で線状に合焦するように形成され、この線は図平面に対して垂直に延びる。スキャン・モジュール２が、この線状焦点を、線状焦点の延長方向に垂直な方向Ａに偏向させ、それにより試料全体が照明される。
【００２１】
照明モジュール１は、レーザ・ビームを発生させるためのレーザ源８と、そのレーザ源８の後ろに配置され、線状の合焦を生じさせる光学系９と、線状焦点の延長方向に沿って、レーザ・ビームの強度分布を付加する透過性の振幅格子１０とを含んでいる。この強度分布は、周期的な強度分布、例えば余弦波形の分布であることが好ましい。これに加えて装置の動作中、振幅格子１０が線状焦点の延長方向（つまりこの場合は図面に対して垂直）に素早く往復運動し、それにより、強度分布にさらに時間的に変化する位相が付加される。その際、振幅格子１０の往復運動は、スキャン・モジュール２による偏向より明らかに速くなるように選択され、そのため、試料７の線状に照明された各区間は、位相が時間的に変化するパターン（振幅格子１０の強度分布）で照明されるようになる。この往復運動は、例えば線状に照明されるそれぞれの区間が、２０周期より多い、１００周期より多い、または１，０００周期より多い往復運動の間、照明されるほど速くなり得る。
【００２２】
合焦されたレーザ・ビームは、その焦点内で試料放射を発生させ、この試料放射は、顕微鏡モジュール３を介してスキャン・モジュール２に達し、その結果、試料放射は、スキャン・モジュールの後ろで（つまりスキャン・モジュール２とビーム・スプリッタ６の間で）静止したビームとして存在するようになる。したがって、しばしば、スキャン・モジュール２が試料放射をデスキャンするとも言われる。ビーム・スプリッタ６は、試料放射を透過させるように形成され、したがって試料放射が検出モジュール４に当たる。
【００２３】
検出モジュール４は、図２に示したように、複数の記録ピクセル１２を有する位置分解する線状の検出領域１１を有する。ここでは図を簡略にするために、２つの記録ピクセル１２だけを示してある。もちろん記録ピクセルの数はもっとずっと多くてもよく、例えば５１２記録ピクセルまたは１０２４記録ピクセルである。
【００２４】
以下に説明する位相に応じた試料光の評価により、試料が実際には３次元で照明されるにもかかわらず、顕微鏡モジュール３の焦点面内の平面（光学的断面）だけが再現される。試料の様々な深度での複数の断面を記録する場合、続いて既知の方法により試料の３次元画像が算出される。
【００２５】
試料光を位相に応じて評価するために、線状に配置された記録ピクセル１２の両側に、評価チャネル１３および１４が配置され、その際、評価チャネル１３が試料光の同相成分を検出し、評価チャネル１４が試料光の異相成分を検出する。位相格子１０が往復運動することにより、試料内の照明された線内にある個々の点は、ある時は最大強度で照明され、ある時は最小強度で照明される。最大強度で照明される位置から来る試料光が同相成分に相当し、一方、最小強度で照明される位置から来る試料光が異相成分に相当する。
【００２６】
もちろん異相成分および同相成分への最小強度または最大強度の割り当ては、パターンの強度分布が長方形の場合しか厳密に正確ではない。例えば余弦波形の分布の場合は、閾値を設定することが可能であり、その際、閾値より高い強度で照明される点から来る試料光が同相成分に相当する。逆に、閾値以下の強度で照明される点から来る試料光は異相成分に相当する。
【００２７】
この同相成分は、共焦点断面からの信号に検出領域１１の同相成分と背景信号の積を加えたものに相当するとも言える。検出領域１１の同相成分は、第１のチャネル１３と結合された記録ピクセル１２によって形成される格子に相当する。同様に異相成分は、共焦点の断面画像からの信号に検出領域１１の異相成分と背景信号の積を加えたものである。この検出領域１１の異相成分とは、第２の評価チャネル１４と結合された記録ピクセル１２によって形成される格子に相当する。
【００２８】
両方の評価チャネル１３および１４はそれぞれ、線状焦点が試料のある位置に滞在する時間の間、記録ピクセル１２ごとに同相成分および異相成分を積分または合計する。続いて、各記録ピクセル１２について積分された個々の信号の引き算をし、積分された測定信号Ｓを生成する。往復運動の回数が十分に多いと、例えば線状焦点が余弦波形の強度分布である場合に、測定信号Ｓ（Ｐ）が光学的断面画像からの信号の半分に相当することが導かれる。この信号は、もはや、望ましくない焦点外の平面からの背景信号を含んでいない。この関係の相応の導出は、例えばドイツ特許出願公開第１０２５４１３９号から成され、その際、検出領域１１の同相成分および異相成分は、構造ＳＴの同相成分および異相成分に相当する。ここでは図３に、測定信号Ｓが、往復運動の周期Ｐの数に応じて信号値の半分Ａ／２にどのように近づいていくかが、概略的に示されている。
【００２９】
図２に示した検出領域１１の場合、各記録ピクセル１２は隣り合わせに配置された２つのサブピクセル１５、１６から構成される。ピクセル１２に同相成分が当たるか異相成分が当たるかによって、サブピクセル１５が転送ゲート１７を介して第１の評価チャネル１３のインテグレータ１８と結合され、あるいはサブピクセル１６が転送ゲート１９を介して第２の評価チャネル１４のインテグレータ２０と結合される。
【００３０】
したがって第１の時点では、図２において右の記録ピクセル１２のサブピクセル１５が第１の評価チャネル１３と結合され、左の記録ピクセル１２のサブピクセル１６が第２の評価チャネル１４と結合される（平行斜線が引かれた矢印Ｐ１、Ｐ２）。第２の時点では、逆に右の記録ピクセル１２のサブピクセル１６が第２の評価チャネル１４と結合され、左の記録ピクセル１２のサブピクセル１５が第１の評価チャネル１３と結合される（矢印Ｐ３、Ｐ４）。
【００３１】
したがって、評価ピクセル１２が第１または第２の評価チャネル１３、１４と選択的に結合されることにより、試料光の同相成分と異相成分の分割が行われる。振幅格子１０の往復運動の全周期の終了後、記録ピクセル１２に関して生成された、積分器１８、２０の同相および異相の測定信号が、対応するシフト・レジスタ２１、２２を介して減算器２３に供給され（矢印Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８、Ｐ９、Ｐ１０）、この減算器が、記録ピクセルごとに、同相成分から異相成分を差し引き、これにより所望の測定信号Ｓが生成される。次いで、測定信号Ｓから所望の断面画像を生成または算出する。
【００３２】
もちろん個々の記録ピクセル１２のサブピクセル１５および１６は、図２に示したような隣り合った配置である必要はない。サブピクセルは、上下に重なり合った配置でもよい。
【００３３】
ここで説明した測定工程（スキャンしながらの照明を含む）は、制御ユニット５によって制御される。
図４には、図２に示した記録モジュール４の一変形形態が示されている。図４の記録モジュール４は、図２に示したものとは検出領域１１の形成が異なっている。図４の検出領域１１の場合、各記録ピクセルが、選択的に第１または第２の評価チャネル１３、１４と完全に結合できる１つのピクセルから構成される。したがって第１の時点では、（図４の左から）第１および第３の評価ピクセル１２が第１の評価チャネル１３と結合され、第２および第４の評価ピクセル１２が第２の評価チャネル１４と結合されることができる（平行斜線が引かれた矢印Ｐ１１）。第２の時点では、記録ピクセル１２と評価チャネルの結合が逆になる（矢印Ｐ１２）。この場合も、測定時間の終了後、積分器１８、２０で合計された同相成分および異相成分は、シフト・レジスタ２１、２２を介して減算器２３に供給され、この減算器が、記録ピクセル１２に関する測定信号Ｓを生成する。したがって、常に全ての記録ピクセル１２が第１または第２の記録評価チャネル１３、１４と結合されているので、図２の形成とは異なり試料光が完全に使用される。常に全てのピクセルが画像生成に寄与するので、解像度も図２の実施形態より高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】試料を深さ分解して光学的に検出するための本発明による装置の１実施形態の概略図。
【図２】図１の検出モジュール４の拡大概略図。
【図３】測定信号を照明パターンの位相変化の周期数の関数として示したグラフ。
【図４】図１の検出モジュール４の代替実施形態を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2009510412.tif 000008
2009510412.tif 000009
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