PROCESS AND DEVICE FOR DETERMINING THE FOCUSING STATE OF AN IMAGING OPTICAL APPARATUS

Abstract: To determine the focusing state of an image forming optical apparatus, for example an optical or electronic microscope, an axial astigmatism having a predetermined orientation is introduced during the image forming process and the self-correlation function of the resultant image is formed, preferably by means of an optical correlator. The self correlation function of an image provided with an axial astigmatism takes, outside the focal plane, the shape of an ellipsoidal line of which the orientation depends on the position of the image before or behind the focal plane. On the base of the orientation of the line representing the self-correlation function, it is possible to establish whether the image is overfocused or underfocused.

Description: Verfahren und Einrichtung zum Ermitteln des Fokussierungszustandes eines abbildenden optischen Gerätes Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zum Ermitteln des Fokussierungszustandes eines abbildenden Gerätes, wie eines Licht- oder Elektronenmikroskopes. Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind Elektronenmikroskope, insbesondere Durchstrahlungs-Elektronenmikroskope, und die Erfindung soll daher im folgenden in erster Linie anhand dieses Anwendungsbeispieles erläutert werden. Dies ist jedoch nicht einschränkend auszulegen, die Erfindung lässt sich vielmehr auch auf andere abbildende teilchenoptische Geräte, wie Ionenmikroskope, Bildwandler und dergl., anwenden sowie auch auf abbildende lichtoptische Geräte, wie Lichtmikroskope. Der Fokussierungszustand ("Scharfeinstellung") eines Elektronenmikroskopes wird im allgemeinen visuell anhand des Leuchtschirmbildes eingestellt. Es ist auch bereits aus der DE-C-24 41 288 bekannt, den Fokussierungszustand eines Elektronenmikroskops durch Kreuz korrelat ion zu bestimmen. In beiden Fällen kann man das Vorzeichen einer Defokussierung nicht aus einem einzigen Bild, also aus einer "Momentaufnahme" bestimmen, man muss vielmehr den Fokussierungszustand ändern, um feststellen zu können, ob das Elektronenmikroskop überfokussiert oder unterfokussiert ist. Bei einer überfokussierung liegt die Fokusebene, d.h. die Ist-Ebene des fokussierten Bildes, vom Objekt aus gesehen vor der Soll-Bildebene, z.B. einem Leuchtschirm, einer Photoplatte, einer Photokathode eines Bildwandlers oder der Objektebene eines Okulars eines lichtoptischen Mikroskopes, während bei einer Unterfokussierung sich die Fokusebene hinter der Soll-Bildebene befindet. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine'Einrichtung anzugeben, durch die das Vorzeichen und gemäss einer Weiterbildung auch der Betrag der Defokussierung des Gerätes auf einfache Weise bestimmt werden können. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass ein axialer Astigmatismus vorgegebener Orientierung erzeugt wird; dass zwei Darstellungen des entstehenden astigmatischen Bildes unter Erzeugung einer zweidimensionalen Korrelationsfunktion korreliert werden und dass die Orientierung der Korrelationsfunktion bestimmt wird. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sowie vorteilhafte Einrichtungen zu seiner Durchführung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Durch das vorliegende Verfahren lässt sich das Vorzeichen und gegebenenfalls der Betrag der Defokussierung aus einem einzigen Bild einwandfrei bestimmen und damit die Richtung einer etwa notwendigen axialen Verstellung des Objekts, des Mikroskoptubus oder der Änderung von Linsenströmen bzw. Spannungen, die für die Erzeugung eines elektronenoptischen fokussierten Bildes in der Soll-Bildebene erforderlich ist. Man kann dadurch den Fokussierungsprozess leicht automatisieren. Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Durchstrah lungs-Elektronenmikroskops mit einer Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens; Fig. 2 Darstellungen der Autokorrelationsfunktion eines astigma tischen Bildes für verschiedene Fokussierungszustände; Fig. 3a und 3b Logikschaltnetze für eine Einrichtung gemäss Fig. 1. In Fig. 1 ist ein im wesentlichen konventionelles elektromagnetisches Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop 10 dargestellt, welches ein Strahlerzeugungssystem 12, eine Objekthalterung 14, ein Objektiv 16, ein Projektiv 18 und einen Leuchtschirm 20 enthält. Der Strahlengang des Elektronenmikroskops 10 enthält ferner einen Stigmator 22, der hinter dem Objektiv 16 angeordnet ist. Ein Stigmator ist eine magnetische Multipollinse, die zur Kompensation des axialen Astigmatismus des Abbildungssystems dient. Unter dem axialen Astigmatismus versteht man den Bildfehler der durch Abweichungen des elektronenoptischen Linsensystems von der Rotationssymmetrie verursacht wird, und wenn hier von "Astigmatismus" oder "astigmatisch" gesprochen wird, ist immer der axiale Astigmatismus gemeint. Die verschiedenen elektromagnetischen Linsen werden durch eine geregelte Stromversorgungseinheit 24 gespeist. Dem Elektronenmikroskop 10 ist eine Einrichtung 30 zur Bestimmung des Fokussierungszustandes zugeordnet. Die Einrichtung 30 enthält bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 eine optisch-elektrische Wandlereinrichtung, die nach Art einer Fernsehkamera aufgebaut sein kann und einen Teil 20a des Leuchtschirms 20 rastermässig abtastet sowie auf einer Ausgangsleitung 32 ein fernsehmässiges Videosignal liefert. Das Videosignal von der Ausgangsleitung 34 wird über eine Torschaltung 36 einem optischen Korrelator 38 zugeführt, der die Autokorrelationsfuktion des von der Wandlereinrichtung 32 erfassten Bildbereiches erzeugt. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält der optische Korrelator 38 eine Schwellenwertschaltung 40, die die Amplitude der Videosignale binär quantisiert, sowie zwei Flüssigkristall-Punktmatrix-Anzeigevorrichtungen, die jeweils eine Steuerschaltung 42a, 44a sowie eine zweidimensionale Flüssigkri stallzellenanordnung 42b, 44b, enthalten. Solche LCD-Anzeigevorrichtungen sind im Handel erhältlich, siehe z.B. den Bericht "Grafik-LCD" in der Zeitschrift FUNKSCHAU 12/1982, S. 12. Der optische Korrelator enthält ferner eine Lichtquelle 46 und eine Kondensorlinse 48 und eine Streuscheibe 49 zum Beleuchten der LCD-Punktmatrix 42k, eine Linse zur Fokussierung der parallelen Lichtstrahlen, die entsprechende Bildelemente (Pixels) in den Punktmatrix-Anzeigevorrichtungen 42b, 44b durchsetzend, und eine optisch-elektrische Wandlereinrichtung 52, die beispielsweise eine zweidimensionale Anordnung von Photodioden enthalten kann und anhand von Fig. 2 und 3 noch näher erläutert werden wird. Das Prinzip des optischen Korrelators 38 und anderer geeigneter optischer Korrelatoren ist in DE-C-24 41 288 und DE-C-25 29 735 eingehend beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Optische Korrelatoren mit LCD-Einrichtungen sind in DE-A 33 25 855 beschrieben, auf die hier ebenfalls Bezug genommen wird. Der optische Korrelator 38 kann auf dem Prinzip der Kreuzkorrelation arbeiten, wie die oben beschriebenen bekannten bzw. vorge schlagenen optischen Korrelatoren, vorzugsweise arbeitet er jedoch auf dem Prinzip der Autokorrelation, d.h. dass ein durch die elektro-optische Wandlereinrichtung 32 aufgenommenes Bild mit sich selbst korreliert wird, was mathematisch einer Quadrierung der Intensitäten der einzelnen Pixels und Summierung der erhaltenen Quadrate entspricht. Die Autokorrelation hat gegenüber der Kreuzkorrelation den Vorteil, daR das in der Bildebene der Linse 50 auf der optisch-elektrischen Wandlereinrichtung 52 entworfene Bild der Korrelationsfunktion oder Faltung immer zentriert ist. Die Eingabe eines einzigen Bildes in den optischen Korrelator 38 kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Videosignale von der Ausgangsleitung 34 einer Vertikalsynchronisierimpuls-Abtrennstufe 54 zugeführt, von der die abgetrennten Vertikalsynchronisierimpulse einer Zählerschaltung 56 zugeführt werden. Die Zählerschaltung 56 ist durch einen Startimpuls S einschaltbar und liefert auf einer Ausgangsleitung 58 einen Auftastimpuls an die Torschaltung 36, der beginnt, wenn der erste Vertikalsynchronisierimpuls eintrifft, nachdem die Zählerschaltung durch den Startimpuls ansprechbereit gemacht worden ist und der endet, wenn der dritte Vertikalsynchronisierimpuls eintrifft. Auf diese Weise lässt die Torschaltung 36 also genau zwei Halbbilder durch, die durch die Schwellenwertschaltung 40 quantisiert und durch die LCD-Anzeigevorrichtungen 42, 44 in entsprechende Transmissionsbilder umgesetzt werden. Die Autokorrelationsfunktion eines stigmatisch fokussierten Bildes ist ein rotationssymmetrischer Peak 60, wie er in Fig. 2a dargestellt ist. Enthält die optisch-elektrische Wandlereinrichtung 52 beispielsweise eine Matrix von 3 x 3 Photodioden 1 bis 9, wie es in Fig. 2a dargestellt ist, und ist die Photodioden-Matrix bezüglich des Strahlenganges des Korrelators 38 zentriert, so erhält bei einem stigmatisch fokussierten Bild lediglich die mittlere Photodiode 5 Licht. Die Verhältnisse ändern sich auch nicht wesentlich, wenn das Bild mit axialem Astigmatismus behaftet ist. Die Autokorrelationsfunktion ist bei fokussiertem Bild dann immer noch rotationssymmetrisch, das Autokorrelationsmaximum ist lediglich etwas diffuser. Anders liegen die Verhältnisse jedoch, wenn das durch das elektronenoptische System erzeugte astigmatische Bild nicht in der durch den Leuchtschirm 20 gebildeten Soll-Bildebene liegt. In diesem Falle ist das Bild der Autokorrelationsfunktion des astigmatischen Bildes ein langgezogener, strichartiger bzw. ellipsenförmiger Peak, der in Abhängigkeit von der Orientierung des axialen Astigmatismus des Abbildungssystems und je nachdem, ob überfokussierung oder Unterfokussierung vorliegt, eine erste, z.B. vertikale Richtung hat, wie es in Fig. 2b dargestellt ist, oder eine im rechten Winkel hierzu verlaufende horizontale Orientierung, wie es bei 6Oc in Fig. 2c dargestellt ' ist. Diese Tatsache wird bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzt: Zur Feststellung des Fokussierungszustandes wird mittels des Stigmators 22 bewusst ein axialer Astigmatismus vorgegebener Orientierung eingeführt. Da die Orientierung des bewusst erzeugten axialen Astigmatismus dann bekannt ist, lässt sich nun aufgrund der Orientierung des Bildes der Autokorrelationsfunktion sofort feststellen, ob überfokussierung oder Unterfokussierung oder exakte Fokussierung vorliegen. Das Vorzeichen einer etwaigen Defokussierung kann im einfachsten Falle optisch ermittelt werden, indem man in der Brennebene der Linse 50 eine Mattscheibe anordnet und das auf dieser entstehende optische Bild der Autokorrelationsfunktion betrachtet. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung des Fokussierungszustandes jedoch auf elektronischem Wege, was u.a. den Vorteil hat, dass man die auf diese Weise erzeugten Signale für eine automatische Fokussierung des Elektronenmikroskops verwenden kann. Zur elektronischen Ermittlung des Fokussierungszustandes kann man sich einer Photodiodenmatrix 62 der in Fig. 2 dargestellten Art bedienen, die in der Praxis jedoch im allgemeinen mehr als 3 x 3 Photodioden oder andere photoelektrische Aufnehmer enthalten wird. Die Signale der Photodioden 1 bis 9 lassen sich beispielsweise durch ein logisches Schaltnetz verarbeiten, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Zur Ermittlung des Zustandes "überfokussierung" (+) und "Unterfokussierung'' dient jeweils eine Schaltungsanordnung der in Fig. 3a dargestellten Art. Die Bezeichnungen ohne Klammern gelten dabei für die Schaltung zur Ermittlung des Zustandes "überfokussierung", die Bezeichnungen mit Klammern für die Schaltung zur Ermittlung des Zustandes "Unterfokussierung". Einem ersten UND-Glied : 70 werden die Signale von den drei Photodioden 2, 5, 8 (bzw. 4, 5, 6) zugeführt, auf die jeweils das längliche Bild 60b (bzw. 60c) der Autokorrelationsfunktion für den betreffenden Defokussierungszustand fällt. Zur Sicherheit kann noch eine Antikoinzidenzschaltung mit einem NOR-Glied 72 und einem zweiten UND-Glied 74 vorgesehen sein, die die Erzeugung des betreffenden Ausgangssignals nur dann zulässt, wenn die seitlich der Mitte des strichförmigen Bildes liegenden Photodioden 4, 6 (bzw. 2, 8) kein Licht erhalten. Ein Signal F, das dem Zustand genauer Fokussierung entspricht, kann gemäss Fig. 3b durch ein Schaltnetz erzeugt werden, das ein NOR-Glied 76 mit vier Eingängen, die mit den rechts und links bzw. oberhalb und unterhalb der mittleren Photodiode 5 gelegenen Photodioden 2, 4, 6, 8 gekoppelt sind und dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines UND-Gliedes 78 verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit der mittleren Photodiode 5 verbunden ist. Das UND-Glied 78 liefert das Ausgangssignal F also nur dann, wenn nur die Photodiode 5 Licht erhält, aber keine der Photodioden 2, 4, 6 und 8. Die Länge des strichförmigen Bildes 6Ob, 60c hängt ausser vom Betrag des Astigmatismus des Bildes auch vom Ausmass der Defokussierung ab. Mit einer grösseren oder feiner unterteilten Photodiodenmatrix kann also zusätzlich zum Vorzeichen der Defokussierung auch das Ausmass der Defokussierung bestimmt werden. Eine Grob- und eine Feineinstellung der Fokussierung lässt sich auf einfache Weise durchführen, indem man zuerst zur Grob-Fokussierung mittels des Stigmators 22 nur einen schwachen axialen Astigmatismus einführt, das Bild dann so weit fokussiert, wie es das Auflösungsvermögen des Korrelators 38 zulässt und anschliessend mittels des Stigmators 22 einen stärkeren Astigmatismus einstellt, so dass der Korrelator 38 erneut ansprechen und zur Nachfokussierung verwendet werden kann. Selbstverständlich kann man die Fokussierung auch in mehr als zwei Stufen durchführen. Das in der Brennebene der Linse 50 erzeugte Bild der Autokorrelationsfunktion kann selbstverständlich auch auf andere Weise verarbeitet werden. Man kann es z.B. mittels einer Fernsehaufnahmeröhre aufnehmen, quantisieren und in einem Computer verarbeiten, wobei im Prinzip die gleichen Operationen durchgeführt werden, wie sie anhand der Figuren 2 und 3 erläutert wurden. Die mit den logischen Schaltnetzen gemäss Fig. 3 erzeugten Signale lassen sich zur automatischen Scharfeinstellung des Elektronenmikroskops 10 verwenden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Programmsteuerung 80 vorgesehen sein, die in bestimmten gegebenenfalls einstellbaren Zeitabständen jeweils eine überprüfung und gegebenenfalls Nachstellung des Fokussierungszustandes des Elektronenmikroskops 10 bewirkt. Zur Einleitung eines überprüfungs- und Nachfokussierungsvorganges liefert die Programmsteuerung 80 als erstes ein Signal A an die Stromversorgung 24a für den Stigmator 22, durch das ein bestimmter Astigmatismus eingestellt wird. Anschliessend liefert die Programmsteuerung 80 das Startsignal S an den Zähler 56, wodurch in der oben beschriebenen Weise die Eingabe eines Bildes in den optischen Korrelator 38 veranlasst wird. Wenn die Logikschaltungen (Fig. 3a, Fig. 3b) in der Einrichtung 52 dann das Signal F liefern, ist das Elektronenmikroskop ordnungsgemäss fokussiert, die Programmsteuerung 80 stellt dann den Stigmator wieder zurück und schaltet ab, bis der Zeitpunkt für die nächste Nachprüfung des Fokussierungszustandes gekommen ist. Tritt jedoch das Signal (+) oder (-) auf, so liefert die Programmsteuerung 80 ein Nachstellsignal N ensprechenden Vorzeichens an den Stromversorgungsteil 24b, für das Objektiv 16, durch das der Objektivstrom im Sinne einer Verringerung der Defokussierung nachgestellt wird. Die Nachstellung kann iterativ erfolgen, d.h. der Strom wird um ein vorgegebenes, kleines Inkrement geändert, dann wird ein neuer Start impuls S erzeugt und der Fokussierungszustand erneut überprüft. Alternativ kann die Verstellung des Objektivstroms stetig, aber so langsam erfolgen, dass die Anderung des Fokussierungszustandes kontinuierlich überprüft werden kann, indem eine Folge von Startimpulsen erzeugt wird, bis schliesslich das Signal F auftritt. Die Programmsteuerung 80 schaltet dann den Stigmator 22 wieder auf den normalen Zustand, in dem ein hinsichtlich des Astigmatismus optimal korrigiertes Bild erzeugt wird, zurück und geht in den Ruhezustand, bis der nächste überprüfungs- und Fokussierungsvorgang gewünscht wird. Anstelle der oben erwähnten optischen Korrelationscomputer kann man im vorliegenden Falle auch einen Digitalrechner verwenden, da zum Ermitteln des Fokussierungszustands nur relativ wenige Werte der Autokorrelationsfunktion in der Umgebung des Korrelationspeaks errechnet zu werden brauchen. Die obigen überlegungen lassen sich auch auf abbildende lichtoptische Geräte, wie Licht-Mikroskope, anwenden. Hier kann der erforderliche Astigmatismus z.B. durch Einführung einer Zylinder linse in den Strahlengang des optischen Mikroskopes erfolgen. Die Zylinderlinse ist z.B. durch eine Schwenkvorrichtung oder eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung (vom Objekt aus gesehen) hinter dem Objektiv und vor dem durch dieses erzeugte Zwischenbild selektiv in den Strahlengang einschaltbar gehaltert.

Claims: Verfahren und Einrichtung zu. Ermitteln des Fokussierungszustandes eines abbildenden optischen Gerätes Patentansprüche 1. Verfahren zum Ermitteln des Fokussierungszustandes eines abbildenden Gerätes, wie eines.Licht- oder Elektronenmikroskops, dessen Strahlengang eine Vorrichtung zur Beeinflussung des axialen Astigmatismus des erzeugten Bildes enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Astigmatismus vorgegebener Orientierung erzeugt wird; dass zwei Darstellungen des entstehenden astigmatischen Bildes unter Erzeugung einer zweidimensionalen Korrelationsfunktion korreliert werden und dass die Orientierung der Korrelationsfunktion bestimmt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Darstellungen des Bildes gleich sind und unter Bildung der Autokorrelationsfunktion korreliert werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein bestimmter Betrag des Astigmatismus eingestellt wird und dass der Betrag der Defokussierung aus der Längsabmessung des aus der Korrelation resultierenden Korrelations-Peaks bestimmt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation auf optischem Wege unter Erzeugung eines zweidimen sionalen Bildes der Korrelationsfunktion durchgeführt wird. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Abbildungssystem, welches eine Soll-Bildebene und eine Vorrichtung zur Beeinflussung des axialen Astigmatismus eines in der Soll-Bildebene erzeugten Bildes enthält, und mit einer Korrela tionsworrichtung, der eine dem Bild entsprechende Eingangsgrösse zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsvorrich tung (38) eine Anordnung (62, 70) zum Ermitteln der Orientierung eines länglichen Korrelations-Peaks enthält. 6. Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsvorrichtung (38) eine Autokor relationsvorrichtung ist. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsvorrichtung (38) ein optischer Korrelator ist. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Korrelator Flüssigkristallmatrixanordnungen (42, 44) zum Erzeugen optischer Darstellungen des Bildes enthält. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (80), die bei Auslösung einen vorgege benen axialen Astigmatismus bestimmter Orientierung erzeugt und anschliessend die Ermittlung der Orientierung des Korrelations-Peaks veranlasst. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Orientierung des Korrelations-Peaks entsprechendes Signal einer Vorrichtung zur Nachstellung des Fokussierungszustandes zugeführt ist.

Inventors: HOPPE, WALTER, PROF. DR.
Applicants: MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER WISSENSCHAFTEN E.V.
Application year: 1984
Main classification: H01J37
IPC codes: G02B7, H01J37, G02B21