DD201952A5

DD201952A5 - Vorrichtung zum punktweisen abtasten eines gegenstandes

Info

Publication number: DD201952A5
Application number: DD81234161A
Authority: DD
Inventors: Gijsbertus Bouwhuis; Josephus J M Braat
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1981-07-24
Filing date: 1981-10-16
Publication date: 1983-08-17
Also published as: GB2102235B; GB2102235A; BE890761A; ES506291A0; SE8106134L; ATA444781A; US4446548A; IT8124540A0; DE3141140A1; CA1179535A; JPS5819845A; ES8207353A1; DE3141140C2; FR2510292A1; NL8103505A; JPH0234149B2; AT371620B; FR2510292B1; IT1168181B; SE454919B

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum punktweisen Abtasten eines Gegenstandes, die mit zwei fuer die verwenddeten Abtaststrahlung, z. B. Licht-, Schall-, Elektronen- oder Roentgenstrahlung, empfindlichen Detektoren versehen ist. Indem in mindestens einer der Verbindungsleitungen zwichen den Detektoren und einer addierenden Eingangsstufe einer Signalverarbeitung ein einstellbarer elektronischer Phasendreher angebracht wird, wird eine universell anwendbare Vorrichtung erhalten,mit der ein phasenbild, ein Amplitudenbild oder eine Kombination eines Phasen- und eines Amplitudenbildes sichtbar gemacht werden kann.

Description

Berlin, den 29,1.1982 59 901/13

Vorrichtung zum punktweiser!. Abtasten eines Gegenstandes Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum punkt^eisen Abtasten eines Gegenstandes, die eine ein Abtastbündel liefernde Strahlungsquelle, ein Obgektivsystem zum Fokussieren des Abtastbundeis zu einem Strahlungsfleck auf dem Gegenstand and ein strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält, mit dessen Hilfe das von dem Gegenstand herrührende Abtastbündel in ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitungsschaltung umgesetzt vjird, die das Signal für Wiedergabe geeignet macht, Tsobei dieses Detektionssystem mindestens zwei strahlungsempfindliche Detektoren enthält, die in der Abtastrichtung hintereinander angeordnet sind·

Diese Vorrichtung kann sowohl ein optisches Mikroskop oder ein akustisches Mikroskop als auch ein Elektronenmikroskop oder ein Eöntgenmikroskop sein» Das genannte Abtastbündel kann daher sowohl ein Bündel elektromagnetischer Strahlung als auch ein Schallwellenbündel oder ein Teilchenbündel sein. Der Ausdruck "Objektivsystem" ist in weitem Sinne aufzufassen und bezieht sich auf ein System, das ein Bündel einer der genannten Strahlungsarten zu einem sehr kleinen Abtastfleck in der Größenordnung der Wellenlänge der verwendeten Strahlung und der Wellenlänge der zu detektierenden Details des Gegenstandes verschmälert. Das Detektionssystem muß.naturgemäß der verwendeten Strahlungsquelle angepaßt sein,

-äFEä1982*888i7O

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Charakteristik der bekannten technischen Losungen

In der offengelegten niederländischen Patentanmeldung Nr. 7 8p3 517 ·(PHN.9083) im Namen der Anmelderin ist eine Vorrichtung beschrieben, mit deren Hilfe mit einem kleinen Auslesefleck ein optischer Aufzeichnungsträger mit einer aus in Spuren angeordneten Informationsgebieten aufgebauten

'.") Informationsstruk%ur abgetastet viird. Die Informationsstruktur weist die Form einer Phasenstruktur auf, und die nebeneinander liegenden Informationsspuren unterscheiden sich dadurch voneinander, daß die Informationsgebiete einer ersten Informationsspur aus Verhältnismäßig tiefen Gruben und die Informationsgebiete einer benachbarten Spur aus verhältnismäßig v^eniger tiefen Gruben bestehen. Um die zwei Arten von Informationsgebieten gut auslesen zu können, müssen zwei verschiedene Ausleseverfahren angewandt werden. Die Aus lesevorrichtung enthält zwei strahlungsempfindliche Detektoren, die im fernen Feld der Informationsstruktur, und.zwar in der Abtastrichtung gesehen, hintereinander liegen. Zum Auslesen der tieferen Phasenstruktur werden die

J Ausgangssignale der zwei Detektoren zueinander addiert, während zum Auslesen der weniger tiefen Phasenstruktur diese Signale voneinander subtrahiert werden. Die Ausleseverfahren sind unter den Bezeichnungen "Integralverfahren" bzw. "Different malverfahren" bekannt.

Da die zwei Ausleseverfahren verschiedene optische Übertragungsfunktionen (M.T.F. = Modulation Transfer Funktion) aufweisen, kann die abwechselnde Anwendung der zwei Ausleseverfahren in dem von der Auslesevorrichtung endgültig abgegebenen Signal vorhanden sein. Wenn auf dem Aufzeichnungsträger ein Videosignal gespeichert ist, ergibt z. B. die

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eine Übertragungsfunktion andere Grauschattierungen oder eine andere Färbsatt igung in dem endgültigen Fernsehbild als die andere Übertragungsfunktion. Außerdem ist das Bild, das dadurch erhalten wird, daß die Signale der zviei Detektoren voneinander subtrahiert werden, die Differenziation des Gegenstandes, wodurch Strukturen niedrigerer Baumfrequenzen des Gegenstandes nicht optimal wiedergegeben \ierden, Ss ist daher erwünscht, einen optischen Aufzeichnungsträger mit zwei verschiedenen Phasenstrukturen mittels eines einzigen AusIeseverfahrens auslesen zu können, wobei vorzugsweise die Übertragungsfunktion als Funktion der Frequenz einstellbar ist.

Die Informationsgruben, die durch das Integralverfahren ausgelesen werden, · können eine derartige optische Tiefe aufweisen, daß sie einen Phasenunterschied von 180° zwischen dem Bündel nullter Ordnung und einem der Teilbündel erster Ordnung herbeiführen, die bei Projektion des Ausleseflecks auf eine derartige Grube entstehen. Ein derartiger Phasenunterschied würde auch entstehen, wenn der Auslesefleck eine Amplitudenstruktur abtasten würde* Eine Detektoranordnung, die in der Auslesevorrichtung nach der genannten niederländischen Patentanmeldung Nr, 7 803 517 verwendet wird, könnte also in einem optischen Mikroskop verwendet werden, mit dem sowohl Phasen- als auch Amplitudenob^ekte ausgelesen werden können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile bekannter Vorrichtungen zu vermeiden.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine einstellbare Detektionsfunktion für eine Vorrichtung zum punktrceisen Abtasten eines Gegenstandes zu schaffen, wodurch eine derartige Vorrichtung für die Abtastung von Gegenständen mit verschiedenen Strukturen, d. h. einer Phasenstruktur, einer Amplitudenstruktur oder einer eine Kombination einer Phasenstruktur und einer Amplitudenstruktur bildenden Struktur, geeignet ist.

Die Abtastvorrichtung nach der Erfindung mit mindestens zwei in der Abtastrichtung verschobenen Detektoren"ist dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen einer addierenden Eingangsstufe der Verarbeitungsschaltung ein phasendrehendes Glied mit einer einstellbaren Phasendrehung angeordnet ist. Durch die elektronische Phasendrehung ^ird eine komplexe Detektionsfunktion erhalten, die auf einfache Weise auf elektronischem Wege angepaßt werden kann. Unter der Detektionsfunktion " ist die Übertragungsfunktion des durch die strahlungsempfindlichen Detektoren und die addierende Eingangsstufe der elektronischen Verarbeitungsschaltung gebildeten Systems zu verstehen.

Der Erfindungsgedanke kann in allen denkbaren Arten von Abtastvorrichtungen angewandt werden, nicht nur in optischen Abtastvorrichtungen, sondern auch in den Abtastvorrichtungen, in denen ein akustisches Bündel, ein Elektronenbündel oder ein Höntgenbündel als Abtastbündel verwendet inird.

Es sei bemerkt, daß im Aufsatz: "A Detection Method for Producing Phase- and Amplitude-Images simultaneously in a

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Scanning Transmission Electron Microscope" in "Philips Technical Review", Band 37, Nr. 1, S, 1 bis 9, ein abtastendes Elektronenmikroskop mit z^ei in der Abtastrichtung verschobenen Detektoren beschrieben ist, mit dem sowohl ein Phasenbild als auch ein Amplitudenbild eines Gegenstandes erhalten werden können. Sin Phasenbild wird dadurch erhalten, daß die D_et_ektorsignale voneinander subtrahiert werden, während ein Amplitudenbild dadurch erhalten tfird, daß diese Signale zueinander addiert werden. In dem bekannten Elektronenmikroskop sind die Detektoren nicht mit einem elektronischen Phasendreher verbunden, wodurch dieses Mikroskop nicht die vielseitige Anwendbarkeit der Abtastvorrichtung nach der Erfindung aufweist.

In der Abtastvorrichtung kann zwischen nur einem Detektor und einer Eingangsklemme der Verarbeitungsschaltung ein phasendrehendes Glied angeordnet sein, Sine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist aus Symmetrieerraägungen reiter dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den zugehörigen Eingangsklemmeη der Eingangsstufe ein einstellbarer Phasendreher angeordnet ist, wobei die von diesen Phasendrehern eingeführten Phasendrehungen gleich groß sind, jeodch ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen,,

Durch die genannte Phasendrehung vsird der Modulus des von der addierenden Bingangsstufe gelieferten Abtastsignals optimiert. Dabei vürd, falls die Phase nur eines der Detektorsignale gedreht ^ird, auch die Phase des Abtastsignals beeinflußt. Die Phase des Abtastsignals kann wiederhergestellt werden, Tienn die Abtastvorrichtung reiter dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ausgang der addierenden

is «s? S

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Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der die Phasendrehung - ^- bewirkt, vjobei *f _Q die Phasendrehung eines einzigen in einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen der Eingangsstufe angeordneten Phasendrehers ist.

Wenn die Abtastvorrichtung reiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die addierende Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der eine Phasendrehung einführt, die von einer Phasenasymmetrie in dem abtastenden Strahlungsfleck abhängig ist, kann für die genannte Asymmetrie ausgeglichen werden, die durch Koma des optischen Systems herbeigeführt werden kann.

Die phasendrehenden Glieder können, je nach der gewünschten Anwendung der Abtastvorrichtung, verschieden ausgebildet sein. Eine erste besonders einfache Ausführungsform der Abtastvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Glieder zwischen z?jei im wesentlichen festen Werten schaltbar sind, die einem Phasenbild und einem Amplitudenbild des Gegenstandes entsprechen.

Eine zweite Ausführungsform der Abtastvorrichtung, die mehr Möglichkeiten bietet, ist dadurch gekennzeichnet, daß. die phasendrehenden Glieder kontinuierlich einstellbar sind, Mit dieser Abtastvorrichtung können sowohl untiefe Phasengegenstände als auch Amplitudengegenstände, aber auch Gegenstände, deren Struktur eine Kombination einer Phasenstruktur und einer Amplitudenstruktur ist, optimal- wiedergegeben werden. Außerdem bietet diese Vorrichtung die Möglichkeit, diejenigen Details eines Gegenstandes, die eine

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bestimmte Phasentiefe aufweisen, zu unterdrücken, also die Möglichkeit, eine Phasenfilterung durchzuführen.

Nach einem weiteren Merkmal der Abtastvorrichtung sind die Phasendrehungen der phasendrehenden Glieder eine Funktion der Baumfrequenz im Gegenstand» Dann kann für Asymmetrie in dem Abtastfleck infolge von Fehlern in der Sphärizität des Abtastbündels ausgeblichen werden.

Wenn nach einem weiteren Merkmal der Abtastvorrichtung die Verstärkung der Eingangestufe der Verarbeitungsschaltung eine Funktion der Eaumfrequenz im Gegenstand ist, können bei Wiedergabe Details mit einer bestimmten Eaumfrequenz unterdrückt oder gerade in verstärkter Form wiedergegeben werden.

Bei Anwendung einer auf obenstehende Weise erhaltenen komplexen Detektionsfunktion, deren Amplitude und Phase auf elektronischem Wege als Funktion der Frequenz eingestellt werden können, kann eine räumliche Filterung des Gegenstandes oder eine Bildverbesserung erzielt werden, ohne daß schwer herstellbare optische Filter verwendet zu werden brauchen.

Die Abtastvorrichtung kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß die Eingangsstufe der Verarbeitungschaltung durch gesonderte Verstärker für Jedes der Detektorsignale und eine Addierschaltung gebildet wird, wobei der Verstärkungsfaktor jedes der Verstärker einstellbar ist« Dann kann für eine Amplitudenasymmetrie in dem Abtastbündel ausgeglichen oder kann ein sogenanntes, linseitenbandprinzip ("single sideband principle") angewandt werden«

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Ausführungsbeispiel·

Die Erfindung wird numehr beispielsyieise anhand einer, optischen Abtastvorrichtung näher erläutert, die z. B. zum Auslesen eines optischen Aufzeichnungsträgers verwendet werden kann. Dabei v<ird auf die Zeichnung verwiesen. In dieser Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine erste Ausführungsform einer Abtastvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2: einen Teil der Informationsstruktur eines optischen Aufzeichnungsträgers;

Fig. 3'. die Querschnitte in der Ebene der Detektoren der Beugungsbündel, die beim Abtasten des Aufzeichnungsträgers entstehen;

Fig. 4: ein Verfahren zur Verarbeitung der Detektorsignale;

Fig. 5ϊ das Prinzip eines.Elektronenmikroskop nach der Erfindung;

Fig. 6: das Prinzip eines Eöntgenmikroskops nach der Erfindung, und

Fig. 7: das Prinzip eines akustischen Mikroskops nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Prinzip der Abtastvorrichtung veranschaulicht. Das von einer Strahlungsquelle S ausgesandte Bündel b wird von einem durch eine einzige Linse Iu schematisch dargestellten Objektivsystem zu einem Strahlungs-

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fleck V auf dem abzutastenden Gegenstand 0 fokussiert_B Dieser Gegenstand spaltet das einfallende Bündel in eine Anzahl von Teilbündeln verschiedener Beugungsördnungen, von denen für die näheren. Betrachtungen das unabgelenkte Teilbündel nullter Ordnung und die in den ersten Ordnungen abgelenkten Teilbündel die nichtigsten sind«,

Der Gegenstand O ist in Fig. 1 sehr schematisch dargestellt. Dieser Gegenstand kann z. B₈ ein optischer Aufzeichnungsträger mit. einer Informationsstruktur sein, die aus in Informationsspuren angeordneten Informationsgebieten besteht. In Fig. 2 ist ein kleiner Teil eines derartigen Aufzeichnungsträgers 1 in Draufsicht dargestellt. Die Informationsspuren 2, die hier als gerade Spuren gezeichnet sind, sind im Falle eines runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers tatsächlich konzentrische Spuren oder' scheinbar konzentrische Spuren, die zusammen eine einzige spiralförmige Spur bilden* Die Informationsspuren enthalten sehr kleine Informationsgebiete 3» deren Längen in der Größenordnung von 1 ,um liegen und deren Breiten kleiner als 1 ,um sind und die sich in der Spurrichtung t mit Z^ischengebieten 4· abwechseln. Ss kann angenommen werden, daß die Informationsstruktur in zwei zueinander senkrechten Richtungen periodisch ist, wobei die Periode in der Spurrichtung oder der tangentialen Richtung t gleich ρ und die Periode quer zu der Spurrichtung oder der radialen Richtung r gleich q ist. Im Falle eines Aufzeichnungsträgers, in dem ein FM-moduliertes Videosignal gespeichert ist, wird die Periode ρ durch das Videosignal bestimmt« Die Periode q ist gleich dem Abstand zwischen den Spuren.

Die Informationsstruktur kann eine reine Phasenstruktur sein_s wobei die Informationsgebiete aus in die Träger-

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oberfläche gepreßten Gruben oder aus über diese Oberfläche hinausragende Buckeln bestehen. Die Informationsstruktur kann auch eine Amplitudenstruktur sein. Dann bestehen die Informationsgebiete z. B. aus nichtreflektierenden Gebieten in einer reflektierenden Flache oder aus strahlungsabsorbierenden oder -reflektierenden Gebieten in einem durchsichtigen Aufzeichnungsträger.

In Fig. 2 ist der Auslesefleck mit T bezeichnet. Die Breite dieses Flecks liegt in der Größenordnung der Abmessungen der Informationsgebiete 2. Die Informationsstruktur verhält sich v?ie ein z-neidimensionales Beugungsraster. Das Auslesebündel b -viird von diesem Easter in ein Teilbündel nullter Ordnung, eine Anzahl von Teilbündeln erster Ordnung und eine Anzahl von Teilbündeln höherer Ordnungen gespaltet. Für die Auslesung der Informationsgebiete 3 selbst sind im wesentlichen das Teilbündel nullter Ordnung b-(0,0) und die z^ei in der tangentialen Sichtung t abgelenkten Teilbündel erster Ordnung b(+1,0) und b(-1,0) von Bedeutung. In Fig. 1 muß an der Stelle des Gegenstandes O der Aufzeichnungsträger gedacht werden, .wobei die tangentiale Eichtung t die senkrechte Sichtung ist. Beim Auslesen τ/ird der Aufzeichnungsträger um eine Achse 7 gedreht.

In Fig. 3 sind die Querschnitte der Bündel b(0,0), b(+1,0) und b(-1,0) in der Ebene des Detektors D dargestellt. Die x- und die y-Achse in Fig. 3 entsprechen der tangentialen Eichtung t bzi?u der radialen Eichtung r in Fig. 2. Die von dem Aufzeichnungsträger herrührenden Bündel b(0,0), b(+1,0) und b(-1,0) weisen komplexe Amplituden auf, die dargestellt -werden können durch:

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B(0,0)

Β(+1,0) exp (-i<Jt) Β(-1,0) exp (+icot).

Ss Tiird angenommen, daß der Aufzeichnungsträger sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bewegt, wodurch der zeitabhängige Phasenfaktor exp (+ itot) entsteht, Darin ist /ja eine Zeitfrequenz, die durch die Winkelgeschwindigkeit und die Kaumfrequenz in der tangentialen Eichtung der Informationsgebiete bestimmt Tiird, Weiter wird angenommen, daß keine Fehler in der Spurverfolgung auftreten,, Wenn die Informationsgebiete zu der radialen Pachtung.und der tangentialen Sichtung symmetrisch sind, ist B(+1,0) gleich B(-1,0),

Zwischen den komplexen Amplituden B(+1,0) und B(-1,0) einerseits und der Amplitude B(O,O) andererseits besteht ein bestimmter Phasenunterschied ^' ^,q. Dieser Phasenunterscbiechvjird im viesentlichen durch die Phasenverzögerung, der von dem Boden einer Informationsgrube herrührenden Strahlung in bezug auf von der Oberfläche der Informationsschicht herrührenden Strahlung unterworfen worden ist, also durch die optische Tiefe von Informationsgruben oder die optische Höhe von InformationsbückeIn bestimmt*

Wie in der niederländischen Patentanmeldung Nr, 7 803 517 (PHN,9O83) beschrieben ist, können die Informationsgebiete eine derartige optische Tiefe aufweisen, daß der genannte Phasenunterschied ^ ^]Q = 180° ist, aber sie können auch eine

derartige optische Tiefe aufweisen, daß ^₀ = 9O⁰ ist. Für

=s 90⁰ sind die Gruben nicht tief, und dadurch sind die Amplituden der abgelenkten Bündel sehr klein. Vorzugsweise

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«ird daher die optische Tiefe etwas größer gewählt, so daß y.Q zwischen 110° und 120° liegt. Wie bereits im Aufsatz: "Position Sensing in Video-Disk Read-Out" in "Applied Optics", Band 17, Nr. 13, S. 2013 - 2021 beschrieben ist, verhält sich eine Amplitudenstruktur auf gleiche Weise ^ie eine Phasenstruktur, deren Informationsgebiete einen Phasenunterschied, ψaq = 180° einführen.

Wie nachstehend auseinandergesetzt yjerden wird, ist die Abtastvorrichtung nach der Erfindung für die Auslesung sowohl einer Amplitudeninformationsstruktur oder einer tiefen Phaseninformationsstruktur (V-iq ⁼ 180°) als auch einer nichttiefen Phaseninformationsstruktur (V^q ~ 9°°^ geeignet. Dazu ist, vsie in Fig. 1 dargestellt ist, der Detektor D in zviei Teildetektoren D^ und D₂ geteilt, deren Ausgänge mit den Eingangsklemmen eines Summators 9 verbunden sind, der die Eingangsstufe einer an sich bekannten elektronischen Verbindungsie itung 10 bildet. Eine derartige Schaltung ist z, B, im Aufsatz: "Signal Processing in the Philips ¹VLP System" in "Philips Technical P.evie^", Band 33, Nr. 7, S. 178 - 180 beschrieben. In Fig. 3 sind die Teildetektoren D. und D₂ durch gestrichelte Halbkreise dargestellt. Nach der Erfindung ist zwischen dem Detektor D₂ und dem Summator 9 sin Glied 8 angeordnet, daß die Phase des Signals des Detektors D₂ über einen Winkel f dreht*

Die Phasenunterschiede 0(+1,O) und 0(-1,O) zwischen den Bündeln erster Ordnung b(+1,0) und b(-1,0) und dem Bündel nullter Ordnung können dargestellt werden durch:

0(+1,O) = f₁₀ + ω t 0(-1,O) =

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und die komplexen Amplituden können geschrieben werden als; B(0,0) = /B(0,0)|

exp i B(~1,0) = fB(-1,0)| exp i

Die durch die Interferenzen zwischen den Teilbündeln erster Ordnung und dem Teilbündel nullter Ordnung an den Stellen der Detektoren D- und D₂ herbeigeführten Intensitätsänderungen werden von diesen Detektoren in elektrische Signale S- und Sp umgesetzt«

Innerhalb der Detektoroberfläche lassen sich verschiedene Gebiete unterscheiden, und ziar znex mit einer einzigen Schraffierung angegebene Gebiete d, in denen ein Teilbündel erster Ordnung mit dem Teilbündel nullter Ordnung interferiert, und ΖΉθΐ mit einer doppelten Schraffierung eingegebene Gebiete c, in denen außer Interferenz zwischen einem Teilbündel erster Ordnung und dem Teilbündel nullter Ordnung auch Interferenz zwischen den zisei Teilbündeln erster Ordnung auftritt. Die Gebiete c und d können auf die bekannte Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function: M,T»F.) eines optischen Systems ohne Aberrationen bezogen werden» Die Modulationsübertragungsfunktion, die nachstehend kurz als M bezeichnet isird, kann dem Überlappungsgebiet zweier betreffender Ordnungen gleichgesetzt werden.

An der Stelle, an der ein Teilbündel erster Ordnung mit dem Teilbündel nullter.Ordnung interferiert, also in einem Gebiet mit der Größe von 2,c+d, gilt die übertragungsfunktion M(v) , in der ν die Eaumfx-equenz der Informationsgebiete darstellt, An der Stelle, an der die zvjei Teilbündal erster Ordnung interferieren, also in einem Gebiet mit der Größe

^WI B^ ^a

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2c in Pig. 3j gilt die Übertragungsfunktion M(2v). Es läßt sich also sagen, daß

2c+d = M(v) 2c = M(2v), somit d = M(v)-M(2v) und c =1/2 M(v).

Zur Bestimmung der Signale S_x. und S₂ müssen die Beiträge der Gebiete c und d zueinander addiert werden. Innerhalb des Gebietes c befinden sich Teile des Teilbündels nullter Ordnung und ^eile der beiden Teilbündel erster Ordnung, Innerhalb des Gebietes d befinden sich ein Teil des Teilbündels nullter Ordnung und ein Teil eines der Teilbündel erster Ordnung, Das Signal S₁ kann daher dargestellt werden durch:

S. = |b(0,0)+B(+1,0)+B(-1,0)| I +( B(0,0)+B(+1,0) J %

Yiobei die Indexe c und d angegeben, daß die betreffenden Beiträge mit der Größe der Gebiete c und d gebogen werden müssen. Für das Informationssignal selber sind die Gleichstromkomponenten des Ausdrucks für S₁ von weniger Bedeutung, so daß diese Komponenten vernachlässigbar sind» Dann geht das Signal S_x, über in:

S₁ s 2Ee £ B(0,0),B^x(+1,0)j _Q +2Ee [ B(O, O) .B^x(-1,0) } _c+ 2Ee £ B(O₁O) B^x(+1,0)3 _d#

Ee stellt dabei den reellen Teil der betreffenden Komponente dar. Wenn die Gebiete c und d durch die Modulationsüber-

a a w κ

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tragungsfunktionen ersetzt werden, vjird S.:

= M(2v). I B(O, O) f / B(+1,0) j _a £cos( f ^₀₊ W t) +

Wt) + 2J B(O₅O))I B(+1,0)j [m(v)-M(2v)J IO t).

Dabei \iird angenommen, daß die Informationegebiete symmetrisch sind, so daß gilt:

|b(-1,0)1 = j B(+1,0)( . Das Signal S. ist proportional za (^t) :

[m(v)-M(2v)J. cos (f ₁₀+g0 t)+2M(2v).cöst₁₀.coslöfi.

Auf analoge Weise kann das Signal S^ des Detektors geschrieben werden als:

S₂oc2[m(v)-M(2v)] cos (^₁₀-O) t)+2M(2v)cos f _1Qcos

Das Signal Sp ^ird einer Phasendrehung ^f unte2?viorfen_;iind dadurch ?iird das Signal S₂ ¹ erhalten. S «₂oL2[m(v)-M(2v)J. COs(V₁₀- Wt -f_e)-h2M(2v)cosf₁₀.cos

Das Summensignal S isird gegeben durch:

<fe

S_sßt>4^M(v)-M(2v)Jcos Cf₁Q - %~ cos (cut + ~ +

4M(v) cos( y _1o).cos(^|-) cos (tUt -f ^|~) , oder

&» V T 1

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Zum Auslesen einer Amplitudenstruktur oder einer tiefen Phasenstruktur, in der f_i0 = 180° ist, wird ^₆ = O⁰ gewählt. Dann ist das Summensignal:

S₀ < -4M(v)cos 03 t.

Für einen über den ganzen Aufzeichnungsträger konstanten Phasenunterschied ψ ^₀ und für eine konstante Winkelgeschwindigkeit des Aufzeichnungsträgers ist das Signal S^ nur von der Kaumfrequenz ν der Informationsgebiete in der Spurrichtung und also von dem gespeicherten Informationssignal abhängig.

Zum Auslesen einer untieferen Phasenstruktur mit <j-? _Q = wird für ψ = 180° gewählt. Dann ist: S -oC -4[m(v)+M(2v)J sin UO t.

Auch dieses Signal ist bei konstantem Phasenunterschied und konstanter Winkelgeschwindigkeit nur von der Baumfrequenz ν abhängig. Das Bild der untiefen Phasenstruktur ist die erste Differentiation der Struktur selbst, während das Bild der Amplitudenstruktur auf die übliche undifferenzierte 7/eise erscheint, ·

Statt die Phase eines Detektorsignals über f zn drehen₅ wird aus. Symmetrieervjägungeη vorzugsweise die Phase von Sp über + -£-% und die von S. über - -^-I· gedreht, wie in Fig, -4- angegeben ist. Die Signale S^ und S^J ₂ werden dann gegeben durch:

S«₁«d2[M(v)-lä(2v)J .cos(y_i0+ tot -^|-)+2M(2v)cos ψ cos(to t -

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• 9 3-|)+2M(2v)cos(

und das Summensignal S durch:

S oL4[mCv)-MC2v)] .cos( V^o"" "^f-⁵·⁰⁰³^ ^t+il-^M(2v).cos cosk)t»cos -ί-|· oder

+4M(2V)SIn¹H₁₀SiDi ^-f cos

für V₁₀ = 180° und f_e = 0° gill;:

S oL -4M(v) cos to t jährend

für f ₁₀ = 90° und f_e = 180° gilt:

S_s«3j>M(v)+4M(2v)J cos cOt.

In diesem Falle erscheint auch das Bild der untiefen Phasenstruktur auf die übliche undifferenzierte Weise.

Bei der obigen Beschreibung des Prinzips der Erfindung sind die Teilbündel höherer Ordnungen außer Betracht gelassen. Die 2eilbündel höherer Ordnungen werden größtenteils außerhalb des Detektorsabgelenkt, und die Amplituden dieser Bündel sind erheblich,kleiner als die der Bündel erster Ordnung, so daß der Einfluß von Bündeln höherer Ordnungen in einer ersten Annäherung vernachlässigbar ist.

Eine Informationsstruktur, deren Informationsgebiete einen Phasenunterschied V^q = 90° einführen, ist eine theoretis Struktur, ^ie bereits bemerkt -wurde, weisen die von einer

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derartigen Struktur herrührenden abgelenkten Bündel eine kleine Amplitude auf, so daß das Signal S sehr schwach ist. In der Praxis wird dann auch furane optische Tiefe gewählt, derart, daß der Phasenwinkel et^as größer als 90°j z. B, °₀< 120°, ist. Für ^₁₀ = 120° ist der Term mit

_{10 10}

M(v) im Ausdruck für S₀ maximal für Ψ _o - 120°. Falls die Phase nur eines der Detektorsignale über 120 gedreht wird, ist die Phase des Signals.S über 30° gegen das Signal S₀ bei Y ^q = 90 verschoben.

Die obenbeschriebene Vorrichtung mit einem oder zwei Phasendrehern, die zwischen zwei Lagen geschaltet werden können, viobei diese Vorrichtung als eine Abtastvorrichtung mit einer in zvjei Lagen schaltbaren Detektionsfunktion umschrieben werden kann, ist eine besondere Ausführungsform des allgemeinen Erfindungsgedankens, bei der eine Abtastvorrichtung mit einer komplexen und einstellbaren Detektionsfunktion versehen vjird, die innerhalb der * Detektoroberfläche dargestellt werden kann durch g(x,y) = a für x > 0

g(x, y)= a.exp (if_e) für χ £ 0 oder durch

g(x,y) = a. exp (-1 ψ_Q/2) für χ >0 g(x,y) = a. exp (+i'f _Q/2) für χ < 0.

Außerhalb der Detektoroberfläche ist g(x,y) = 0.

Die Abbildungsfunktion einer Abtastvorrichtung nach der Erfindung ist das Produkt der sogenannten optischen Abbildungsfunktion (O,T,F. = Optical Transfer Function) des optischen Systems und einer zusätzlichen Übertragungsfunktion F, deren Modulus und Phase sind:

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[f| = a[cos(f₁₀ --£-§) + sin ψ

₁₀.ain

f 7 ^e argt Fj = -¹—5· für die asymmetrische Situation,

Oi

arg P Fj = O für die symmetrische Situation,

In der asymmetrischen Situation wird die Phase nur eines der Detektorsignale gedreht, und zwar über f , während in der symmetrischen Situation die Phasen beider Detektor-

Φβ Ψθ signale über + -^ bzw. <—g gedreht werden.

Die elektronische Phasendrehung ^f wird dazu benutzt, den Modulus des Signals Si

sin

zu optimieren. In der symmetrischen Situation viird das Argument keine Änderung infolge der Optimierung des Modulus erfahren, line derartige Änderung tritt aber in der asymmetrischen Situation bestimmt auf» Die Änderung des Arguments kann dadurch neutralisiert werden, daß hinter dem Summator 9 si*¹ zusätzlicher Phasendreher 11, der eine Phasendrehung über - -*-% einführt, angeordnet ^ird, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Sowohl in der asymmetrischen Situation als auch in der symmetrischen Situation kann die Phase des Signals S von einer Phasenasymmetrie in dem Abtastfleck Y beeinflußt werden. Die nichtigste Ursache einer solchen Asymmetrie ist Koma des optischen Systems, Für diesen Phasenfehler kann dadurch ausgeglichen werden, daß die Phase des Signals S₃ über 9 gedreht wird, wobei 0 eine Funktion der genannten

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Phasenasymmetrie ist. In der bevorzugten Ausrunningsform nach Fig. 4- ist dann ein zusätzlicher Phasendreher 12 hinter dem Summator 9 angeordnet. In der asymmetrischen Situation der Fig. 1 ist dann der Phasendreher 11 derart ausgebildet, daß er eine Phasendrehung über O - -^-§ bewirkt.

Die Phasendrehung ψ ist im allgemeinen zwischen O und 360° einstellbar. Für eine Auslesevorrichtung, die sowohl Aufzeichnungsträger mit einer Phasenstruktur als auch Aufzeichnungsträger mit einer Amplitudenstruktur oder Aufzeichnungsträger mit Phasenstrukturen verschiedener Tiefen gut auslesen können muß, besteht nicht so sehr ein Bedarf an der Möglichkeit, die elektronische Phasendrehung kontinuierlich über einen großen Bereich einstellen zu können. Dies wird aber für ein Lichtmikroskop anders sein, das zur Sichtbarmachung nicht nur untiefer Phasenstrukturen oder Amplitudenstrukturen, sondern auch von allerhand Zwischenstrukturen, d. h. Strukturen, die weder reine Phasenstrukturen noch reine Amplitudenstrukturen sind, benutzt werden soll.

Die Phasentiefe der Gegenstände, z. B, biologische Gewebe oder Organismen, die mit einem derartigen Mikroskop beobachtet werden sollen, braucht nicht vorher bekannt zu sein_e Der Gegenstand kann einige Male nacheinander mit jeweils einem anderen Wert für <f abgetastet werden, bis die richtige Bildgüte erhalten ist»

Die mit dem dargestellten Mikroskop zu beobachtenden Gegenstände brauchen nicht eine so konstante Phasentiefe wie die obengenannten optischen Aufzeichnungsträger aufzuweisen. Diese Gegenstände dürfen aus Einzelteilen bestehen,

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die alle eine andere Phasentiefe aufweisen. Der Gegenstand kann dann eine Anzahl Male mit jeweils einem anderen Wert für die elektronische Phasendrehung ψ „ abgetastet -werden.

Während jeder Abtastung -wird eine bestimmte Phasentiefe mit maximalem Kontrast wiedergegeben. Aus der Gesamtanzahl der Teilbilder kann der ursprüngliche Gegenstand rekonstruiert werden.

Die Phasendreher 8 in Fig. 1 und 8* und 8" in Fig. 4- können Vorrichtungen sein, deren Phasendrehung eine Funktion der Zeitfrequenz ist. Bei einer konstanten Abtastgeschwindigkeit entspricht eine bestimmte Kaumfrequenz (v) im Gegenstand einer bestimmten Zeitfrequenz (cc?). Frequenz ab häng ige Phasendreher in Form von Transversal-Digitalfiltern sind an sich für andere Zwecke bekannt, z. B. aus dem Buch "Theory and Application of Digital Signal Processing", Eabiner und Gold, Prentice Hall Inc. 1975, u. a. S. 40. Bei Anwendung derartiger Phasendreher kann dafür gesorgt werden, daß nur für bestimmte Raumfrequenzen die elektronische Phasendrehung den für die Abtastung optimalen Wert aufweist» Dadurch werden nur Teilstrukturen des Gegenstandes mit einer bestimmten Raumfrequenz richtig wiedergegeben, · während Teilstrukturen mit einer anderen Baumfrequenz geschwächt im Bild erscheinen.

Auch die Verstärkung der Addierschaltung 9 kann frequenzabhängig gemacht werden, wodurch die gewünschte Baumfrequenz noch weiter erhöht werden kann und die unerwünschten Frequenzen noch weiter unterdrückt werden können.

Durch die Anwendung frequenzabhängiger Phasendreher und eines frequenzabhängigen Verstärkers kann eine räumliche Filterung des Gegenstandes oder eine Bildverbesserung

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erzielt werden, ohne daß optische Filter erforderlich sind. Die bisher beim optischen Filtern zu erfüllende schwierige Aufgabe, geeignete optische Filter herzustellen, ist durch die besser hantierbare Aufgabe ersetzt, elektronische Filter mit den gewünschten Phasen- und Amplitudenkennlinien zu entwerfen .

In der Abtastvorrichtung können zwei gesonderte Verstärker für die Detektorsignale S. und Sp vorhanden sein. In Fig. 4-sind diese Verstärker mit 13' und 13" bezeichnet. Die De tekt ions funkt ion einer Abtastvorrichtung mit zYjei gesonderten frequenzabhängigen Verstärkern und frequenzabhängigen Phasendreheifj kann geschrieben werden als:

g(x,y) = a^v). exp (-i ^|) für χ >0 g(x,y) = a₂(v). exp (+i ) für χ > 0,

wobei ν die Eaumfrequenz im Gegenstand darstellt. Die zwei gesonderten Verstärker können dazu benutzt werden, für eine etwaige Amplitudenasymmetrie in dem Abtastbündel auszugleichen. Bei Anwendung zweier gesonderter Verstärker ist es möglich, ein Detektorsignal zu verstärken und das. andere zu unterdrücken, so daß ein sogenanntes Binseitenbandprinzip (single sideband principle) angewandt

Zum erfindungsgemäßen Abtasten eines Gegenstandes in zwei z. B, zueinander senkrechten Eichtungen kann man den Abtastfleck zunächst eine Anzahl Zeilen gemäß einer ersten Richtung beschreiben lassen» Die so erhaltenen Daten können in einem Bildspeicher gespeichert werden. Dann kann man den Abtastfleck eine Anzahl Zeilen in der zweiten Richtung

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beschreiben lassen. Die Daten der Abtastungen in den zwei Eichtungen können schließlich zusammengefügt werden.

Zum.Abtasten in zviei Eichtungen können z^ei Detektoren verwendet werden, -flobei beim Übergang von einer Abtastrichtung zu der anderen die Detektoren und der Gegenstand über 90° gegeneinander gedreht werden. Es können auch vier Detektoren verwendet werden, von denen ein Satz für eine Abtastrichtung und ein Satz für die andere Abtastrichtung bestimmt sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Unterteilung eines Detektors in z^ei Teildetektoren und auf die Weise, auf die die von den Teildetektoren gelieferten Signale elektronisch verarbeitet werden. Die Erfindung ist nicht auf eine .bestimmte Art von Abtaststrahlung, -süe Licht, beschränkt. Es ist nur von Bedeutung, daß die Abtaststrahlung in einem kleinen Abtastfleck konzentriert werden kann_o Die Erfindung ist außer in einem Lichtmikroskop auch in einem Elektronenmikroskop, einem Eöntgenmikroskop oder einem akustischen Mikroskop anwendbar, vorausgesetzt, daß diese Mikroskope in genügendem Maße frei von Aberrationen sind. Mit diesen Mikroskopen werden Details beobachtet, deren Größe auf der Grenze des Auflösungsvermögens des betreffenden Mikroskops liegt.

In Fig. 5 ist schematisch ein Elektronenmikroskop dargestellt. Die Elektronenquelle IS sendet ein Slektronenbündel b„ aus. Dieses Bündel vjird von einer Elektronenlinse EL in der Ebene des Gegenstandes 0 fokussiert, der z. B, ein Objekt mit schwacher Phase ist. Der Gegenstand spaltet

das Bündel b_n in ein Teilbündel nullter Ordnung b_Q(0,0) und e θ

in u, a, ζήθΙ Teilbündel erster Ordnung b_(+1,0) und b_o(~1,0).

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Das Bündel nullter Ordnung und Teile der Bündel erster Ordnung werden von zwei Detektoren DE_x, und DS₂ aufgefangen, die die Slektronenstrahlung in ein elektrisches Signal umsetzen. Der Winkel ß_a, über den die Toilbündel erster Ordnung abgelenkt werden, liegt in derselben Größenordnung vjie die numerische Apertur (die gleich sin oL ist) der Elektronenlinse, vjie dies auch bei dem Lichtmikroskop der Fall viar. Die Signale S. und Sp der Detektoren DEL und DE₂ werden auf die anhand der Fig. 1 und 4 beschriebene Weise verarbeitet.

In Fig..6 ist sehr schematisch eine Ausführungsform eines Röntgenmikroskops gezeigt. IB bezeichnet die Röntgenquelle, die, -weil sie hell sein muß, vorzugsweise aus einem Synchrotron besteht. Das Röntgenbündel b ,. üiird auf dem Gegenstand, z. B. einem biologischen Spezimen oder einer Kristallstruktur, fokussiert. Das Fokussiersystem XF kann durch eine Zonenplatte, vnie sie in Fig. 6 dargestellt ist, oder durch einen oder mehrere Spiegel gebildet werden. Das von dem Gegenstand stammende Röntgenbündel ?urd von z?»ei Röntgendetektoren DX₁ und DX₂ aufgefangen. Die Signale S. und S₂ dieser Detektoren können wieder auf die anhand der Fig. 1 und 4 beschriebene Weise verarbeitet -werden. Für Einzelheiten über die Röntgenquelle XS, das-Fokussiersystem XF und die Röntgende tektoren DX- und DX₂, weiche Teile keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden, sei auf den Aufsatz: "The Scanning X-Ray Microscope", S. 3^5 bis 391 des Baches ^!lScanned Image Microcopy", E. A, Ash, Academic Press 198O verwiesen.

Fig. 7 zeigt das Prinzip eines akustischen Mikroskops nach der Erfindung. Ein derartiges Mikroskop enthält einen

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piezoelektrischen Umsetzer ESG, der eine gleichmäßige Durchlaßkennlinie über seine ganze Oberfläche aufweist. Mit diesem Umsetzer vsird eine Schallwelle erzeugt, die auf den zu untersuchenden Gegenstand, z. B. eine reflektierende Schicht, gerichtet ist. Wenn der Umsetzer flach und die Schallwelle eine flache Welle ist, kann zwischen dem Gegenstand und dem Umsetzer eine akustische Linse angeordnet sein, die die Schallwelle in eine sphärische konvergierende Welle umsetzt. Wie in Fig. 7 gezeigt wird, kann auch der Umsetzer selber gekrümmt sein, so daß die ausgesandte Schallwelle schon konvergierend ist. Die Schallwelle ^ird von dem ^Gegenstan.d reflektiert und keiKct zu dem Umsetzer zurück, der die Schallwelle in eine elektrische Spannung umsetzt. Dabei Tiird über die ganze Oberfläche des Umsetzers integriert» Der Umsetzer PSC ^irkt also als Quelle und als Detektor, Die Singangsspannung und die Ausgangesρannung sind dadurch voneinander getrennt, daß mit kurzen Impulsen gearbeitet \i ird.

Die Ausgangsspannung ist von der Phase der gesonderten Bündelteile abhängig« Wenn ein Reflektor in der Fokusebene angeordnet ist, durchlaufen alle Bündelteile eine gleiche Weglänge und sind die Bündelteile in den Punkten 15 und 16 gleichphasig. Wenn sich der Reflektor in senkrechter Richtung verschiebt, d. h.^enn sich die zu untersuchende, vertikale Ausreichungen aufweisende O in der x-Richtung verschiebt, durchlaufen die verschiedenen Bündelteile verschiedene Weglängen und weisen die Bündelteile in 15 &nd 16 eine bestimmte Phasenverschiebung auf, wodurch sich die Ausgangespannung ändert.

Für weitere Einzelheiten über das akustische Mikroskop, das

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an sich keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, sei auf den Aufsatz: "Scanning Acoustic Microscopy", S. 24- bis 55 des bereits genannten Buches "Scanned Image Microscopy" verwiesen. Nach der Erfindung ist der Umsetzer in zwei Teile DA.,, und DA₂ unterteilt, fjobei DA,, unmittelbar und DA₂ über ein phasendrehendes Glied 8 mit einem Summator 9 verbunden ist. Die Signalverarbeitung erfolgt auf die anhand der Fig. 1 oder der Fig, 4 beschriebene; Weise,

Claims

-27- 29.1.1982 59 901/13 Erfindungsansprach

1. Vorrichtung zum punkt"weisen Abtasten eines Gegenstandes, die eine ein Abtastbündel liefernde Strahlungsquelle ein Objektivsystem zum Fokussieren des Abtastbundeis zu einem Strahlungsfleck auf dem Gegenstand und ein strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält, mit dessen Hilfe das von dem G₆g_enstand herrührende Abtastbündel in ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitungsschaltung umgesetzt vsird, die das Signal für Wiedergabe geeignet macht, ^iobei dieses Detektionssystem mindestens z^ei strahlungsempfindliche Detektoren enthält, die in der Abtastrichtung hintereinander angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß in mindestens einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmen einer addierenden Eingangsstufe der Verarbeitungsschaltung ein phasendrehendes Gli6d mit einer einstellbaren Phasendrehung angeordnet ist_o

2» Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in jeder der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den zugehörigen Eingangsklemmen der Eingangsstufe ein einstellbarer Phasendreher angeordnet ist, vjobei die von diesen Phasendrehern eingeführten Phasendrehungen gleich groß sind, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen,

3. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang der addierenden Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der eine Phasendrehung - -Ζ-—· bewirkt, \iobei ψ die Phasendrehung eines einzigen in einer der ^erbindungsleitungen zwischen den Detektoren . und den Eingangsklemme.n der Eingangsstufe angeordneten

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Phasendreher ist.

4. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch₅ daß der Ausgang der addierenden Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der eine Phasendrehung Q bewirkt, die von einer Asymmetrie in dem abtastenden Strahlungsfleck abhängig ist,

5. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang der addierenden Eingangsstufe mit einem Phasendreher verbunden ist, der die Phasendrehung

Q - -£-% bewirkt, isobei ^f die Phasendrehung eines einzigen in einer der Verbindungsleitungen zwischen den Detektoren und den Eingangsklemmeη der Eingangsstufe angeordneten Phasendrehers ist, während Q von einer Asymmetrie in dem abtastenden Strahlungsfleck abhängig ist.

6. Vorrichtung nach den Punkten 1, 2, 3, 4- oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß die phasendrehenden Glieder zwischen z^iei im wesentlichen festen Werten schaltbar sind, die einem Phasenbild und einem Amplitudenbild des Gegenstandes entsprechen.

7. Vorrichtung nach den Punkten 1, 2, 3> 4 oder 5> gekennzeichnet dadurch, daß die phasendrehenden Glieder kontinuierlich einstellbar sind,

8. Vorrichtung nach den Punkten 1, 2, 3_} 4· oder 5» gekennzeichnet dadurch, daß die Phasendrehungen der phasendrehenden Glieder als Funktion der Frequenz einstellbar sind.

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9. Vorrichtung nach den Punkten i, 2, 3> 4, 5 oder 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Verstärkung der Eingangsstufe der Verarbeit ungeschältung als Funktion der Frequenz einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß die Eingangsstufe der Verarbeitungsschaltung durch gesonderte Verstärker für jedes der Detektorsignale und eine Addierschaltung gebildet ^ird, Yjobei der Verstärkungsfaktor jedes der Verstärker einstellbar ist.

- Hierzu 3 Seiten Zeichnungen -