DE1958036A1

DE1958036A1 - Anordnung zur Scharfeinstellung

Info

Publication number: DE1958036A1
Application number: DE19691958036
Authority: DE
Inventors: Hans Rottmann
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-11-21
Filing date: 1969-11-19
Publication date: 1970-05-27
Also published as: US3544191A; FR2023758A1

Description

IBM Deutschland internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 14. November 1969 pr-hl

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin:

Docket FI 968 081

Anordnung zur Scharfeinstellung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Scharfeinstellung eines abbildenden Systems, beispielsweise eines Mikroskops.

Zur Scharfeinstellung einer Abbildung wird entweder das abbildende Linsensystem, die Bildebene oder das Objekt axial verschoben. Für viele Anwendungen, beispielsweise bei der Belichtung der Photolackschicht zur Herstellung integrierter Schaltungen, ist diese Art der Scharfeinstellung nachteilig, weil dadurch eine Verschiebung einzelner Bildpunkte senkrecht zur optischen Achse eintreten kann. Auch bei Mikroskopen, insbesondere bei Elektronenmikroskopen kann die Scharfeinstellung durch Achsialverschiebung des Objektivs oder von Teilen davon nachteilig sein. Diese Nachteile treten insbesondere bei der Scharfeinstellung der Abbildungen von zu vergleichenden Objekten ein, die nicht im Tiefenschärfenbereich des Linsensystems liegen.

009322/U95

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Anordnung anzugeben, mit deren Hilfe eine Scharfeinstellung ohne eine Relativbewegung zwischen dem abbildenden System und der Bild- bzw. der Objektebene durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur Scharfeinstellung eines abbildenden Systems, beispielsweise eines Mikroskops gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine in der Nähe einer Bild- und/oder Dingebene senkrecht oder nahezu senkrecht zur optischen Achse verschiebk bar angeordnete und parallel oder nahezu parallel zur optischen Achse ver-

• laufende Vielzahl von Lichtleitern, deren Länge sich als Funktion einer in Verschiebungsrichtung verlaufenden Koordinate kontinuierlich oder sprungweise ändert und deren bild- und dingseitigen Enden jeweils in einer oder mehreren gemeinsamen Ebenen liegen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter jeweils aus einer von einer Vielzahl von zu einem oder mehreren Bündeln zusammengefaßten Fasern, vorzugsweise Glasfasern bestehen.

k Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß eine der die Faserbündel begrenzenden Flächen treppenförmig ist.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel zwischen dem Okular und dem Objektiv eines abbildenden Systems im Bereich einer Zwischenbildebene angeordnet ist.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die okularseitige Fläche des Faser-

Docket FI 968 081 0 0 9 8 2 2 / 1 U 8 S

bündeis in der mit der Dingebene des Okulars zusammenfallenden Bildebene

/die
des Objektivs liegt und daß/an der gegenüberliegenden Seite liegenden Flächen der Treppe jeweils in Ebenen liegen, deren gegenseitige Abstände jeweils gleich der Länge eines Tiefenschärfenbereiches sind.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schema tische Darstellung eines Mikroskops mit einer

abgestuften Glasfaserplatte gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 die vergrößerte Ansicht eines Teils der in Fig. 2 dargestellten

Anordnung in Richtung der Pfeile 3-3 gesehen,

Fig. 4 die vergrößerte Darstellung zweier mit Hilfe des in Fig.

dargestellten Mikroskops auszurichtender Objekte,

Fig. 5 einen im Blickfeld des in Fig. 2 dargestellten Mikroskops

sichtbar werdenden Ausschnitts des in Fig. 4 dargestellten Musters.

Die im Zusammenhang mit der Erfindung verwendeten Fasern bestehend aus sehr dünnen, stab- oder fadenförmigen, aus dielektrischen Substanzen wie Glas oder Quarz bestehenden Elementen, in. denen Licht durch wiederholte innere Totalreflexion nahezu verlustlos übertragen werden kann. Unter Faserbündel wird jede Zusammenfassung einer Vielzahl von parallel liegenden Fasern verstanden, die eine gemeinsame Lichteintritts- und eine gemeinsame Lichtaustrittsfläche haben. Die oben erwähnten abbildenden Systeme

Docket FI 968 081 0 0 9 8 2 2/1485 . ■■.■:.

bestehen im allgemeinen aus Linsen und haben die Aufgabe, ein in der so- . genannten Dingebene liegendes Objekt in der Bildebene abzubilden. Konvergieren die aus dem abbildenden System austretenden Strahlen, so wird die Abbildung reell genannt. Divergieren die aus dem abbildenden System austretenden Strahlen, so wird die Abbildung virtuell genannt. Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere für die Übertragung von reellen Abbildungen geeignet.

Ein Mikroskop besteht grundsätzlich aus einem Objektiv und einem Okular sowie den geeigneten Beleuchtungsvorrichtungen. Das Objektiv liegt in der Nähe des zu beobachtenden Objektes und erzeugt eine vergrößerte reelle ZwischenabbtLdung des Objektes. Diese Abbildung wird mit Hilfe des Okulars beobachtet, das eine virtuelle Abbildung erzeugt. Die Zwischenabbildung hat einen axialen Abstand vom Objektiv, der eine Funktion des axialen Abstandes des Objekts vom Objektiv und der Brennweite des Objektivs ist. Um ein klares Bild der Abbildung sichtbar zu machen, muß der Abstand zwischen dem Okular und der Ebene der Zwischenabbildung richtig eingestellt werden. D.h., das Okular muß auf die durch das Objektiv erzeugte Abbildung fokussiert werden. Wird der Abstand zwischen dem Objekt und dem Objektiv geändert, so ändert sich der Abstand zwischen dem Objektiv und den Abbildüngen entsprechend. Wird keine Neueinstellung des Okulars vorgenommen, so wird das durch dieses beobachtete Bild verwischt und ungenau. Jedes abbildende System hat einen Bereich, in dem das Objekt axial verschoben werden kann, ohne daß eine merkliche Verschlechterung der Abbildung eintritt. Dieser Bereich wird als dingseitiger Tiefenschärfenbereich bezeichnet. Ähnlich liegen die Verhältnisse auch im Bereich der Abbildung, in dem diese ohne einer merklichen Verschlechterung ihrer Güte axial verschoben werden kann. Dieser Bereich wird als bildseitiger Tiefenschärfenbereich bezeichnet. Bei Mikroskopen, insbesondere bei Mikroskopen mit starker Vergrößerung sind diese Bereiche äußerst schmal. Bei den meisten bekann-

Doeket FI 968 081 0 0 9 8 2 2/ U 8 5

ten Mikroskopen erfolgt die Scharfeinstellung entweder durch gemeinsame Verschiebung des Objektiv- und Okulartubusses oder durch die Verschiebung des Okulais allein. Wie schon gesagt, treten in vielen Fällen bei dieser Art von Scharfeinstellung Nachteile auf.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung liegt das Objekt 10 auf der gemeinsamen optischen Achse des Objektivs 12 und des Okulars 14. Das Auge eines Beobachters ist mit 16 bezeichnet. Das Objekt kann in einer Vielzahl von Objektebenen liegen, die in der Regel senkrecht zur optischen Achse 20 des abbildenden Systems angeordnet sind. Die Abstände zwischen den eingezeichneten Objektebenen a, b, c, und d sind gleich dem dings einigen Tiefenschärfenbereich. Die Abbildungen der in diesen Ebenen liegenden Objekte werden durch das Objektiv in den Ebenen a', b', c* und d' fokussiert. Da die Abstände zwischen den Ebenen a, b, c und d gleich dem dings eitigen Tiefenschärfenbereich sind, sind die Abstände zwischen den Ebenen a', b*, c' und d^J gleich dem bildseitigen Tiefenschärfenbereich. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde die Vergrößerung des in Fig. 1 wiedergegebenen Mikroskops klein gewählt. Im Bereich der Zwischenbildebene ist eine aus Faserbündeln bestehende Stufenplatte 18 angeordnet, deren Fasern parallel zur optischen Achse 20 des Mikroskops verlaufen. Die plattenförmige Anordnung ist in den Halterungen 19 senkrecht zur optischen Achse verschiebbar angeordnet. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Lichtaustrittsfläche 22 der Platte 18 in der Ebene d' liegt, die ihrerseits in der Brennebene des Okulars 14 liegt. Die Lichteintrittsfläche 24 der ersten Stufe liegt in der Ebene c', die Lichteintrittsfläche 26 der zweiten Stufe in der Ebene b* und die Lichteintrittsfläche 28 der dritten Stufe in der Ebene a'. Liegt die Platte 18 nicht im Strahlengang des Mikroskops (Faserbündel mit der Länge 0) und liegt das zu betrachtende Objekt 10 in der Ebene d, so liegt die durch das Objektiv 12 erzeugte Abbildung 30 des Objektes in der Ebene d*, so daß dem Auge 16 des Beobachters ein klares Bild dargeboten wird, nachdem die Brennebene des Okulars 14 mit der Ebene d zusammenfällt,

Docket FI 968 081 ÖÖ9822/148S

Wird das Objekt 10 axial verschoben, so verschiebt sich seine Abbildung 30 entsprechend. Liegt der zu beobachtende Bereich des Objektes 10 in der Ebene e, so wird deren Abbildung in der Ebene c' liegen. In diesem Fall sieht ein Beobachter kein klares Bild, da die Ebene c außerhalb des Tiefenschärfenbereichs des Okulars 14 liegt, dessen Brennebene mit der Ebene d' zusammenfällt. Wird nunmehr die Platte 18 so senkrecht zur optischen Achse verschoben, daß die erste Stufe mit der Fläche 24 in den Strahlengang des Mikroskops gelangt, so wird das Objekt auf diese Ebene abgebildet und erscheint aufgrund der bekannten Eigenschaften von Faserbündeln auf der gegenüberliegenden Lichtaustrittsfläche 22. Auf diese Weise entsteht eine klare Abbildung in der Brennebene des Okulars 14. Ein durch das Okular blickender Beobachter sieht in diesem Fall ein scharfes Bild. Liegt der zu beobachtende Bereich des Objektes in der Ebene b oder a, so wird eine Scharfeinstellung dadurch bewirkt, daß die Platte 18 mit ihren Flächen 26 oder 28 in den Strahlengang des Mikroskops gebracht wird.

Auch wenn der zu beobachtende Bereich des Objektes zwischen zwei der dargestellten Ebenen liegt, kann eine klare Abbildung erzielt werden, da die Abstände zwischen den Ebenen a', b', c' und d', sowie die Abstände zwischen den Stufen der Platte 18 so gewählt wurden, daß sie gleich dem " Tiefenschärfenbereich des Mikroskops sind. Mit der gezeigten Anordnung

kann somit für jeden zwischen den Ebenen a und d liegenden Punkt eine scharfe Abbildung erzeugt werden. Wird ein Mikroskop mit einer in der Zwischenbildebene erforderlichen Blende verwendet, so kann diese Blende, da sie im Bereich der Zwischenbildebene die Bewegung der Platte 18 stören würde, an einer anderen Stelle angeordnet sein und mit bekannten optischen Mitteln in die Zwischenbüdebene abgebildet werden.

Anstelle der in den Figuren dargestellten seitlich verschiebbaren Platte kann auch eine kreisförmige Platte aus Faserbündeln verwendet werden, durch deren Drehung Stufen verschiedener Höhe in den optischen Strahlen- I

Docket FI 968 081 0 0 9 8 2 2 / 1 4 8 S

gang gebracht werden.

In Fig. 2 wird ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Mit dem in der Figur dargestellten Mikroskop sollen ein Objekt 4O mit einer ebenen Fläche 58 und ein teildurchlässiges Objekt 42 mit einer ebenen Fläche 60 durch Betätigung der mit 76 und 78 bezeichneten Mittel zur Verschiebung in Richtung von zwei senkrecht zueinander liegenden Koordinaten, aufeinander ausgerichtet werden. Die Objekte werden durch die mit 80 bezeichneten Strahlen beleuchtet. Das Objekt 40 könnte beispielsweise ein Halbleiterplättchen sein, während das Objekt 42 eine Glasmaske ist, die in bezug auf das Halbleiterplättchen genau ausgerichtet werden soll. Im vor-

.das
liegenden Beispiel erfolgt /durch Ausrichtung der auf den Objekten 40 und 42 angeordneten Markierungen 70 und 72. Das durch die Linse 44 angedeutete Objektiv des Mikroskops erzeugt eine Zwischenabbildung der Fläche 58 in der Ebene 56 und eine Zwischenabbildung der Fläche 60 in der Ebene 52. Das Okular 46 ist so eingestellt, daß ein Auge 48 eines Beobachters eine in der Ebene 52 liegende Zwischenabbildung scharf sieht.

Ist der Abstand zwischen den Ebenen 52 und 56 größer als der bildseitige Schärfentiefenbereich, so können die Flächen 58 und 60 nicht gleichzeitig beobachtet werden.

In dem in Fig. 2, dargestellten Mikroskop ist eine Anordnung 51 zur Scharfeinstellungvorgesehen, die aus einer durchsichtigen Platte 50 aus optischem Glas und aus einer schachbrettartigen Anordnung von prismenförmigen Faserbündeln 54 besteht. Die Platte 50 wird durch nicht dargestellte Mittel so gehaltert, daß ihre Fläche 74 mit der Ebene 52 zusammenfällt. In Fig. .3 wird das Element 51 vergrößert wiedergegeben. Die nach unten weisenden Lichteintrittsflächen der Elemente 54 liegen in der Ebene 56, während die oben liegenden Lichtaustrittsflächen dieser Elemente in der Ebene 52 liegen. Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, übertragen die Elemente 54

Docket FI 968 081 0 0 9 8 2 2 / 1 k 8 5

die auf ihren Lichteintrittsflächen liegenden Abbildungen zu ihren Lichtaustrittsflächen. Als Ergebnis diefcer Übertragungen entstehen in der Ebene 52 schachbrettartig verschachtelte Abbildungen der Objekte 40 und 42, die mit Hilfe des Okulars 46 scharf gesehen werden können.

Die in Fig. 4 dargestellten Ebenen 58B und 60B sowie die Markierungen 7OB und 72B sollen den Ebenen 58 und 60 bzw. den Markierungen 70 und 72 nach Fig. 2 entsprechen. Die Markierung 72B kam in den Bereichen, in denen keine Faserbündel anwesend sind und die Markierung 70B kann in den Bereichen,in

ψ denen Faserbündel vorliegen, scharf gesehen werden. In Fig. 5 wird gezeigt,

wie die beiden Markierungen im Blickfeld des Mikroskops sichtbar sind. Die Abbildung der Markierung 70B ist mit 70C und die Abbildung der Markierung 72B mit 72C bezeichnet. Die durchgehenden Linien stellen die scharf eingestellten Bereiche der Markierungen und die punktierten Linien die unscharfen Bere'iche der Markierungen dar. Mit Hilfe des in Fig. 2 wiedergegebenen Mikroskops ist es möglich, die beiden Objekte 58B und 6OB beispielsweise durch Bewegung des Objektes 58B aufeinander auszurichten. Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der in Fig. 2 dargestellten Faserbündel 54 gleicher Länge, Bündel mit verschiedenen Längen zu verwenden, so daß das Mikroskop auf in verschiedenen Entfernungen vom Objektiv angeordnete

} Objekte scharf eingestellt werden kann. ,Es ist selbstverständlich auch möglich di,e aus Faserbündeln bestehenden Anordnungen während der Beobachtung mit geeigneter Amplitude und Frequenz senkrecht zur optischen Achse schwingen zu lassen. Ist die Schwingungsfrequenz größer als die Flimmergrenzfrequenz, so werden die Abbildungen von in verschiedenen Ebenen angeordneten Objekten gleichzeitig scharf gesehen.

Docket FI 968 081 009822/U85

Claims

PATENTANSPRÜCHE

/Iy Anordnung zur Scharfeinstellung eines abbildenden Systems, beispielsweise eines Mikroskops, gekennzeichnet durch eine in der Nähe der Bild- und/oder Dingebene senkrecht oder nahezu senkrecht zur optischen Achse verschiebbar angeordnete und parallel oder nahezu parallel zur optischen Achse verlaufende Vielzahl von Lichtleitern, deren Länge sich als Funktion einer in Verschiebungsrichtung verlaufenden Koordinate kontinuierlich oder sprungweise ändert und deren bild- und dingseitige Enden jeweils in gemeinsamen Ebenen liegen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter jeweils aus einer von einer Vielzahl von zu einem Bündel zusammengefaßten Fasern,vorzugsweise Glasfasern, bestehen.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der das Bündel begrenzenden Flächen treppenformig ausgebildet ist.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel zwischen dem Okular und dem Objektiv eines abbildenden Systems im Bereich der Zwischenbildebene angeordnet ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,· daß die okularseitige Fläche des Faserbündels in der mit der Brennebene des Okulars zusammenfallenden Bildebene des Objektivs liegt und daß die an der gegenüberliegenden Seite liegenden Flächen der Treppe jeweils in Ebenen liegen, deren gegenseitige Abstände jeweils gleich der Länge eines bildseitigen Tiefenschärfenbereichs des Objektivs sind.

Docket FI 968 081 0098'2 2/148 5'
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel schachbrettartig angeordnet sind.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Faserbündel bestehende Anordnung senkrecht zur optischen Achse des abbildenden Systems verlaufende Schwingbewegungen ausführt.

Docket FI 968 081 009822/1485