DE4317945A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 sowie Vorrichtungen entsprechend den Gattungsbegrif­ fen der Ansprüche 9 und 10 zur Untersuchung eines Ob­ jekts.

Bei aus der Praxis bekannten Mikroskopen wird das Ob­ jekt auf einen Detektor abgebildet, wobei als Detektor beispielsweise eine Kamera verwendet wird. Hierbei wird die vom Objekt ausgehende elektromagnetische Strahlung durch ein Linsensystem zum Detektor geführt.

Derartige Linsensysteme sind radialsymmetrisch um eine optische Achse aufgebaut, wobei bei Entwurf und Kon­ struktion dieser Systeme alle Fehlerquellen möglichst klein gehalten werden. Dennoch treten bei der optischen Bearbeitung der vom zu untersuchenden Objekt ausgehen­ den elektromagnetischen Strahlung Verzerrungen in der Abbildung des Objekts auf. Diese Verzerrungen sind da­ bei um so größer, je weiter abaxial die Strahlung in das Linsensystem einfällt. Die Spektraleigenschaften des Objekts werden daher verfälscht wiedergegeben, so daß beispielsweise aufgrund chromatischer Aberrationen der Linsen eine räumlich verfälschte Abbildung ent­ steht. Metrische und spektrale Eigenschaften von trans­ parenten sowie opaken Objekten können somit nicht ohne Verzerrungen registriert werden. Dies macht sich beson­ ders stark bei Untersuchungen von großen Objekten be­ merkbar, bei denen verschiedene Teilflächen des Objekts mosaikartig zusammengesetzt werden müssen.

Die Konstruktion des Linsensystems mit einer optischen Achse erfordert zudem eine ausreichende mechanische Stabilität, so daß derartige Geräte Kompromisse zwi­ schen Größe, Gewicht und genauer Wiedergabe des Objek­ tes eingehen müssen.

Derartige Linsensysteme sind ferner relativ kostspielig und erfordern bei ihrer Bedienung geschultes Fachwis­ sen, um beispielsweise die Zentrierung und Abblendung des optisches Weges zu überprüfen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie die Vorrichtungen gemäß den Gattungsbegriffen der An­ sprüche 9 und 10 derart weiterzuentwickeln, daß eine kostengünstigere Herstellung sowie eine einfachere Handhabung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 10 gelöst, indem die elektromagnetische Strahlung durch eine nichtfokus­ sierende Strahlungsführung vom Objekt zum Detektor ge­ langt. Im Idealfall wird der Detektor unmittelbar mit der Objektfläche in Kontakt gebracht.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen dem Objekt und dem Detektor eine Einrichtung zur nicht­ fokussierenden Strahlungsführung der elektromagneti­ schen Strahlung vorgesehen. Diese Einrichtung wird bei­ spielsweise durch eine Apertur gebildet, die in ihrer Form der wirksamen Fläche des Detektors entspricht. Bei der Untersuchung eines Objekts wird der Detektor rela­ tiv zum Objekt bewegt, beispielsweise gerastert, wobei jeweils die elektromagnetische Strahlung einer Teilflä­ che des Objekts zum Detektor gelangt.

Bei herkömmlichen Vorrichtungen kann ein Teil der elek­ tromagnetischen Strahlung, beispielsweise ultraviolet­ tes oder infrarotes Licht nicht detektiert werden, da das Linsensystem die Strahlung zum größten Teil absor­ biert. Für derartige Anwendungsbereiche wurden spe­ zielle Mikroskope entwickelt, die die Strahlung durch fokussierende Spiegel erfaßt. Bei Untersuchungen in breiten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums ist daher bisher ein erheblicher präparativer und apparati­ ver Aufwand notwendig.

Indem die elektromagnetische Strahlung erfindungsgemäß durch eine nichtfokussierende Strahlungsführung vom Ob­ jekt zum Detektor gelangt, ist das Verfahren bzw. die Vorrichtung der Erfindung über den gesamten, interes­ sierenden Wellenlängenbereich von 0,01 nm bis 250 µm anwendbar.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im folgenden anhand der Zeichnung und der Beschreibung einiger Ausführungsbei­ spiele näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Aus­ führungsbeispiels und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Aus­ führungsbeispiels.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Mit 1 ist eine elektromagnetische Strahlung bezeichnet, die von einer nicht näher dargestellten Strahlungsquelle erzeugt wird. Sie durchläuft zunächst eine erste Apertur 2 und fällt auf ein zu untersuchendes Objekt 3. Die vom Ob­ jekt 3 emittierte elektromagnetische Strahlung 1 durch­ läuft eine zweite Apertur 5 und wird einem Detektor 6 zugeführt. Der Detektor 6 kann beispielsweise durch lichtempfindliche Transistoren oder sogenannte Couple- Charged-Devices (CCD) gebildet werden. Zweckmäßiger­ weise werden mehrere Detektoren zu einer Zeile bzw. zu einer Matrix zusammengefaßt.

Jeder Detektor 6 empfängt die Strahlung von einer Teil­ fläche des Objekts, die in ihrer Größe der wirksamen Fläche des Detektors entspricht. Demzufolge bestimmt die Größe der wirksamen Fläche des Detektors 6 die räumliche Auflösung der Übertragung.

Um das gesamte Objekt 3 untersuchen zu können, muß die­ ses relativ zum Detektor 6 beispielsweise rastermäßig verschoben werden (Pfeil 4). Die dabei am Detektor 6 entstehenden Ausgangssignale werden digitalisiert und in einem Rechner aufbereitet (Pfeil 7).

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Objekt 3 im Durchlicht bestrahlt.

Demgegenüber wird in einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 das Objekt 3 im Auflicht bestrahlt.

Hierbei gelangt die elektromagnetische Strahlung 1 über die erste Apertur 2, einen Halbspiegel 8 und die zweite Apertur 5 auf das Objekt 3. Die hiervon wieder reemit­ tierte Strahlung wird wiederum über die zweite Apertur 5, den Halbspiegel 8 und eine dritte Apertur 9 dem De­ tektor 6 zugeführt.

Der Detektor 6 kann, wie auch schon im ersten Ausfüh­ rungsbeispiel, durch eine Vielzahl von Detektoren in Zeilen- bzw. Matrixanordnung gebildet werden.

Auch hier wird das Objekt beispielsweise über einen Linear- oder Schrittmotor in Scanbewegung gerastert (Pfeil 4)
Die Bestrahlung und die Verschiebung des Objekts kann bei beiden Ausführungsbeispielen räumlich und zeitlich synchronisiert werden. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, das Objekt auch während der Scan­ bewegung zu bestrahlen.

Die in den Ausführungsbeispielen verwendeten Aperturen werden zweckmäßig als Schlitzblenden ausgebildet, wobei die Schlitzbreite von der Wellenlänge abhängig ist und bei sichtbarem Licht vorzugsweise 1 bis 5 µm beträgt, wobei der Detektor etwa der Schlitzbreite entspricht. Die Länge des Schlitzes richtet sich nach der Größe der wirksamen Fläche des Detektors 6. Wird beispielsweise eine CCD-Zeile verwendet, beträgt die Schlitzlänge etwa 1 bis 10 cm.

Während im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zwi­ schen dem Objekt 3 und dem Detektor 6 eine derartige Apertur 5 angeordnet ist, kann gemäß einem nicht näher dargestellten dritten Ausführungsbeispiel auf diese Apertur 5 verzichtet werden, so daß der Detektor 6 un­ mittelbar mit einem Teilbereich des Objekts 3 in Kon­ takt gebracht wird.

Bei einer herkömmlichen Charge-Coupled-Device- Zeile sind beispielsweise etwa 750 Detektoren pro cm angeord­ net. Dies ergibt eine räumliche Auflösung in der Achse der Zeile von

1/750*10000 µm = 13 µm.

Die beispielsweise in einem Rechner umgesetzten Aus­ gangssignale des Detektors 6 können in einer Bilddatei gespeichert werden, die sowohl Struktur als auch Spek­ tralinformationen enthalten kann.

Durch die nichtfokussierende Strahlungsführung treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Verzerrungen bei den aufgenommenen Informationen ein, so daß auch große Objekte mit hoher Auflösung untersucht werden können.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Mikroskopie in einem Spektralbereich, insbesondere im Bereich der Röntgen-, UV- und IR-Strahlung, der bis­ her aufgrund des hohen finanziellen und apparativen Aufwands kaum berücksichtigt wurde.

Die elektromagnetische Strahlung kann in jeglicher Form verwendet werden, beispielsweise in polarisier­ ter/nichtpolarisierter, polychromatischer/monochroma­ tischer oder nicht-kohärenter/kohärenter Form.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf eine Strahlungsquelle verzichtet werden, wenn das Objekt selbstemittierend ist.

Die von den Detektoren empfangene Strahlung wird digi­ tal gespeichert und verarbeitet und steht sofort nach der Aufnahme zur Verfügung. Dabei ist die Ausgabe eines Bildes unter Umständen nicht notwendig, wenn beispiels­ weise allein quantitative Aussagen über das zu untersu­ chende Objekt ausgegeben werden sollen.

Die elektromagnetische Strahlung kann durch vor den De­ tektoren angeordnete Filter oder nachgeschaltete Strah­ lungsteiler für verschiedene Wellenlängen getrennt re­ gistriert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann neben Auflicht- und Durchlichtverfahren beispielsweise auch für Hellfeld- und Dunkelfelduntersuchungen eingesetzt werden. Außer­ dem sind Anwendungen wie die Fluoreszenzanalyse oder Produktionen von Stereoaufnahmen denkbar.

Indem die erfindungsgemäße Vorrichtung auf ein aufwen­ diges und schweres Linsensystem verzichten kann, können derartige Vorrichtungen relativ klein und leicht ausge­ bildet werden. Dadurch ist insbesondere die Untersu­ chung von lebendem Gewebe ohne Beschädigung mit hoher Auflösung möglich. So können beispielsweise mit sicht­ barem Licht und hoher räumlicher und spektraler Auflö­ sung Änderungen der Haut untersucht werden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit Endoskopen verwendet werden.

Nachdem eine Zentrierung der optischen Achse nicht not­ wendig ist, benötigt man für viele Anwendungen kein ge­ schultes Fachwissen.

Weitere Anwendungsgebiete der Erfindung sind beispiels­ weise kriminalistische Untersuchungen, wie beispiels­ weise Analyse von Fingerabdrücken, Haaren oder Körper­ flüssigkeiten. Weiterhin kann eine Anwendung in der Qualitätskontrolle, beispielsweise in der Halbleiter­ herstellung oder bei der Lagerung von Lebensmitteln, in Betracht kommen.

Claims (18)

1. Verfahren zur Untersuchung eines Objekts (3), wobei die vom Objekt ausgehende elektromagnetische Strah­ lung (1) einem Detektor (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung (1) durch eine nichtfokussierende Strahlungsführung vom Objekt zum Detektor gelangt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Detektor (6) zugeführte Strahlung in ein digitales Signal umgewandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektor (6) relativ zum Objekt (3) verschoben wird, wobei jeweils die elektromagne­ tische Strahlung (1) einer Teilfläche des Objekts zum Detektor gelangt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Bereich von 0,01 µm und 250 µm liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit elektro­ magnetischer Strahlung im Durchlicht bestrahlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit elektromagneti­ scher Strahlung im Auflicht bestrahlt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) die elektromagnetische Strahlung elektronisch oder opto­ elektronisch aufnimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche des Detektors (6) der Größe der Teilfläche des Objekts (3) entspricht.

9. Vorrichtung zur Untersuchung eines Objekts (3) mit wenigstens einem Detektor (6) zum Empfang der von dem Objekt ausgehenden elektromagnetischen Strahlung (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor derart angeordnet ist, daß er un­ mittelbar mit dem Objekt in Kontakt bringbar ist.

10. Vorrichtung zur Untersuchung eines Objekts (3), enthaltend wenigstens einen Detektor (6) zum Empfang der von dem Objekt ausgehenden elektromagnetischen Strahlung (1), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt und dem Detektor eine Ein­ richtung zur nichtfokussierenden Strahlungsführung vorhanden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur nichtfokussierenden Strahlungsführung durch eine Apertur (5) gebildet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Form der Öffnung der Apertur (5) der Form der wirksamen Fläche des Detektors (6) entspricht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß mit dem Detektor (6) eine Einrichtung zur Digitalisierung des Ausgangssignales des Detektors verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Quelle zur Bestrah­ lung des Objekts mit elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß optoelektronisch-arbei­ tende Detektoren verwendet werden.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß als Detektoren (6) Charge- Coupled-Devices verwendet werden.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektoren (6) in ei­ ner Zeile angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektoren (6) in ei­ nem Array angeordnet sind.