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Dokumentenidentifikation DE102004044343A1 28.07.2005
Titel Hochauflösendes Mikroskop
Anmelder NanoFocus AG, 46047 Oberhausen, DE
Erfinder Velzel, Chris, Dr., 46047 Oberhausen, DE;
Valentin, Jürgen, 46047 Oberhausen, DE
Vertreter Röther, P., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 47279 Duisburg
DE-Anmeldedatum 14.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004044343
Offenlegungstag 28.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.07.2005
IPC-Hauptklasse G02B 21/00
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Mikroskop mit koherenter Beleuchtung,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß Amplitude und Phase der Objektwelle im Fernfeld gemessen werden und daß die Feldverteilung im Objektfeld aus diesen Daten rekonstruiert wird, wobei das durch Detektorrauschen entstehende Signal außerhalb von dem Bereich des Objektes auf Null gesetzt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Mikroskop. Nach der Therorie der Superauflösung, wie sie in M. Bertero und C. de Mol „Progress in Optics, 36, Seiten 129 bis 178, 1996 beschrieben ist, hängt die Auflösung eines Mikroskops von folgenden Parametern ab:

  • von der Wellenlänge der Lichtquelle
  • von dem Durchmesser des Objektfeldes
  • von dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei der Detektion des Bildes

Darüber hinaus ist aus V.P. Tychinsky „Optics Communications" 81, 131 (1991) sowie M. Totzeck and M. Krumbügel „Optics Communications" 112, 189 (1994) bekannt, eine kleine Lichtquelle (z.B. eine Laserquelle) auf das Objekt zu fokussieren, so daß das Verhältnis von Objektdurchmesser und Wellenlänge so klein wie möglich ist. Nach der erstgenannten Theorie ist dies die beste Voraussetzung, um eine Auflösung kleiner als eine halbe Wellenlänge zu erreichen. Tatsächlich haben Tychinsky und Nachfolger Objekte mit Details von der Größenordnung Wellenlänge/sechs aufgelöst. Das ist eine Verbesserung um einen Faktor drei gegenüber der Theorie von Abbe (die klassische Theorie der Auflösung).

Die Auflösung, die in den Arbeiten von Tychinsky und Nachfolger beschrieben wird, ist beschränkt durch das Rauschen des Detektors. In der Literatur über Detektoren (S. Inoue and K. Spring „Video Microscopy", Plenum Press 2nd Edition, 1997, 2. Teil) wird angegeben, daß das Signal/Rausch-Verhältnis nicht viel größer als etwa 1000 sein kann. Das stimmt theoretisch mit einer Verbesserung der Auflösung (gegenüber Abbe) von einem Faktor drei bis vier überein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop zu entwickeln, dessen Auflösungsvermögen deutlich erhöht ist.

Die Erfindung beruht darauf, daß die Amplitude und Phase des von dem Objekt gestreuten Lichtes nicht wie bei Tychinsky und Nachfolger im Bildfeld (oder nahe am Bildfeld) gemessen wird, sondern im Fernfeld (d.h. in der hinteren Trennebene des Objektivs oder in einer mit dieser konjugierten Ebene).

Aus den im Fernfeld gewonnenen Daten der Amplitude und Phase der gestreuten Welle kann die Feldverteilung im Objektfeld rekonstruiert werden. Dazu gibt es bereits Algoritmen, z.B. den Algoritmus von Gerchberg (R. Gerchberg „Optica Acta" 21, Seiten 709 bis 720 (1974).

Die Erfindung beruht auf der Einsicht, daß das Rauschen der einzelnen Bildelemente (Pixel) des Detektors im Objektfeld über eine Fläche gestreut wird, dessen Durchmesser DR gegeben wird durch DR = &lgr;/sin ⋳(1) wobei &lgr; die Wellenlänge ist und ⋳ der Winkeldurchmesser eines Pixels. Wenn das Objektfeld (wegen der fokussierten Beleuchtung) einen Durchmesser D0 hat, gegeben durch D0 = &lgr;/sin &Kgr;(2) Wo &Kgr; der Aperturwinkel des Objektivs ist, wird im Objektfeld nur ein Rauschen auftreten, das gegeben ist durch

wobei &sgr;I das Rauschen des Detektors ist. Der „Verdünnungsfaktor" ist gleich der Zahl der Bildelemente im Fernfeld; die Zahl kann von der Größenordnung 106 sein (1000 × 1000 Pixel).

Das Signal/Rausch-Verhältnis ist also gegeben durch

wobei I0 die mittlere Intensität auf dem Detektor ist. Der Faktor I0/&sgr;I kann von der Größenordnung 103 sein (s. Inoue and Spring). Zusammen mit einer Verbesserung von rund 106 kann man also ein Signal/Rausch-Verhältnis von rund 109 erwarten. Das wird zu einer Auflösung von &lgr;/20 führen bei der sachgemäßen Rekonstruktion des Objektfeldes (z.B. durch Benutzung des Algoritmus von Gerchberg s.o.).

Ausführungsbeispiele

In der 1 ist ein Beispiel für die Ausführung der Erfindung für den Fall, daß das Objekt transparent ist, dargestellt (solche Objekte kommen öfters in der Medizin und Biologie vor).

Das Lichtbündel von der Laserquelle L (mit Strahlaufweitungsoptik) wird durch die Kondensorlinse C auf das Objekt fokussiert. Ein Teil des Bündels wird von dem Strahlteiler S1 umgeleitet und formt die Referenzwelle R.

Die durch das Objekt gestreute Welle wird durch die Objektivlinse Ob im Unendlichen abgebildet. Die hintere Brennebene FF (das Fernfeld) wird in dem Spiegel M1 auf dem Detektor D abgebildet, und zwar durch die Bertrand-Linse B. Eine zu B gleiche Linse L und ein zweiter Strahlteiler S2 sorgen dafür, daß die Referenzwelle mit der richtigen Krümmung auch den Detektor erreicht. Durch Parallelverschiebung des Spiegels M kann die Phase der Referenzwelle um einen Betrag von mindestens zwischen &Pgr; und -&Pgr; geändert werden. Das ermöglicht die Messung der Phase und Amplitude im Fernfeld.

Um eine optimale Auflösung zu bekommen, muß die numerische Apertur der Objektivlinse (Ob in 1) hoch sein. Man könnte z.B. hier das von der Firma Leica entwickelte 250 × Trockenobjektiv mit NA = 0.97 benutzen. Auch kann man ein Immersionsobjektiv nehmen, wodurch das NA bis zu 1.5 gesteigert werden kann (s. Beyer und Riesenberg" Handbuch der Mikroskopie").

Durch die neuartige Methode der „Solid State Immersion" kann die NA bis zu Werten in der Höhe von 2.5 gesteigert werden. Das macht Auflösungen von Details in der Größe von &lgr;/50 oder etwa 10 nm (&lgr; = 500 nm) möglich.

In der 2 ist ein Beispiel für die Ausführung der Erfindung für den Fall eines reflektierenden Objekts dargestellt. Solche Objekte kommen öfter in der Industrie vor (z.B. in der Halbleiterindustrie, wo zur Zeit Linienbreiten von 50 nm realisiert werden.

In dieser Figur ist Q die effektive Lichtquelle, ein Diaphragma, das von einem parallelen (Laser)-Bündel beleuchtet wird. Der Durchmesser dieses Diaphragma ist so gewählt, daß der erste dunkle Ring von dessen Bewegungsmuster auf dem Rand der Pupille der Objektivlinse Ob fällt. Dadurch entsteht auf dem Objekt ein nahezu uniformer Beleuchtungsfleck.

Von der Kondensorlinse C und der Objektivlinse Ob wird die Quelle Q auf das Objekt abgebildet, und zwar über den Strahlteiler S.

Das von dem Objekt gestreute Licht erreicht die hintere Brennebene FF der Objektivlinse; diese Ebene wird durch die Bertrandlinse B auf dem Detektor (z.B. ein CCD) abgebildet. Das von dem Strahlteiler S durchgelassene Licht aus der Richtung der Quelle wird von einem Spiegel R reflektiert und formt die Referenzwelle. Objektwelle und Referenzwelle interferieren auf dem Detektor; durch Parallelverschiebung des Spiegels R kann man die Phase der Referenzwelle ändern.

In der 3 wird eine Alternative der Ausführung gemäß 2 dargestellt. In der hinteren Brennebene ist ein sogenanntes Prisma nach Wollaston W introduziert. Dadurch entstehen auf dem Objekt zwei Beleuchtungsflecken R und O, die als Objekt und Referenz auftreten. Die Lichtbündel der Beleuchtung, die nach R bzw. O führen, sind orthogonal polarisiert. Ein Analysator A vor dem Detektor D sorgt dafür, daß Objekt- und Referenzwelle interferieren können. Ein Kompensator K macht eine Änderung des Phasenunterschieds zwischen beiden Wellen möglich. Bertrandlinse (B), Objektivlinse (Ob) und Strahlteiler (S) sind wie in 2 angeordnet.


Anspruch[de]
  1. Hochauflösendes Mikroskop mit koherenter Beleuchtung, dadurch gekennzeichnet, daß Amplitude und Phase der Objektwelle im Fernfeld gemessen werden und daß die Feldverteilung im Objektfeld aus diesen Daten rekonstruiert wird, wobei das durch Detektorrauschen entstehende Signal außerhalb von dem Bereich des Objektes auf Null gesetzt wird.
  2. Hochauflösendes Mikroskop nach Anspruch 1 zur Benutzung bei transparenten Objekten.
  3. Hochauflösendes Mikroskop nach Anspruch 1 zur Verwendung bei reflektierenden Objekten.
  4. Hochauflösendes Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisationsoptik angewendet wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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