DE10241290A1

DE10241290A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektes

Info

Publication number: DE10241290A1
Application number: DE10241290A
Authority: DE
Inventors: Frank Sieckmann
Original assignee: Leica Microsystems Wetzlar GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2003-04-24

Abstract

In einer Vorrichtung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes eines Objektes (12) mit einem Objektiv (10) und einem Objekttisch (14) zur Aufnahme des Objektes (12) wird ein Piezoaktor (16, 22) zur Einstellung des Abstandes des Objektivs (10) vom Objekt (12) vorgesehen. Eine Bildaufnahmevorrichtung zeichnet eine Serie von Einzelbildern des Objektes (12) in verschiedenen Ebenen auf. Aus dieser Serie von Einzelbildern wird dann ein Multifokusbild erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektes mit einem Objektiv und einem Objekttisch zur Aufnahme des Objektes sowie ein Verfahren zur optischen Untersuchung eines Objektes.
Bei der Untersuchung von Proben mit Hilfe eines Mikroskops besteht oftmals das Bedürfnis, die dreidimensionale Ausgestaltung der Oberfläche des Objektes zu rekonstruieren. Hierzu kann beispielsweise die konfokale Scanmikroskopie eingesetzt werden. Dabei wird eine Probe mit dem Fokus eines Lichtstrahls punktweise in einer Ebene abgetastet, sodass ein Bild, allerdings mit geringer Tiefenschärfe, dieser Ebene erhalten wird. Durch die Aufnahme einer Mehrzahl von verschiedenen Ebenen und durch eine entsprechende Bildverarbeitung kann das Objekt dann dreidimensional dargestellt werden. Ein derartiges konfokale Scanmikroskopieverfahren ist beispielsweise aus der US 6,128,077 bekannt. Die bei der konfokalen Scanmikroskopie eingesetzten optischen Komponenten sind allerdings sehr teuer und fordern neben einem guten technischen Verständnis auch sehr viel Justagearbeit.
Aus der US 6,055,097 ist weiterhin ein Verfahren zur Lumineszenzmikroskopie bekannt. Dabei werden in eine Probe Farbstoffe eingebracht, die unter geeigneten Beleuchtungsbedingungen fluoreszieren, sodass mit der Bestrahlung die Lokalisierung der Farbstoffe in der Probe möglich wird. Zur Erzeugung eines räumlichen Bildes werden eine Anzahl von Bildern in unterschiedlichen Fokusebenen aufgenommen. Jedes dieser Bilder enthält Bildinformationen, die unmittelbar aus der Fokusebene stammen, ebenso wie solche Bildinformationen, die aus Raumabschnitten des Objektes stammen, die außerhalb der Fokusebene liegen. Zur Ermittlung eines scharfen Bildes ist es erforderlich, die nicht aus der Fokusebene stammenden Bildanteile zu eliminieren. Hierzu wird vorgeschlagen, das Mikroskop mit einem optischen System zu versehen, das es ermöglicht, die Probe mit einem speziellen Beleuchtungsfeld, etwa einer stehenden Welle oder einem nicht-periodischen Anregungsfeld zu beleuchten.
Zur Verbesserung der dreidimensionalen Rekonstruktion eines Objektes mit einem Mikroskop wurde von der Anmelderin in der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 100 50 963.0 bereits ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung vorgeschlagen. Dabei wird mittels einer Bildaufnahmeeinheit, etwa einer CCD-Kamera, eine Serie von Bildern eines Objektes in verschiedenen z-Ebenen aufgenommen. Damit liegt also ein Bildstapel von Ebenenbildern des Objektes aus einer Vielzahl von verschiedenen Ebenen in z-Richtung des Objektes vor. Jedes dieser Bilder in dem Bildstapel enthält Bereiche scharfer Bildstrukturen mit hoher Detailschärfe und Bereiche, die bei der Aufnahme außerhalb der Fokusebene lagen und daher unscharf und ohne hohe Detailschärfe im Bild vorliegen. Damit kann ein Bild als eine Menge von Teilbildbereichen mit unterschiedlicher, insbesondere hoher Detailschärfe und niedriger Detailschärfe aufgefasst werden. Mit Hilfe bildanalytischer Verfahren werden nun aus jedem Bild des Bildstapels die Teilbildbereiche extrahiert, die in hoher Detailschärfe vorliegen. Für jedes Bild des Bildstapels wird damit ein Ergebnisbild ermittelt, das nunmehr jeweils lediglich die Bildbereiche hoher Schärfe aufweist. Diese Ergebnisbilder werden anschließend zu einem neuen, nun detailscharfen dreidimensionalen Gesamtbild zusammengefügt. Damit entsteht ein neues, vollständiges detailscharfes dreidimensionales Mikroskopbild des Objektes.
Da die Abstände und die absoluten Positionen der z-Ebenen bekannt sind, in denen die Bilder des Bildstapels aufgenommen wurden, lässt sich das so erzeugte dreidimensionale Mikroskopbild des Objektes auch quantitativ auswerten. Zum Aufnehmen der einzelnen Bilder des Bildstapels in den unterschiedlichen z-Ebenen wurde bislang der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Objekt dadurch verändert, dass die Mikroskoptischhöhe, also der Auflagetisch des Objektes mechanisch verstellt wurde. Die hohe Tischmasse und die damit verbundene Trägheit des Gesamtsystems bildet jedoch eine Grenze für die Geschwindigkeit, mit der die einzelnen Bildstapel aufgenommen werden. Denn die Trägheit des Systems führt dazu, dass eine relativ lange Zeit benötigt wird, um das Objekt in die verschiedenen z-Ebenen in den Fokus des Objektives zu bewegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes und ein Verfahren zur Untersuchung eines Objektes vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, das Objekt unter Verwendung konventioneller Lichtmikroskope schnell und tiefenscharf zu rekonstruieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst.
Mit dem Einsatz einer piezogesteuerten Einrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Objektiv und dem Objekt ist es nun möglich, sehr genau und schnell unterschiedliche z-Ebenen des Objektes in den Fokusbereich des Objektives zu verschieben. Damit wird die Möglichkeit, eine Serie von Einzelbildern in den unterschiedlichen z-Ebenen des Objektes aufzunehmen wesentlich beschleunigt. Damit wird auch für die lichtmikroskopische Untersuchung von Objekten die Möglichkeit eröffnet, eine schnelle 3D-Rekonstruktion von mikroskopischen Oberflächen durchzuführen. Somit können in unterschiedlichen Objekten auch schnelle Vorgänge dreidimensional und tiefenscharf erfasst werden. Gleichzeitig bleibt gewährleistet, dass das Objekt bei der Untersuchung schonend behandelt wird.
Da für die vorgeschlagene Untersuchung des Objektes ein Objektiv verwendet wird und das Objekt üblicherweise auf einem Objekttisch liegt, ist es erforderlich, unterschiedliche z-Ebenen des Objektes in den Fokusbereich des Objektives zu verschieben. Erfindungsgemäß bestehen hierbei nun grundsätzlich mehrere Möglichkeiten, die gewünschte z-Ebene des Objektes in den Fokusbereich des Objektives zu verschieben. Es ist möglich, ein piezo-gesteuertes Objektiv zu verwenden. Dabei wird das Objektiv selbst mit einem Piezoaktor versehen, der mit Hilfe einer geeigneten Steuereinheit so angesteuert werden kann, dass er eine Verschiebung des Objektives und damit eine Verschiebung der Fokusebene des Objektives bewirkt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, anstelle einer Verschiebung des Objektives das Objekt auf dem Tisch bzw. den Tisch mit dem Objekt mit Hilfe eines piezogesteuerten Aktors zu verschieben. Der piezogesteuerte Aktor ist dabei mit dem Objekttisch verbunden und an eine Steuereinrichtung gekoppelt. Die Steuereinrichtung ist in der Lage, den Piezoaktor so anzusteuern, dass eine Verschiebung des Objektes auf dem Objekttisch in z-Richtung und damit die Verschiebung einer neuen z-Ebene des Objektes in den Fokusbereich des Objektives erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann sowohl das Objektiv, wie auch der Objekttisch mit einem Piezoaktor versehen werden, wobei beide über eine Steuereinrichtung angesteuert werden, sodass sowohl das Objektiv wie auch der Objekttisch bzw. das auf dem Objekttisch liegende Objekt in z-Richtung verschoben werden kann. Damit kann auf einfache Weise die Weglänge erhöht werden, um die das Objekt in z-Richtung in die verschiedenen Fokusebenen verschoben werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann sowohl das Objektiv wie auch der Objekttisch mit einem Piezoaktor versehen werden und zusätzlich der Objekttisch eine herkömmliche steuerbare Verstelleinheit (z. B. eine elektromechanische) besitzen, wobei dann alle Einheiten (Objektivpiezo, Tischpiezo und elektromechanische Tischverstelleinheit) über eine Steuereinrichtung angesteuert werden, sodass sowohl das Objektiv wie auch der Objekttisch bzw. das auf dem Objekttisch liegende Objekt in z-Richtung verschoben werden kann. Damit kann auf einfache Weise die Weglänge noch weiter erhöht werden, um die das Objekt in z-Richtung in die verschiedenen Fokusebenen verschoben werden kann.
In allen geschilderten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist es günstig, die Einzelbilder des Bildstapels, die in den unterschiedlichen z-Ebenen aufgenommen werden, in äquidistant zueinanderliegenden z-Ebenen aufzunehmen. Dies erleichtert zum einen die Bildrekonstruktion und ermöglicht zum anderen, bei möglichst geringen z-Ebenenabständen ein äußerst genaues Erfassen des Objektes in der z-Richtung.
Ein wesentlicher Punkt des hier in Rede stehenden Verfahrens besteht darin, in den einzelnen Ebenen die scharfen von den unscharfen Bildbereichen zu trennen. Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine wesentliche Verbesserung der Bildqualität dadurch erzeugt werden kann, wenn jedes einzelne Ebenenbild mit einem individuellen Apparateprofil rechnerisch entfaltet wird. Mit Apparateprofil sind die Abbildungseigenschaften des gesamten Aufbaus gemeint, welche mathematisch durch die Punkt-Übertragungsfunktion (englisch: point spread function, PSF) bzw. die optisch Übertragungsfunktion (englisch: optical transfer function, OTF) der gesamten Apparate-Optik beschrieben werden. Einzelheiten zu der Punkt-Übertragungsfunktion sind dem Fachmann aus einschlägigen Veröffentlichungen bekannt, beispielsweise aus: Joseph W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics", Mc Graw Hill, New York, 1968.
Die Entfaltung bewirkt, dass die aus dem verwendeten Abbildungssystem herrührenden Abbildungsfehler aus jedem Ebenenbild entfernt werden, d. h. herausgerechnet werden können. Einzelheiten zu der mathematischen Entfaltung sind dem Fachmann ebenfalls aus Fachbüchern bekannt. Günstigerweise erfolgt die Entfaltung eines jeden Ebenenbildes noch bevor der Berechnungsprozess zum Ermitteln und Abseparieren der scharfen Bildbereiche beginnt. Damit gewinnt jede Ebene deutlich an Schärfe und die scharfen Bildbereiche jeder Ebene lassen sich leichter ermitteln. Um die Berechnungsgeschwindigkeit zu erhöhen kann die Entfaltung auch erst am Multifokusbild durchgeführt werden. Allerdings kann das Ergebnis der Entfaltung schlechter sein als bei einer Entfaltung aller Einzelbilder und anschließender Multifokus-Bildberechnung.
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht nun die Möglichkeit, die lichtmikroskopische Begrenzung einer relativ geringen Tiefenschärfe des Bildes zu überwinden und gleichzeitig eine dreidimensionale Oberflächenrekonstruktion eines Objektes mit hoher Geschwindigkeit durch die Verwendung piezogesteuerten Aktoren zum Positionieren der Fokusebenen im Objekt durchzuführen. Somit wird die mikroskopische Bildqualität verbessert und es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, schnelle Änderungen mikroskopischer Oberflächentopologien bildanalytisch zu erfassen und zu verwerten. Damit ist auch die Möglichkeit gegeben, Echtzeitmessungen von Oberflächenstrukturen bei gleichzeitiger Beseitigung der Begrenzung der Bildqualität durch eine zu geringe Tiefenschärfe zu erreichen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden schematischen Figuren sowie deren Beschreibungen, bei deren Darstellung zugunsten der Übersichtlichkeit auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde.
Es zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 2 den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 3 einen Verfahrensablauf eines verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 4 einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch;
Fig. 6 den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch;
Fig. 7 einen Verfahrensablauf eines verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch;
Fig. 8 einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch;
Fig. 9 einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 10 den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 11 einen Verfahrensablauf eines verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerlen Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 12 einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 13 einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 14 den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 15 einen Verfahrensablauf eines verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 16 einen Verfahrensablauf eines weiter verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 17 einen Verfahrensablauf eines weiter verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 18 einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 19 einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 20 einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezo- und elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 21 den prinzipiellen Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezo- und elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 22 einen Verfahrensablauf eines weiter verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezo- und elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv;
Fig. 23 einen Verfahrensablauf eines weiteren verbesserten Verfahrens zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezo- und elektromechanisch gesteuerten Objekttisch und einem piezogesteuerten Objektiv.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv. Ein Objektiv 10 dient zur Untersuchung einer Objektes 12, das auf einem Objekttisch 14 aufgebracht ist. Zur Erzeugung eines tiefenscharfen Bildes und eines 3-dimensionalen Oberflächenprofils dieses Objektes wird erfindungsgemäß eine Serie von Einzelbildern aufgenommen, wobei jedes dieser Einzelbilder in verschiedenen z-Ebenen der Probe liegt. Hierzu muss der Fokus des Objektives 10 in der Probe jeweils so positioniert werden, dass er in der gewünschten Ebene liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Abstand d des Objektives vom Objekt eingestellt wird. Hierzu ist am Objektiv ein Piezoaktor 16 vorgesehen, der mit einer Steuereinrichtung 18 verbunden ist. Über die Steuereinrichtung 18 kann der Piezoaktor 16 angesteuert und damit eine Verschiebung des Objektives 10 erreicht werden, die durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Somit kann mit dem piezogesteuerten Objektiv 10 die Einstellung des Fokus innerhalb des Objektes 12 erreicht werden. Mit dem Piezoaktor kann die Verschiebung des Objektives äußerst genau und in sehr kleinen Verschiebewegen Δz durchgeführt werden, die bevorzugt im Bereich des Auflösungsvermögens des verwendeten Beobachtungslichtes liegen.
Nachdem in jeder gewünschten z-Ebene ein Einzelbild aufgenommen worden ist, liegt die Serie von Einzelbildern zur weiteren Bildbearbeitung vor. Bevorzugt liegen die z-Ebenen zueinander äquidistant.
In Fig. 2 ist nun der prinzipielle Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv dargestellt, wobei das Verfahren bevorzugt über eine Softwaresteuerung verwirklicht wird. Nachdem eine grobe Voreinstellung des Objektivabstandes vom Objekt 12 vorgenommen wurde, kann der weitere Arbeitsablauf der Vorrichtung automatisch ablaufen. Hierzu wird nach dem Start 30 des Verfahrens im Schritt 32 das Objektiv 10 mittels des Piezoaktors 16 in die Startposition gefahren. Anschließend wird im Schritt 34 geprüft, ob die vom Benutzer eingegebene oder automatisch ermittelte Endposition bereits erreicht ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird im Schutt 36 mit Hilfe einer mit einer analogen oder digitalen Kamera, bevorzugt einer CCD-Kamera, das Bild dieser Fokusebene aufgenommen und gespeichert. Danach wird im Schritt 38 über die Steuereinrichtung 18 der Piezoaktor 16 so angesteuert, dass das Objektiv 10 so verfahren wird, dass im Objekt 12 die nächste z-Ebene, in der ein Bild aufgenommen werden soll, im Fokus des Objektives 10 liegt. Diese Schleife wird so lange wiederholt, bis im Schritt 34 festgestellt wird, dass die Endposition erreicht ist. Dann wird im Schritt 40 aus der Serie von Einzelbildern ein Multifokusbild und anschließend ein 3-dimensionales Oberflächenprofil erzeugt. Im Schritt 42 wird dieses Bild gespeichert und das Verfahren ist mit Schritt 44 beendet.
In Fig. 3 ist der Verfahrensablauf für ein Verfahren zur Untersuchung eines Objektes angegeben, bei dem die erreichte Bildqualität verbessert wird. Ilm Vergleich zum Verfahren gem. Fig. 2 wird zwischen die Schritte 40 und 42 ein zusätzlicher Schritt 41 eingefügt, in dem das erhaltene Multifokusbild mit dem Apparateprofil des Mikroskops entfaltet wird. Denn es hat sich herausgestellt, dass eine wesentliche Verbesserung der Bildqualität dann erzielt werden kann, wenn das erhaltene Multifokusbild mit einem individuellen Apparateprofil unter Berücksichtigung der apparate-eigenen optischen Übertragungsfunktion- Funktion (OTF = optical transfer function) oder der apparate-eigenen Punkt- Übertragungsfunktion (PSF = point spread function) entfaltet wird. Diese Entfaltung bewirkt, dass die aus dem verwendeten Abbildungssystem herrührenden unscharfen Bildpunkte aus jedem Ebenenbild entfernt werden, d. h. herausgerechnet werden können.
In Fig. 4 ist der Verfahrensablauf für ein Verfahren zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv und einem zusätzlichen Schritt zur nochmaligen Verbesserung der Bildqualität dargestellt. Sobald im Schritt 34 festgestellt ist, dass die Endposition erreicht ist, wird im zusätzlichen Schritt 39 jedes der gespeicherten Einzelbilder mit der jeweiligen Apparatefunktion entfaltet. Das Entfalten jedes einzelnen Bildes mit anschließender Multifokusbilderzeugung führt zu einem genaueren Multifokusbild; denn durch das Entfalten werden die von der Optik herrührenden Unschärfen bereits in jedem Einzelbild eliminiert, sodass das Gesamtbild, das eine Überlagerung der Einzelbilder darstellt, keine derartigen Unschärfen mehr aufweist.
Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Verfahren unterscheiden sich somit in der Schärfe und Genauigkeit des ermittelten Multifokusbildes. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die erhöhte Genauigkeit jeweils einen höheren Rechenaufwand erfordert. Die Erstellung des Multifokusbildes erfordert damit mehr Zeit. Dem Anwender sind somit verschiedene Möglichkeiten an die Hand gegeben, unter denen er frei wählen kann. Sofern ihm ein weniger scharfes Bild ausreicht, kann er nach der in Fig. 2 beschriebenen Methode vorgehen und sehr schnell ein Bild des zu untersuchenden Objektes erhalten. Für höhere Genauigkeiten bietet sich der Verfahrensablauf nach Fig. 3 an, der allerdings mehr Rechenaufwand und damit mehr Zeit zur Erstellung des Multifokusbildes nach sich zieht. Äußerst präzise und scharfe Bilder lassen sich mit Hilfe des in Fig. 3 dargestellten Verfahrens erzielen. Da es dabei allerdings erforderlich ist, jedes der aufgenommenen Einzelbilder zu entfalten, ist hier auch der Rechen- und Zeitaufwand am größten.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Verfahren kann alternativ auch so vorgegangen werden, dass das aufgenommene Bild bereits unmittelbar vor dem Speichern, also als Teil des Schrittes 36 entfaltet und erst nach dem Entfalten abgespeichert wird.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Dabei ist schematisch ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes 12 mit einem piezogesteuerten Objekttisch 14 dargestellt.
Das Objektiv 10 dient zur Untersuchung des Objektes 12, das auf dem Objekttisch 14 aufgebracht ist. Zur Positionierung des Fokus des Objektives 10 in der Probe 12 wird der Abstand d des Objektives vom Objekt nun dadurch eingestellt, dass am Objekttisch ein Piezoaktor 22 vorgesehen wird, der mit einer Steuereinrichtung 20 verbunden ist. Dieser Objekttisch-Piezoaktor 22 kann auf der dem Objektiv zugewandten Seite auf die Oberfläche 15 des Tisches 14aufmontiert oder auch auf der dem Objektiv abgewandten Oberfläche 17 des Tisches 14 (nicht gezeigt) montiert werden. Die Aufmontage auf der dem Objektiv 12 zugewandten Oberfläche 15 des Tisches 14 ist allerdings bereits deshalb vorteilhaft, weil hier zur Erzeugung der z-Bewegung weniger Massen zu bewegen sind. Über die Steuereinrichtung 20 kann der Objekttisch- Piezoaktor 22 angesteuert werden und damit eine Verschiebung Objektes 10 das auf dem Piezoaktor 22 auf dem Objekttisch 14 aufgebracht ist, in z-Richtung um Δz erreicht werden. Diese Bewegung ist durch den Doppelpfeil angedeutet. Somit kann mit dem piezogesteuerten Objekttisch 14 die Einstellung des Fokus innerhalb des Objektes 12 erreicht werden.
Nachdem in jeder gewünschten z-Ebene ein Einzelbild aufgenommen worden ist, liegt wiederum die Serie von Einzelbildern zur weiteren Bildbearbeitung vor.
In Fig. 6 ist nun der prinzipielle Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objekttisch dargestellt, wobei das Verfahren bevorzugt über eine Softwaresteuerung verwirklicht wird. Dieses Verfahren entspricht im Wesentlichen dem bereits in Fig. 2 dargestellten. Jedoch erfolgt die Einstellung der Fokusebene des Objektivs bei diesem Verfahren mit dem Verfahrensschritt 37, in dem die Piezosteuerung 19 so angesprochen wird, dass eine Dickenänderung in z-Richtung des Piezoaktors 22 um einen Betrag Δz erreicht wird. Da das Objekt 12 auf dem Piezoaktor 22 aufgebracht wird, kann somit die Verschiebung der Fokusebene im Objekt erreicht werden.
Auch durch Verwendung eines Objekttisch-Piezoaktors 22 zum Einstellen des Abstandes des Objektives von der Probe kann eine Verbesserung der Bildqualität erreicht werden. Hierzu wird entsprechend dem in Fig. 3 beschriebenen Verfahren über das zusätzliche Einfügen des Schrittes 41, das Multifokusbild mit der Apparatefunktion entfaltet. Dieses Verfahren ist in Fig. 7 dargestellt.
In Fig. 8 ist letztendlich noch die weitere Verbesserung durch Entfalten der Einzelbilder im Schritt 39 dargestellt, die entsprechend dem im Verfahren gemäß Fig. 4 auch beim Einsatz eines Objekttisch-Piezoaktors mit den bereits beschriebenen Vorteilen verwendet werden kann.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Dabei ist schematisch ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes 12 mit einem piezogesteuerten Objekttisch 14 und einem piezogesteuerten Objektiv 10 dargestellt. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist am Objektiv 10 ein Objektiv-Piezoaktor 16 vorgesehen, der mit der Steuerung 18 verbunden ist. Weiterhin ist am Objekttisch 14 ein Objekttisch-Piezoaktor 22 vorgesehen, der über eine Steuereinrichtung 20 angesteuert werden kann. Wie im Zusammenhang mit Fig. 5 bereits beschrieben, kann der Objekttisch-Piezoaktor sowohl auf der dem Objektiv zugewandten Seite der Oberfläche 15 des Tisches 14 aufmontiert oder auch auf der dem Objektiv abgewandten Oberfläche 17 des Tisches 14 (nicht gezeigt) montiert werden. Wegen der üblicherweise kleinen Maximalverstellwege, die mit den Piezoaktoren erreicht werden können, bietet diese Ausführungsform die Möglichkeit, einen wesentlich größeren z-Bereich des Objektes 12 höchstauflösend zu scannen, da sowohl der Objektiv- Piezoaktor 16 um Δz₁ wie auch der Objekttisch-Piezoaktor 22 um Δz₂ verschoben werden kann.
Mit Hilfe dieser beiden Piezoaktoren fassen sich nun eine Reihe von Verfahrensweisen verwirklichen, von denen eine in Fig. 10 beispielhaft gezeigt ist. Nachdem eine grobe Voreinstellung des Objektivabstandes vom Objekt vorgenommen wurde, kann der weitere Arbeitsablauf der Vorrichtung automatisch ablaufen. Hierzu werden nach dem Start 30 des Verfahrens im Schritt 32 das Objektiv 10, mittels des Objektiv-Piezoaktors sowie der Objektiv- Piezoaktor in die Startposition gefahren. Anschließend wird im Schritt 34 geprüft, ob die vom Benutzer eingegebene oder automatisch ermittelte Endposition des Tischpiezos bereits erreicht ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird im Schritt 46 überprüft, ob die vom Benutzer eingegebene oder berechnete Endposition des Objektiv-Piezoaktors erreicht ist. Wird im Schritt 46 festgestellt, dass die Endposition des Objektiv-Piezoaktors noch nicht erreicht ist, wird im Schritt 36 mit Hilfe einer mit einer analogen oder digitalen Kamera, bevorzugt einer CCD-Kamera, das Bild dieser Fokusebene aufgenommen. Danach wird im Schritt 38 über die Steuereinrichtung 18 der Objektiv-Piezoaktor 16 so angesteuert, dass das Objektiv 10 so verfahren wird, dass im Objekt 12 die nächste z-Ebene, in der ein Bild aufgenommen werden soll, im Fokus des Objektivs 10 liegt. Diese Schleife wird so lange wiederholt, bis im Schritt 34 festgestellt wird, dass die Endposition des Tisches erreicht ist. In dieser Steuerschleife wird demnach das Objektiv durch den Objektiv-Piezoaktor in n Schritten mit jeweils einer Schrittweite von Δz₁ in verschiedene Abstände vom Objekt gesteuert. Ist das Objektiv in seiner Endposition angekommen, so hat es einen Gesamtweg von n.Δz₁ = N zurückgelegt.
Wird im Schritt 46 festgestellt, dass die Endposition des Objektivs erreicht ist, so wird im Schritt 48 das Objektiv mit Hilfe des Objektiv-Piezoaktors in seine Startposition zurückgefahren und dann der Objektivtisch-Piezoaktor mit der Steuereinheit 20 so angesteuert, dass er um den Wert der vorherigen Objektivgesamtauslenkung nämlich Δz₂ = N + Δz₁ verschoben wird. Nun wiederholt sich die Steuerschleife des Objektives und es wird erneut über einen Gesamtweg von n.Δz₁ = N schrittweise verschoben. Ist seine maximale Auslenkposition erreicht, so kehrt das Objektiv wiederum zurück in seine Startposition und der Tisch wird per Objekttisch-Piezoaktor um den Weg der neuerlichen Objektivgesamtbewegung verschoben, nämlich Δz₂ = N + Δz₁ (relativ zur aktuellen Tischposition).
Durch Wiederholen dieser Steuerfolge Objektivbewegung-Tischbewegung ist es möglich, trotz der kleinen maximalen Verstellwege der Piezos einen großen Bereich der Probe zu untersuchen.
Sobald erkannt wird, dass auch der Objektivtisch an seiner Endposition angekommen ist, wird im Schritt 40 aus der Serie der so gewonnenen Einzelbilder ein Multifokusbild und anschließend ein 3-dimensionales Oberflächenprofil erzeugt. Im Schritt 42 wird dieses Bild gespeichert und das Verfahren ist mit Schritt 44 beendet.
Die beschriebene Verfahrensweise kann exemplarisch anhand der in der folgenden Tabelle gegebenen Angaben für eine Objektiv- und Tischsteuerfolge für n(Objektiv) = 3 und m(Tisch) = 3 nachvollzogen werden.
Wie ersichtlich wird, kann man durch eine gezielte alternierende Bewegungsabfolge von Objektiv 10 und Tisch 14 mittels einer piezogesteuerten Verstelleinrichtung am Objektiv und am Tisch einen wesentlich größeren Scanbereich mit hoher Auflösung überdecken.
Insgesamt ergibt sich ein Gesamtabstand, der mit zwei Piezos (einer am Objektiv und einer am Objekt (Tisch)) überstrichen werden kann, zu

□z(Gesamt) = □z₁ - (m + 1).(n + 1).□z₁ [µm]

wobei
m = Anzahl der Schritte des Tisch/Objekt Piezo Steuersystems
n = Anzahl der Schritte des Objektiv Piezo Systems
□z₁ = Schrittabstand des Objektivpiezos (z. B. 0,5 µm) ist.
Auch durch Verwendung eines Objekttisch-Piezoaktors und eines Objektiv- Piezoaktors zum Einstellen des Abstandes des Objektivs von der Probe, kann eine Verbesserung der Bildqualität erreicht werden. Hierzu wird entsprechend dem in Fig. 3 beschriebenen Verfahren über das zusätzliche Einfügen des Schrittes 41, das Multifokusbild mit der Apparatefunktion entfaltet. Dieses Verfahren ist in Fig. 11 dargestellt.
In Fig. 12 ist letztendlich noch die weitere Verbesserung durch Entfalten der Einzelbilder im Schritt 39 dargestellt, die entsprechend dem im Verfahren gemäß Fig. 4 auch beim Einsatz eines Objekttisch-Piezoaktors mit den bereits beschriebenen Vorteilen verwendet werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 13 schematisch eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Objektes mit einem piezogesteuerten Objektiv in Kombination mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch dargestellt. Ein Objektiv 10 dient zur Untersuchung einer Objektes 12, das auf einem Objekttisch 14 aufgebracht ist. Um die Serie von Einzelbildern aufnehmen zu können, ist am Objektiv 10 ein Objektiv-Piezoaktor 16 vorgesehen, der von einer Steuereinheit 18 angesteuert werden kann. Der Objekttisch 14 lässt sich in alle drei Raumrichtungen jeweils in Schritten Δx, Δy, und Δz₂ verschieben, wobei diese Verschiebung durch ein Steuermodul 21 gesteuert wird. Das Steuermodul lässt sich vorzugsweise an einen Computer anschließen. Mit dieser Kombination der verschiebbaren Komponenten ist es nun möglich, auch größere Objekte zu untersuchen. Denn durch die Möglichkeit, den Tisch in der x,y-Ebene zu verschieben, können in einer einzigen z-Ebene Teilbilder in unterschiedlichen x,y-Positionen mit einer Kamera aufgenommen werden. Diese Teilbilder lassen sich dann mit einer Bildverarbeitungssoftware wieder zu einem einzigen Ebenenbild, dem sogenannten Bildmosaik, zusammensetzen, das in seiner Größe den sonst möglichen Bildaufnahmebereich um ein mehrfaches übersteigen kann. Darüber hinaus wird über den elektromechanisch auch in z-Richtung verschiebbaren Tisch 14 der mögliche Scanbereich deutlich erweitert; denn es können nun Fokusebenen eingestellt werden, die von einer Verschiebung Δz₂ des Tisches in z-Richtung und von einer Verschiebung Δz₁ des piezogesteuerten Objektivs herrühren.
In Fig. 14 ist anhand eines Flussdiagramms der prinzipielle Verfahrensablauf der Untersuchung eines Objektes 10 mit einem elektromechanisch gesteuerten Objekttisch 14 und einem piezogesteuerten Objektiv 12 dargestellt. Nach dem Start 30 des Verfahrens und einer groben Voreinstellung des Objektivabstandes vom Objekt, kann der weitere Ablauf der Verfahrensschritte in der Vorrichtung bevorzugt vollautomatisch ablaufen. Hierzu werden zunächst der Objekttisch 14 und das Objektiv in eine Startposition gefahren. Dies wird vorteilhafterweise mittels des Piezo- und Tischsteuerungssystem (18, 21) über einen Computer durchgeführt.
In drei Steuerschleifen wird nun der Tisch 14 schrittweise über einen definierten x-y-z-Bereich bewegt. Die erste Steuerschleife ist über die Abfrage 50 definiert, in der geprüft wird, ob der Tisch 14 die Endposition in y-Richtung erreicht hat. Die zweite Steuerschleife ist über die Abfrage 54 definiert, in der geprüft wird, ob der Tisch 14 die Endposition in x-Richtung erreicht hat. Die dritte Steuerschleifen ist über die Abfrage 56 definiert, in der geprüft wird, ob das Objektiv seine Endposition erreicht hat. Befindet sich der Tisch 14 innerhalb manuell oder automatisch eingelernter x-y-Grenzen so wird der Tisch durch die Programmschleife um jeweils ein Bildfeld schrittweise weiterbewegt. Wie bei einem Schachbrettmuster wird so ein vorgegebener Scanbereich feldweise abgefahren.
In jeder neu angefahrenen x-y-Position des Tisches wird nun ein Bildstapel in z-Richtung aufgenommen.
Man erreicht dies in der dritten Steuerschleife, in der im Schritt 36 das Bild aufgenommen und anschließend die neue Fokusebene über die Verschiebung des das Objektivs 10 im Schritt 38 um den Wert Δz₁ verändert wird. Die Bilder werden in Schritt 36 mit einer analogen oder digitalen Kamera aufgezeichnet und zwischengespeichert. In n Schritten wird so die Fokusebene durch das Objekt 12 geführt und der gewünschte Bildstapel wird aufgenommen.
Nachdem ein Fokusbildstapel aufgezeichnet wurde wird das Objektiv im Schritt 48 in seine z-Startposition zurückgeführt. Im Schritt 58 wird der Objekttisch 14 um ein Bildfeld in der x-y-Ebene weitergesteuert und ein weiterer Fokusbildstapel wird nach obigem Verfahren mit dem Piezoobjektiv aufgezeichnet.
Nachdem alle Bilder so aufgenommen und gespeichert wurden, wird in Schritt 52 für jede der Fokusebenen, bevorzugt automatisch, ein Mosaikbild erstellt. Dieses Mosaikbild entsteht durch das Aneinandersetzen der in einer Fokusebene aufgezeichneten Bilder, also der Bilder, die in einer Fokusebene innerhalb eines vordefinierten x-y-Bereiches aufgezeichnet wurden. Die Mosaikbilder werden durch bekannte Verfahren wie bildüberlappende Zusammensetzungsverfahren (Autokorrelation) oder touchierende Zusammensetzverfahren erstellt. Da die Mosaikbilder für alle Fokusebenen erzeugt werden, entsteht ein Mosaikbildstapel, der alle Bilder der Fokusebenen repräsentiert.
Durch die möglichen kleinen Auslenkungen des Objektiv-Piezoaktors sind sehr kleine Abstände zwischen den einzelnen Fokusebenen erreichbar. Diese Eigenschaft erlaubt es, auch mit hochauflösenden Objektiven, d. h. mit Objektiven kleiner Schärfentiefe zu arbeiten und sehr feine topologische Details einer mikroskopischen Objektes sichtbar zu machen.
Im Schritt 40 entsteht dann durch das Zusammensetzen aller Bildmosaike, d. h. also vieler Einzelbilder, in x-y-Richtung ein, sowohl in z-Richtung vollständig scharfes Bild als auch in x-y-Richtung, höchstaufgelöstes Bild.
Im 3-dimensionalen Raum kann die Auflösung als sogenannte Voxelauflösung definiert werden. Ein Voxel ist dabei ein Volumenelement, das Pixel in 3 Raumrichtungen aufweist. Bei einer Voxelauflösung von z. B. 1 µm Kantenlänge eines Bildpixels entsteht somit in x, y, z eine Auflösung von 25 400 dpi, was im Rahmen dieser Darstellungen als "höchstauflösend" angesehen werden soll.
Wie in Fig. 15 gezeigt, kann nach dem Erzeugen des Multifokusbildes auch bei diesem Verfahren eine Entfaltung des Multifokusbildes mit dem Apparateprofil des Aufnahmesystems in Schritt 41 erfolgen, um die Bildschärfe in z-Richtung weiter zu verbessern.
Ebenso ist es möglich, wie in Fig. 16 gezeigt, bereits vor dem Erzeugen des Multifokusbildes in Schritt 40 alle x-y-Mosaikbilder mit dem Apparateprofil des Aufnahmesystems in Schritt 39 zu entfalten. Dieses Verfahren ist, wie bereits gesagt, zwar zeitintensiver, führt aber zu einem nochmals im Hinblick auf die Schärfe des Bildes verbesserten Multifokusbild.
Eine Entfaltung der Mosaikeinzelbilder entsprechend dem in Fig. 16 beschriebenem Verfahren mit anschließender Multifokusbilderzeugung führt demnach zu einem genaueren Multifokus-Mosaikbild. Allerdings ist der Rechenaufwand erheblich, da jedes Mosaikbild des Stapels entfaltet werden muss.
Demgegenüber kann eine Entfaltung des bereits erstellten Multifokusbildes, entsprechend dem in Fig. 15 dargestellten Verfahren, aus den Original-Mosaikbilddaten (nicht entfaltete Mosaikbilder) wesentlich schneller berechnet werden. Die schnellste Berechnung erfolgt bei Weglassen einer Entfaltung der Originalmosaikbilder wie im Verfahren nach Fig. 14 beschrieben. Durch die direkte Berechnung eines Multifokusbildes aus den zuvor erstellten Mosaikbildern erreicht man die höchste Geschwindigkeit der hier vorgestellten Ausführungsvarianten. Welche dieser Verfahrensvarianten gewählt wird, kann der Anwender anhand des von ihm gewünschten Ergebnisses frei wählen.
Beim Einsatz der in Fig. 13 beschriebenen Vorrichtung mit einem elektromechanisch verstellbaren Tisch 14 kann die Auflösung in z-Richtung noch weiter erhöht werden. Hierzu erfolgt die Einstellung des Abstandes des Objektives 10 von dem Objekt 12 aus einer geeigneten Kombination der Δz₁ des Objektives 10 und Δz₂ des Tisches 14. In den Fig. 17-19 ist dieser Verfahrensablauf jeweils für ein Verfahren ohne Entfaltung (Fig. 17), ein Verfahren mit Entfaltung des Multifokusbildes (Fig. 18) und ein Verfahren mit Entfaltung der Einzelbilder (Fig. 19) gezeigt.
Alle Verfahren zeichnen sich nun dadurch aus, dass in Schritt 66 zusätzlich geprüft wird, ob die Endposition des Scanbereiches Δz₂ des Tisches 14erreicht ist. Entsprechend ist dann auch der zusätzliche Schritt 69 erforderlich, in dem der Objekttisch 14 in eine neue Position gefahren wird. Außerdem ist in den übrigen Schleifen das Zurückfahren des Tisches in seine Startposition erforderlich, was in den Schritten 70 und 72 durchgeführt wird. Bei dieser Verfahrensweise können also ein tiefenscharfes Bild und ein 3-dimensionales Oberflächenprofil dieses Bildes durch gleichzeitige Verwendung eines normalen Objekttisches in x-y-z-Richtung und eines piezogesteuerten Objektives in z-Richtung erzeugt werden. Hiermit kann bei höchster Auflösung in z-Richtung ein wesentlich größerer z-Bereich erfasst werden.
In Fig. 17 ist die prinzipielle Verfahrensweise anhand eines Ablaufplanes dargestellt. Nachdem eine grobe Voreinstellung des Abstandes des Objektives 10 vom Objekt 12 durchgeführt worden ist, können die weiteren Verfahrensschritte automatisch durchgeführt werden. Das Objekt 10 und der elektromechanisch steuerbare Objektträgertisch 14 werden mittels der Piezo- Steuerungseinrichtung 18 und des Tischsteuerungssystems 21 bevorzugt über einen Computer in eine Startposition gefahren. In drei Steuerschleifen, die durch die Abfrageschritte 50, 54 und 66 definiert sind, wird nun der Tisch 14 schrittweise über einen definierten x-y-z-Bereich bewegt. Die erste Steuerschleife wird durch die Abfrage 50 ausgelöst und prüft jeweils die Tischposition in x-y-Richtung.
Befindet sich der Tisch innerhalb manuell oder automatisch eingelernter x-y-Grenzen, so wird der Tisch 14 durch die Programmschleife um jeweils ein Bildfeld schrittweise weiterbewegt. Wie bei einem Schachbrettmuster wird so ein vorgegebener Abtastbereich feldweise abgefahren. In jeder neu angefahrenen x-y-Position des Tisches wird nun ein Bildstapel in z-Richtung aufgenommen. Dies wird durch die Steuerschleife durchgeführt, die im Schritt 56 prüft, ob die Endposition des Verstellweges des Objektiv-Piezoaktors erreicht ist. Solange dieser nicht erreicht ist, wird im Schritt 36 ein Bild aufgenommen, gespeichert und im Schritt 38 die Position des Objektives über den Objektiv- Piezoaktor um Δz₁ verändert. Dieses Verfahren kann anhand des folgenden Beispiels verdeutlicht werden:
Nach dem Start des Verfahrens wird in der durch den Schritt 56 definierten Steuerschleife nun das Objektiv durch den Objektiv-Piezoaktor in Δz₁ Schritten in verschiedene Abstände vom Objekt gesteuert. Ist das Objektiv in seiner Endposition angekommen so wird es einen Gesamtweg von n.Δz₁ = N zurückgelegt haben. Nun wird das Objektiv im Schritt 68 über den Objektiv- Piezoaktor zurück in seine Startposition gesteuert. Ferner wird der Tisch 14 um den Wert der vorherigen Objektivgesamtauslenkung -Δz₂ = N + Δz₁ verschoben.
Nun wiederholt sich die Steuerschleife und es wird erneut über einen Gesamtweg von n.Δz₁ = N schrittweise verschoben. Ist seine maximale Auslenkposition erreicht, so kehrt das Objektiv 10 wiederum zurück in seine Startposition und der Tisch 14 wird um den Weg der neuerlichen Objektivgesamtbewegung um -Δz₂ = N + Δz₁ relativ zur aktuellen Tischposition verschoben.
Durch Wiederholen dieser Objektivbewegung und Tischbewegung kann ein wesentlich größerer Bereich des Objektes höchstauflösend - da Piezos sehr kleine Verschiebungen realisieren können - abgescannt werden. In jeder durch die Objektivverschiebung Δz₁ erreichten Fokusebene wird ein Bild mit einer analogen oder digitalen Kamera aufgezeichnet und zunächst gespeichert (im RAM, auf der Festplatte etc.).
Konkret ergibt sich beispielsweise für die folgende Objektiv- und Tischsteuerfolge für n(Objektiv) = 3 und m (Tisch) = 3 ein Verfahrensablauf, wie er in der folgenden Tabelle dargestellt ist.
Wie ersichtlich, kann durch eine gezielte alternierende Bewegungsabfolge von Objektiv 10 und Tisch 14 mittels einer piezogesteuerten Verstelleinrichtung 16, 18 am Objektiv und der Positionssteuerung 21 des Tisches 14 ein wesentlich größeren Scanbereich mit hoher Auflösung überdeckt werden. Daraus ergibt sich ein Gesamtabstand, der mit diesem Verfahren überstrichen werden kann zu:

Δz(Gesamt) = Δz₁ - (m + 1).(n + 1).Δz₁ [µm]

dabei ist
m = Anzahl der Schritte des Tisch/Objekt Steuersystems (elektromechanisch)
n = Anzahl der Schritte des Objektiv Piezo Systems
Δz₁ = Schrittabstand des Objektivpiezos (z. B. 1 µm)
Nachdem ein Fokusbildstapel nach besagtem Zusammenspiel zwischen Tisch- und Objektivbewegung aufgezeichnet wurde, kehrt das Piezoobjektiv 10 im Schritt in seine z-Startposition zurück. Der Tisch 14 wird um ein Bildfeld in der x-y-Ebene weitergesteuert und ein weiterer Fokusbildstapel wird nach obigem Verfahren mit dem Piezoobjektiv aufgezeichnet.
Sobald alle Bilder eingescannt wurden, wird für jede gescannte z-Ebene im Schritt 52 das Mosaikbild erzeugt, wobei dieser Schritt bevorzugt von einem speziellen Programm zunächst automatisch durchgeführt wird. Auf diese Weise entsteht für jede Fokusebene ein Mosaikbild. Im Schritt 40 wird dann wieder ein Multifokusbild erzeugt.
Zur Verbesserung der Bildqualität kann wiederum, wie in Fig. 18 gezeigt, nach dem Erzeugen des Multifokusbildes auch bei diesem Verfahren eine Entfaltung des Multifokusbildes mit dem Apparateprofil des Aufnahmesystems in Schritt 41 erfolgen, um die Bildschärfe in z-Richtung weiter zu verbessern.
Ebenso ist es möglich, wie in Fig. 19 gezeigt, bereits vor dem Erzeugen des Multifokusbildes in Schritt 40 alle x,y-Mosaikbilder mit dem Apparateprofil des Aufnahmesystems in Schritt 39 zu entfalten. Dieses Verfahren ist, wie bereits gesagt, zwar zeitintensiver, führt aber zu einem nochmals im Hinblick auf die Schärfe des Bildes verbesserten Multifokusbild.
Ein einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird einen Piezoaktor 16 mit einer zugehörigen Steuerung 18 am Objektiv 10 und ein Piezoaktor 22 mit einer zugehörigen Steuerung 20 am Tisch 14 angeordnet. Der Tisch 14 ist darüber hinaus mit einer elektromechanische Steuerung gekoppelt, um eine Bewegung des Objekttisches in x-, y- und z-Richtung bereitzustellen. In einer schematischen Darstellung ist diese Konstellation in Fig. 20 gezeigt.
Somit sind nun für die Einstellung des Abstandes des Objektives 10 vom Objekt 12, also für die gesamt mögliche z-Verschiebung folgende drei Verstellglieder vorhanden:

1. elektromechanischer Tisch: Δz₂
2. Tisch-Piezoaktor: Δz₃
3. Objektiv-Piezoaktor: Δz₁

Für die Verstellung des Objekttische in x- und y-Richtung sind zwei Verstellglieder vorhanden:

1. elektromechanischer Tisch: Δx₂; Δy₂
2. Tisch-Piezoaktor: Δx₃; Δy₃

Durch die Möglichkeiten der Piezokombination kann ein Fein-Scanbereich erreicht werden, der durch den Verstellbereich definiert ist, den die beiden Piezoaktoren abdecken.
Entsprechend dem nun zusätzlich zur Einstellung des Abstandes des Objektives 10 von dem Objekt 12 zur Verfügung stehenden Verstellweges Δz₃ werden die bislang beschriebenen Verfahren um eine weitere Steuerschleife erweitet. Dieses Verfahren ist in Fig. 21 anhand eines Ablaufdiagramms dargestellt. Hierzu wird in Schritt 76 abgeprüft, ob die Endposition des Objekttisch- Piezoaktors bereits erreicht ist. Abhängig von diesem Ergebnis wird entweder in Schritt 36 das aktuelle Bild oder das Objektiv 10 und der Tischpiezo 22 um Schritt 78 und 80 in ihre neue Position gefahren. Zusätzlich werden in den Gesamtablauf auch die Schritte 82, 84 und 86 aufgenommen, in denen jeweils der Tischpiezo 22 in seine Startposition zurückgefahren wird.
Grundsätzlich entspricht das Scanprinzip dem bereits im Zusammenhang mit Fig. 11 beschriebenen, bei dem ebenfalls ein Objektiv-Piezoaktor 16 und ein Tisch-Piezoaktor 22 eingesetzt werden. Hier kann ein sehr präzises, hochaufgelöstes und schnelles Erfassen der einzelnen Bildebenen zur Rekonstruktion eines 3-dimensionalen Oberflächenabbildes und eines höchstaufgelösten Bildes erfolgen. Durch den zusätzlichen Einsatz eines elektromechanischer, in den drei Raumrichtungen x, y, z verstellbaren Tisches 14 lässt sich das Verfahren gemäß Fig. 11 in vorteilhafter Weise mit dem Verfahren gemäß Fig. 17 kombinieren. Sowohl der Grob- als auch der Feinbereich lassen sich so abstimmen, dass durch ein geeignetes Bewegungsmaß des elektromagnetischen Tisches in z-Richtung ein nahtloses Aneinanderfügen der Feinscanbereiche realisiert wird. Somit erlaubt die Kombination beider Ausführungsbeispiele eine wesentliche Erhöhung des in z-Richtung verfügbaren Feinscanbereiches.
Wie in Fig. 21 schematisch dargestellt, kann nach jeder x-y-Verschiebung des elektromechanischen Mikroskoptisches 14, die exakte Wunschposition mittels des Tischpiezos 22 fein eingestellt werden. Dies gelingt durch einen in x und y geeignet wirkenden Offset der Position des Objektes 12 durch den Tischpiezo 22, nachdem die neue x-y-Position des Objektes durch den elektromechanischen Tisch 14 voreingestellt wurde.
Diese erlaubt es, bei der Bildmosaikerstellung auf die Berechnung des Überlappbereiches benachbarter Bilder verzichten, da sich die einzelnen, zum Mosaik beitragenden Einzelbilder so genau anfahren lassen, dass benachbarte Bilder sich pixelgenau berühren. Somit können die Mosaikeinzelbilder im Berührungsverfahren, dem sogenannten touche-Verfahren aneinandergesetzt werden. Dieses Verfahren zur Mosaikerstellung ist das derzeit schnellste und robusteste Verfahren, da die das Bildmosaik bestimmenden Qualitätsfaktoren ausschließlich von der genauen Positionierung des Objektes 12 abhängen. Diese gelingt über eine exakte elektromechanische Positionierung des Tisches 14 und die genaue Ansteuerung des Tischpiezo 14 in x-y- und z-Richtung. Somit muss keine Bildanalyse zur Berechnung des Überlappbereiches benachbarter Bilder erfolgen. Durch Wegfall der Notwendigkeit dieses zeitaufwendigen Autokorrelationsverfahrens wird neben Robustheit und Bildinhalts-Unabhängigkeit ferner eine hohe Geschwindigkeit erreicht und es können schnell veränderliche Prozesse an mikroskopischen Oberflächen hochauflösend erfasst werden. Bezugszeichenliste 10 Objektiv
12 Objekt
14 Objekttisch
15 Dem Objektiv zugewandte Oberfläche des Objekttisches
16 Objektiv-Piezoaktor
17 Dem Objektiv abgewandte Oberfläche des Objekttisches
18 Piezosteuereinrichtung
20 Piezosteuereinrichtung
21 elektromechanische Verschiebesteuerung
22 Objekttisch-Piezoaktor
30 Start des Verfahrens
32 Anfahren der Startposition
34 Entscheidung "Endposition erreicht?"
36 Bild holen und speichern
37 Verschiebung des Objekttisch-Piezoaktors Δz
38 Verschiebung des Objektivs
39 Entfalten der Einzelbilder
40 Erzeugen des Multifokusbildes
41 Entfalten des Multifokusbildes
42 Ergebnis speichern
44 Ende des Verfahrens
46 Entscheidung "Endposition Objektivpiezo erreicht?"
48 fahre Objektiv in Startposition
50 Entscheidung "Endposition des Tisches in y-Richtung erreicht?"
52 Erzeuge Bildmosaik
54 Entscheidung "Endposition des Tisches in x-Richtung erreicht?"
56 Entscheidung "Objektivpiezo Entposition erreicht?"
58 fahre Tisch in nächste x-Position
60 verfahre Objektiv zurück in Startposition
62 fahre Tisch in x-Startposition zurück
64 fahre Tisch in nächste y-Position
66 Entscheidung "Endposition Tisch in z-Richtung erreicht?"
68 verfahre Objektiv zurück in Startposition
69 verfahre Tisch in nächste z-Position
70 verfahre Tisch zurück in z-Startposition
72 verfahre Tisch zurück in z-Startposition
74 Feinjustage x, y-Richtung
76 Entscheidung "Endposition Tisch in z-Richtung erreicht?"
78 verfahre Objektiv zurück in Startposition
80 verfahre Tischpiezo in die nächste z-Position
82 verfahre Tischpiezo zurück in Startposition
84 verfahre Tischpiezo zurück in Startposition
86 verfahre Tischpiezo zurück in Startposition
d Abstand Objektiv/Objekt
Δx Verschiebung in z-Richtung
Δy Verschiebung in z-Richtung
Δz Verschiebung in z-Richtung

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektes (12) mit einem Objektiv (10), einem Objekttisch (14) zur Aufnahme des Objektes (12) und einer Bildaufnahmevorrichtung zum Aufzeichnen einer Serie von Einzelbildern des Objektes (12) in verschiedenen Ebenen, dadurch gekennzeichnet, dass eine piezogesteuerte Einrichtung (16, 22) zur Einstellung des Abstandes des Objektives (10) vom Objekt (12) und weiterhin eine Einrichtung zur Erzeugung eines Multifocusbildes aus der Serie von Einzelbildern vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezogesteuerte Einrichtung (16) mit dem Objektiv (10) gekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezogesteuerte Einrichtung (22) mit dem Objekttisch (14) gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere piezogesteuerte Einrichtung (22) mit dem Objekttisch (14) gekoppelt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezoaktor (22) auf dem Objekttisch (14) so aufgebracht ist, dass das Objekt (12) auf dem Piezoaktor (22) ablegbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Objekttisch (14) über eine elektromechanische Einstellvorrichtung in x-, y- und z-Richtung bewegbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Entfalten des Multifokusbildes mit einer Apparatefunktion vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Entfalten jedes der Einzelbilder der Serie mit einer Apparatefunktion vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bildmosaiks vorgesehen ist.

10. Verfahren zur Untersuchung eines Objektes (12) unter Verwendung eines Objektives (10) und einer Bildaufnahmeeinrichtung, wobei von dem Objekt (12) eine Serie von Einzelbildern mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen (36) wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Fokusebene des Objektives (10) im Objekt (12) vor der Aufnahme eines Einzelbildes mit einer piezogesteuerten Einrichtung (16, 22) eingestellt wird.

11. Verfahren zur Untersuchung eines Objektes (12) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen der Fokusebenen des Objektives (10) im Objekt (12) für jedes Einzelbild so eingestellt werden, dass sie zueinander äquidistant sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufnahme der Einzelbilder (36) oder nach der Aufnahme der Serie der Einzelbilder jedes der Einzelbilder mit einer Apparatefunktion der optischen Abbildungsvorrichtung entfaltet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus jedem der Einzelbilder durch Extrahieren der Teilmenge der Bildbereiche mit hoher Detailschärfe ein Ergebnisbild ermittelt wird und in einem weiteren Schritt (40) die Vielzahl der Ergebnisbilder zu einem Multifokusbild kombiniert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifokusbild in einem Schritt (41) mit einer Apparatefunktion der optischen Abbildungsvorrichtung entfaltet und somit ein Multifokusbild mit erhöhter Detailschärfe erhalten wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des Abstandes des Objektes (12) vom Objektiv (10) ein am Objektiv angebrachter Piezoaktor (16) und ein am Objekttisch angebrachter Piezoaktor (22) von ihren jeweiligen Steuereinrichtungen (18, 20) so angesteuert werden, dass sich ihre Ausdehnung in z-Richtung ändert.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Positionierung des Objektes (12) der Objekttisch (14) mit einer elektromechanischen Verschiebeeinrichtung in x-, y-, oder z-Richtung verschoben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Fokusebene zunächst in einem ersten Schritt 52 aus den Einzelbildern zunächst ein Bildmosaik für diese Ebene erzeugt wird und jedes Bildmosaik in einem zweiten Schritt (40) zur Erzeugung eines Multifokusbildes verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bildmosaik vor der Erzeugung des Multifokusbildes mit der Apparatefunktion der optischen Abbildungsvorrichtung entfaltet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das aus jedem Bildmosaik entstandene Multifokusbild mit dem Apparateprofil der optischen Abbildungsvorrichtung entfaltet und somit ein Multifokusbild mit erhöhter Detailschärfe erhalten wird.