用于检查微观样本的光显微镜和显微镜学方法

摘要

本发明涉及用于检查微观样本的光显微镜和显微镜学方法。根据本发明，该显微镜学方法的其特征在于：在不同样本记录的高度测量范围相互重叠的高度，记录样本记录；在两个分别的样本记录中，识别共同横向区域；对共同横向区域，能在两个样本记录中获得高度信息；并且在用于至少一个共同横向区域的不同样本记录的高度信息的基础上，确定不同样本记录的高度信息的联系。本发明另外基于相应的光显微镜。

说明书

技术领域

本发明第一方面涉及根据权利要求1的前序的用于检查微观样本 的显微镜学方法(microscopy method)。

在第二方面中，本发明涉及根据权利要求12的前序的光显微镜。

背景技术

已知光显微镜和显微镜学方法的目的是确定样本表面的高度。样 本表面一方面能理解成待检查的对象的外边界。然而，也可以理解成 待检查的对象的内部的表面，例如水溶液中的生物细胞或细胞成分。 尤其对特征化技术表面和导出粗糙度测量值和地形，这些测量是相关 的。

通过用于检查微观样本的通用显微镜学方法，上述高度确定是可 能的。在该方法中，假定通过光源设备，向样本发射照明光，通过光 学成像装置，将来自样本的样本光导向检测器单元，通过检测器单元 测量样本光来产生多个样本记录，从每一样本记录获得用于样本的相 应多个横向区域(lateral region)的高度信息，其中，在每一情况下， 每个样本记录的高度信息限定到一个高度测量范围，并且不同样本记 录的高度测量范围彼此不同，由样本记录计算整体图像，其中，整合 不同样本记录的整体图像高度信息。

用于检查微观样本的通用光显微镜包括向样本发射照明光的光源 设备、将照明光导向样本并且引导来自样本的样本光的光学成像装置、 测量样本光来产生多个样本记录的检测器单元、被设计成从每一样本 记录获得用于样本的多个横向区域的每一个的高度信息的电子控制评 价装置，其中，在每一情况下，每一样本记录的高度信息限定到一个 高度测量范围，并且不同样本记录的高度测量范围相互不同，并且其 中，电子控制评价装置被另外设计成从样本记录计算整体图像，其中， 整合不同样本记录的整体图像高度信息。

能理解整合不同样本记录的高度信息，在于不再与另外的各个样 本记录的高度信息无关地提供一个样本记录的高度信息，而是相反， 相对于共同基准点，表达样本记录的每一个的高度信息。因此，能有 意图地将一个样本记录的高度信息与来自另一样本记录的高度信息比 较。

例如，已知通过共焦显微镜的高度检查。在这种情况下，通过初 始聚焦在某一高度平面的照明光，扫描样本。同时，将样本图像记录 为上述样本记录。例如，能评价该样本图像来确认样本区域，即样本 的特定横向区域正好位于照明高度平面还是离它有一定距离。然后， 在高度方向中，即，在从样本延伸到光显微镜的物镜的光轴的方向中， 通过可调整样本台，移动样本。然后，记录和评价第二样本图像。现 在确定在第一样本图像的情况下位于照明高度平面中的横向区域的高 度与第二样本图像的情况下位于照明高度平面的另一横向区域的高度 之间的关系。为此目的，检测调整高度，由此，在两个图像的记录之 间的高度中移动样本。然后，通过调整高度的知识，整合两个样本记 录的高度信息。缺点在于要求高成本调整元件来高精度地确定该高度。

为同时检查多个横向区域，在共焦显微镜中使用具有尼普科夫盘 (Nipkow disc)的旋转盘方法。在这种情况下，使用具有多个孔的盘， 通过孔，照射多个横向区域。通过旋转该盘，在横向方向执行扫描。 对具有不同高度测量范围的样本记录，还要求在高度方向中移动样本， 这通常必须经高精度致动器系统来确定。

此外，会发生振动或碰撞，由于此，在测量期间，样本的高度位 置改变。在大多数情况下，因此，使用昂贵的减振台。

在具有结构化照明的显微镜中，产生同样的问题，其中，通常对 不同点阵图像产生样本图像并且样本图像被用于计算来产生高分辨率 图像。

同样，在共焦和非共焦光部分的单独同步记录的情况下，必须执 行样本的高度移动，由此，这关系到用于精确调整单元的高成本和不 期望的振动效果。

此外，已知用于获得高度信息的彩色共焦原理。在这种情况下， 使用具有彩色效果的光学元件，其中，屈光力取决于波长。用这种方 式，由其波长而定，能将光聚焦到不同高度平面上。能使用具有连续 共焦检测的宽带光源或可调光源。取决于不同波长的光的强度，能推 断样本的横向区域的高度。通过不同波长的光的不同聚焦，限定高度 测量范围。如果样本具有超出该高度测量范围的大不相同的高度，还 必须通过该测量方法，在高度方向中移动样本。通常必须通过精确的 调整装置来检测该移动距离。此外，例如样本台的振动对测量结果有 非常大的不利影响。

在纳米轮廓测定方法的情况下，同样的问题也存在。其中，定位 样本，使得它位于宽视场共焦显微镜的轴向响应函数的上升或下降侧 面中。如果通过先前的校准步骤，已知不同样本横向区域的相对反射 率，则能直接确定高度轮廓。然而，高度测量范围有限，意指通常必 须在高度方向中移动样本，并且另外的样本记录是必要的。为联系这 些不同记录的高度信息，要求样本的高度调整的精确知识。

有许多另外的测量方法，但分别限定到一个高度测量范围，并且 要求相对于照明和检测光路移动样本。所有这些常规的方法具有通过 高成本调整元件来高精度相对移动样本是必要的并且测量结果仍然大 大地受振动影响的缺点。

发明内容

能认为本发明的目的是表明显微镜学方法和光显微镜，通过它们， 能在特别大的高度范围上，精确并且成本有效地检查样本。

通过具有权利要求1的特征的显微镜学方法和通过具有权利要求 2的特征的光显微镜，实现该目的。

根据本发明的显微镜学方法和根据本发明的光显微镜的有利变形 是从属权利要求的主题并且在下述描述中另外说明。

在上述类型的显微镜学方法中，根据本发明，提供在使得不同样 本记录的高度测量范围相互重叠的高度，记录样本记录，在两个分别 的样本记录中识别共同的横向区域，对此，能在两个样本记录中获得 高度信息，并且在用于至于一个共同横向区域的不同样本记录的高度 信息的基础上，确定不同样本记录的高度信息之间的联系。

在上述类型的光显微镜中，根据本发明，采用电子控制评价装置：

-在使得不同样本记录的高度测量范围相互重叠的高度，记录样 本记录，

-在两个分别的样本记录中，识别共同横向区域，对此，能在两 个样本记录中获得高度信息，即，识别至少一个共同横向区域，对此， 在两个样本记录中获得高度信息，在该横向区域中，高度由此位于高 度测量范围内，并且

-在用于至少一个共同横向区域的不同样本记录的高度信息的 基础上，确定不同样本记录的高度信息之间的联系。

优选通过控制评价装置来自动地执行这些步骤。

能明白本发明的基础理念是通过在两个分别的样本记录中识别共 同横向区域，整合不同样本记录的高度信息用于整体图像，对共同横 向区域，能在两个样本记录中获得高度信息，并且通过经共同横向区 域的高度信息，确定剩余横向区域的高度信息的关系，为此，能在两 个样本记录的仅一个中，获得高度信息。

在下文中，详细地阐述本发明的理念。

通过评价每一样本记录，能获得高度信息。然而，高度信息仅构 成表示样本记录内的不同横向区域的高度关系的相对表示。开始未知 一个样本记录的高度信息和另一样本记录的高度信息之间的关系。

通常，为此目的，使用精确调整装置来检测高度距离，通过精确 调整装置，能在两个样本记录之间移动样本。

根据本发明，不需要精确调整装置。能明白本发明的主要理念在 于通过来自样本记录本身的信息，确定不同样本记录的高度信息之间 的联系。由此，用能计算不同样本记录之间的样本的高度调整的方式， 评价样本记录。

为此，信息必须包含在两个分别的样本记录中，从该信息，能确 定哪一测量值，即，哪一高度信息，特征化样本区域的相同高度。为 实现此，样本和从一个样本记录到下一样本记录的照明和检测光路之 间的相对移动可能不是任何所需的水平。相反，相对移动正好是在两 个分别的样本记录的高度测量范围相互重叠的高度执行样本记录的大 小。这是必要的，以便能在两个分别的样本记录中，检查样本的至少 一个重合横向区域。该横向区域的高度能用作基准高度。由此，在用 于相同横向区域的两个样本记录中，确定高度信息。两个样本记录的 高度信息表示样本区域的相同高度，是指向它们指定相同的绝对高度 值。样本记录的剩余高度信息构成相对于该基准或绝对高度值的相对 信息。由此，能将剩余高度信息转换成绝对高度值。由此，在两个样 本记录的高度信息之间产生联系。

在使得其高度测量范围与上述样本记录的一个重叠的高度，依次 记录任选第三样本记录。由此，在这两个样本记录中确定共同横向区 域，并且将所述共同横向区域的高度用作用于第三样本记录的剩余高 度信息的支持或基准值。

对于可能执行的所有另外的样本记录，采用类似的过程。

根据本发明的优选变形，如下实现联系：对每一样本记录，将横 向区域的一个的高度信息确定为用于该样本记录的基准点。替代地， 从多个横向区域的高度信息，导出大体上的任意基准点。然后，将在 用于不同横向区域的样本记录中获得的高度信息表达为相对于该样本 记录的基准点的相对高度。对两个样本记录共同的横向区域的至少一 个，确定已经对两个样本记录中的该横向区域确定的两个相对高度之 间的差。然后，通过所确定的差，确定高度偏移。该高度偏移能等于 该差。如果对多个共同横向区域，确定各个差，能将高度偏移固定为 该差的平均值。为联系两个样本记录的高度信息，最后，通过高度偏 移，修改这些样本记录的一个的相对高度。由此，两个样本记录由此 获得的相对高度参考相同基准点。

优选将高度信息选择为来自横向区域的测量精度最高的基准点。 如果例如通过用于相关横向区域的光强度的单调函数，确定高度信息， 最高测量精度是横向区域的光强度的信噪比最大的最高测量精度。

大体地能以任何所需的方式执行样本记录，假定它包含在高度测 量范围的高度信息，即假定在样本记录的特定高度范围内能使样本表 面的不同高度相互远离。

能通过单个或多个样本图像形成样本记录。优选记录两个样本图 像，其构成样本记录。如在下文更详细地描述，不需要高度调整来记 录这两个样本图像。由此，能由样本记录覆盖更大的高度测量范围。

高度测量范围例如能是1μm。如果样本具有更大高度差，对超出 1μm的高度测量范围的样本的横向区域，能获得无定量高度信息，或 仅非常不准确的定量高度信息。

将检测的样本光能是从样本传播回的照明光，特别是反射或散射 照明光。然而，这些样本光也能是通过照明光的激发产生的冷光，即， 荧光或磷光。

所使用的光源设备大体上是任何设计，只要它向样本发射照明光， 例如可见、红外或紫外光。能包括一个或多个光源单元，例如激光器 或LED。优选通过光源设备，在样本上产生由多个光点组成的光点图 案。为此，以相应的图案，紧挨地布置多个光源。替代地，光源能照 射遮光板，通过该遮光板形成光点图案。该遮光板能由例如小孔或反 射镜组成。电子可调微镜阵列(DMD：数码微镜器件)也能用作反射 镜。能使用基于例如可转换液晶区域的其他电子激活光调制器。格栅 能用作遮光板。能横切和/或在光的传播方向中可调该格栅。用这种方 式，能照射的不同横向区域的数量增加。此外，能改变锐利成像光点 图案的高度平面。格栅包括具有一个或两个格栅常数的周期结构。替 代地，格栅还能具有不规则结构，由此，同时产生不同维度的光点。

此外，光源设备或光学成像装置还能具有扫描仪，通过扫描仪， 照明光束相继地照射不同横向区域，由此产生光点图案。

光点同时照射彼此分开的横向区域。用这种方式，能在单个样本 记录中，检查样本的多个横向区域。由于总是将至少一个横向区域用 作基准来联系不同样本记录的高度信息，因此，继续强制地需要在样 本记录中检查多个横向区域。

横向区域能理解成横切的、特别是垂直于高度方向的样本的区域。 由此，高度方向能理解成从光显微镜的物镜到样本的光轴的方向。

从多个样本记录计算的整体图像包括样本的多个横向区域的两个 横向和高度方向的坐标。因此，整体图像能理解成3D图像。

通常不同样本记录的高度信息之间的联系理解成相对于共同基准 表达的不同样本记录的高度信息。事实上，样本记录初始提供用于其 他各个基准点的高度信息，并且开始不知道这些不同基准点如何相关。

优选将同一个高度值指定给两个样本记录共同的横向区域的每一 个，以便联系这两个样本记录。两个样本记录分别包含用于剩余横向 区域的高度信息，为此，能仅在两个样本记录的一个中，获得高度信 息。从样本记录已知该高度信息与共同横向区域的高度信息的关系。 因此，现在能相对于上述高度值，表达剩余横向区域的高度信息。

共同横向区域能理解成至少相互重叠的样本的横向区域。它们优 选是同心并且具有相同的形状。能分别由光点照射的样本表面，限定 横向区域。在这种情况下，光点的大小能在光的传播方向中改变，意 指在样本表面上产生的光点对两个不同的样本记录能在大小方面不 同。由此，共同横向区域是同心并且是相同形状，但具有不同大小。

为联系两个样本记录的高度信息，能通过计算对于共同横向区域 的不同样本记录的高度信息之间的差，计算这些样本记录的高度测量 范围之间的高度偏移，并且由该高度偏移置换这两个样本记录中的一 个的高度信息。例如，第一样本记录能示出横向区域具有相对任意基 准点的0.3μm的高度。另一样本记录能示出相同横向区域具有相对于 另一任意基准点的0.8μm的高度。现在，能将这些样本记录之间的高 度偏移确定为差：0.8μm-0.3μm＝0.5μm。现在，由0.5μm置换两个样本 记录中的一个的所有高度信息。由此，相对于同一基准点，表达两个 样本记录的高度信息。

对每一样本记录，能有用地确定和选择高度位于各个高度测量范 围内的横向区域。仅使用这些所选择的横向区域的高度信息来计算整 体图像。能通过例如确定该测量值是否满足特定信号质量，尤其是大 于阈值，确定记录测量值的横向区域是否位于高度测量范围内。

由此，能由仅在位于高度测量范围内的样本的横向区域的高度下 才是足够的信号质量，限定高度测量范围。尤其能通过超出特定阈值 的信噪比，限定足够的信号质量。

在这种情况下，其中，在两个样本记录中识别多个共同横向区域， 优选使用所有共同横向区域的高度信息来确定剩余横向区域的高度信 息的联系，为此，能在两个样本记录的仅一个中，获得高度信息。由 此，能实现联系的更大精度。

对共同横向区域的每一个，能计算两个样本记录的高度测量范围 之间的差，由此，根据测量不准确的结果，这些差能具有可忽略的不 同值。由此，能由差形成平均值。该平均值能用作观察中的两个样本 记录的高度测量范围之间的高度偏移。

当使用多个共同横向区域的高度信息来联系高度信息时，能提供 其来不同地加权用于多个共同横向区域的高度信息。例如，取决于相 关联的信号质量，能实现高度信息的加权。如果例如由光强度导出高 度信息，则通过更大的光强度，信噪比及信号质量更好。如果由图像 锐度确定横向区域的高度信息，则通过用于各个横向区域的测量信息 的更大图像锐度，信号质量越好。

为产生多个样本记录，能执行高度扫描。在高度扫描期间，对每 一样本记录，调整将样本光引导到检测器单元的样本的高度范围。为 此，能在例如高度方面调整样本。还能相对于样本，调整照明和/或样 本光的光路。当使用对不同光波长，产生不同焦点的彩色光学系统时， 通过不同波长的照明光的顺序发射，能产生不同样本记录。这也能描 述为Lambda扫描。

根据本发明的第四实施例，提供光学成像装置，用于编码高度信 息，所述光学成像装置具有点成像功能，通过该点成像功能，光源的 点被成像在样本的横向区域上或样本的横向区域被成像在检测器单元 上的形态或形状取决于各个横向区域的高度。在通过检测器单元记录 的样本记录中，然后，确定多个成像横向区域的各自的形态或形状。 最后，由形状导出各个横向区域的高度信息。

例如，通过具有像散的光学元件，能实现这种点成像功能。为此， 特别地，能在样本和检测器单元之间的光路中，提供柱面透镜。通过 柱面透镜，畸变样本的点状或圆形形状的横向区域，使得检测器单元 上的图像的宽度和长度相互不同。该图像的宽度和长度由此取决于样 本的成像横向区域的高度。由此，能由图像的宽度和长度，导出高度 信息。

替代地，还能将柱面透镜布置在光源设备和样本之间，由此，以 畸变的方式，将点状或圆形形状的光源成像在样本上，并且具体形状 取决于照射横向区域的高度。然后，通过检测器单元，测量照射区的 形状，由此，在所述检测器单元前，不再需要另外的柱面透镜。更明 确地说，在这些实施例中，能使用具有像散的任何所需光学元件，代 替柱面透镜。

光学成像装置还能包括具有点成像功能的所谓的相位片，在样本 光的传播方向中，即在样本的高度方向中，通过形态相关性，螺旋地 成像点。

根据这些实施例，每一样本记录能包括正好一个样本图像。

根据本发明的优选变形，通过下述操作，从样本记录获得高度信 息：

-强度确定，其中，例如以纳米轮廓测定方法，从用于横向区域 的测量光强度，导出用于该横向区域的高度信息，和/或

-锐度确定，其中，从用于横向区域的确定图像锐度，导出用于 该横向区域的高度信息。

替代地，还能确定相干性对比或相干性度，其以与光强度和锐度 相同的方式取决于各个横向区域的高度。此外，还能检测照明光的反 射光子的到达时间，以便获得高度信息。

还能经照明光和样本光的干涉，由样本记录确定高度信息。为此， 将照明光引导到样本并且在检测器单元的方向中引导来自样本的样本 光。照明光的一部分在该部分到达样本前，被分支到基准路径上，并 且导致与检测器单元的样本光的干涉。干涉模式，或分别地，特定检 测器区域域的光强度，取决于样本的高度，意指能获得高度信息。这 种样本记录还具有有限高度测量范围。由此，将样本移动到初始但不 准确的已知不同高度并且计算以根据本发明的方式记录的高度信息的 联系是好的理念。

根据另一优选实施例，执行彩色共焦样本检查或白光干涉量度学 来产生样本记录，由该样本记录获得高度信息。在这些情况下，照明 光的焦平面是波长相关的。由此，通过共焦布置，能将多个光点照射 在不同样本区域上。通过使用例如小孔圆盘或数字隔膜，通过检测器 单元，仅测量来自这些精确的照射样本区域的样本光。通过彩色高效 光学元件，对不同波长的光，产生不同共焦平面。取决于波长，对每 一照射样本区域，能确定样本光的强度。通过确定强度最大的波长， 可以确定与照射横向区域的高度重合的多个共焦平面中的共焦平面。

能将照明光发射为覆盖宽光谱范围的白光。在这种情况下，检测 器单元以分辨波长的方式测量。替代地，能相继地发射不同波长范围 的照明光。用这种方式，检测器单元的波长分辨率是不必要的。

根据另外的，尤其是优选的实施例，能以对每一样本记录，分别 记录至少两个样本图像的方式，设计光学成像装置、光源设备和检测 器单元，无需机械地移动样本、光学成像装置或检测器单元。为记录 两个样本图像：

-通过光源设备和光学成像装置，将至少两个光点图案聚焦在不 同样本或高度平面上 和/或

-通过光学成像装置和检测器单元产生并且单独地测量至少两 个不同样本平面的图像。

根据这些实施例，由此使用空间相等的布置来记录至少两个样本 图像。在这些图像的记录之间，不执行高度方向的扫描移动。此外， 提高精度是可能的，因为不存在机械移动的不准确并且光学部件的振 动具有降低的影响。此外，样本相关的校准不是必要的。在下文中， 更详细地描述这些实施例的结构。

相对于该横向区域，照射样本区域或横向区的大小取决于聚焦光 点的高度平面的高度。由此取决于样本的表面轮廓，在具有一个高度 平面的样本表面上，产生不同大小的光点。

在相对小的照射横向区域，将具有高样本光强度的相应小区域照 射在检测器单元上。另一方面，较大的照射横向区域导致照射在检测 器单元上的相当大的区域和较小的样本光强度。

能由此确定照射横向区域位于聚焦光点图案的高度平面内部还是 外部。然而没有样本专用的基准测量，不能由单个样本图像确定位于 高度平面的外部的横向区域位于该高度平面上方还是下方。这通过借 助于第二样本图像变得可能。

为记录两个样本图像，光点图案能被聚焦在不同高度平面上。由 此，记录两个样本图像的检测器元件能位于同一像平面上来记录两个 图像。为第二样本图像而被照射的横向区域是大于还是小于为第一样 本图像而被照射的相应横向区域，取决于该横向区域的高度位于在第 一样本图像的情况下聚焦光点图案的第一高度平面上方还是下方。由 此，能从对两个样本图像中的相同横向区域获得的测量信息的比较， 确定该横向区域的高度在第一高度平面上方还是下方。

另一方面，如果必须比较不同、不等的横向区域的测量信息，则 在随样本改变的折射率和/或光散射的程度将歪曲该结果。

替代地，为记录两个样本图像，在样本表面上产生相同的光点图 案，并且将不同高度平面成像在检测器单元上并且单独地测量。检测 器单元相应地记录至少两个样本图像，其中，定位检测器单元的检测 器元件的检测器平面可选地与第一高度平面和由此不同的第二高度平 面共轭。聚焦光点图案的高度平面能与第一或第二高度平面相同或均 两者均不同。

上述替代方案还能描述如下：将样本上的某一高度平面成像在两 个空间偏移的像平面上。由此，两个像平面分别与高度平面光学共轭。 像平面相对于检测器单元的检测器平面不同地设置，并且被分别测量， 由此，记录两个样本图像。由此，通过不同的锐度将高度平面成像在 检测器平面上。由对两个样本图像中的相同横向区域获得的测量信息 的比较确定该横向区域的高度位于第一高度平面上方还是下方。

借助于先前存储的基准数据，定量声明是可能的。在具有已知高 度轮廓的对象上，在前基准测量中确定这些基准数据。通过比较图像 锐度或光强度，可以通过基准数据说明所检查的横向区域的高度离两 个高度平面有多远。

通常，高度平面是平面，但也可以是弯曲或其他形态的表面。这 是例如具有弯曲图像传感器的情形。通常，高度平面能理解成可与检 测器单元的检测器表面光学共轭，或与将在样本上成像高度平面的光 源设备的光点图案光学共轭的表面。

光源设备优选包括第一和至少第二光源单元来将光点图案聚焦在 不同高度平面。由此，在与样本上的第一高度平面光学地共轭的平面 中布置第一光源单元，并且在与样本上的第二高度平面光学共轭的平 面上布置第二光源单元。由此，能使用空间固定布置来在不同高度平 面中产生光点图案。

为了设计简单，能前后布置至少两个光源单元。由此，能使用检 测器单元的同一个检测器区域，例如相同相机传感器元件来记录至少 两个样本图像。

然而，如果两个光源单元的照明光能彼此区分，能同时记录至少 两个样本图像。

特别地，为此，通过光源设备和光学成像装置聚焦在不同像平面 中的两个光点图案能在光属性方面有区别。取决于光属性，通过分束 装置，将样本光引导到不同光路上，在不同光路的每一个中，通过检 测器单元测量样本图像。光属性能是例如照明和样本光的偏振或波长。 由此，分束装置能包括取决于光偏振或光波长反射或透射光的偏振分 束器和/或二向色元件。

对样本记录，能记录两个样本图像，其中，将光点图案聚焦在同 一个高度平面上，而其中，不同的高度平面能成像在检测器单元上。

为此，分束装置能存在于样本和检测器单元之间，通过该分束装 置，穿过至少两个空间不同的检测光路分离样本光。检测器单元包括 用于不同检测光路的每一个的分别的检测器区域。由此，不同高度平 面成像在不同检测器区域上。

换句话说，通过样本光，将照射高度平面的图像产生为检测光路 的每一个中的各个像平面，其中，在相对于各个检测器区域的不同平 面中，产生不同检测光路的像平面。

能例如通过不同相机，形成两个检测器区域。然而，特别优选不 同检测器区域为联合相机的不同部分，即，共享相机芯片。

根据优选实施例，通过光衍射元件，形成分束装置，其中，由光 衍射元件的不同衍射级，产生两个检测光路。通过特别少的光损失， 具有少量部件，由此低成本的结构是可能。

附图说明

在下文中，参考附加示例性图，描述本发明的另外的优点和特征， 其中：

图1为了说明根据本发明的理念，示出具有不同高度平面中的三 个所识别的样本点的样本表面；

图2示出具有图1的三个所识别的样本点的样本表面，其中，高 度测量范围是使得能测量第一和第三样本点的高度；

图3示出具有图1的三个所识别的样本点的样本表面，其中，高 度测量范围是使得能测量第二和第三样本点的高度；

图4示出样本的截面，其中，识别在第一样本记录中能确定高度 信息的样本点；

图5示出图4的样本的截面，其中，识别在第二样本记录中能确 定高度信息的样本点；

图6示出图4的样本的截面，其中，识别在第一和第二样本记录 两者中能确定高度信息的样本点；

图7示出根据本发明的光显微镜的实施例的部件，通过该部件， 能检查样本的两个不同高度平面，而无需部件的机械运动；

图8示出根据本发明的光显微镜的另一实施例的部件，通过该部 件，能检查样本的两个不同高度平面，无需部件的机械运动；

图9示出根据本发明的光显微镜的又一实施例的部件，通过该部 件，能检查样本的两个不同高度平面，无需部件的机械运动；

图10示出根据本发明的光显微镜的另一实施例的部件，其中，通 过光衍射元件，能同时检查样本的两个不同高度平面；

图11示出根据本发明的光显微镜的第一实施例；

图12示出根据本发明的光显微镜的第二实施例；

图13示出根据本发明的光显微镜的第三实施例；

图14示出根据本发明的光显微镜的第四实施例。

通常通过相同的参考符号，在附图中，提供相同的部件或具有相 同效果的部件。

具体实施方式

首先，通过参考图1至3，描述本发明的基本理念。

图1示出通过垂直于光轴的样本表面50的截面图。识别样本表面 50的三个样本点x1、x2和x3，即：样本的三个横向区域。这三个样 本点具有不同的高度，其中，高度方向在所示的z方向中延伸。

对三个样本点x1、x2和x3的每一个，示出所谓的响应曲线1、2 和3。响应曲线表示样本点的信号强度有多取决于检查高度平面z1、z2。 由此，在x方向中绘制信号强度的水平。如果所检查的高度平面正好 延伸通过样本点，则信号强度处于最高。然而，对应于该响应曲线， 如果检查高度平面位于离样本点可忽略的距离，则测量样本点的另外 的信号。

由信号强度获知的物理属性取决于测量方法。例如，信号强度能 是光强度、图像锐度或相干性对比。

当记录样本时，从有限的高度测量范围，仅能获得高度信息。该 高度测量范围取决于响应曲线的宽度。图2示出图1的样本表面50， 其中，示出了第一高度测量范围4。该高度测量范围4用于第一样本记 录。该高度测量范围符合高度平面z1的检查，为此目的，能在与z1 共轭的平面中，布置检测器单元的检测器平面。高度测量范围正好对 应于响应曲线的宽度，其中，通过信号强度位于特定阈值以上还是以 下，限定宽度。

第一和第三样本点x1和x3的高度位于高度测量范围4内。由此， 能从该样本记录获得用于这些样本点的高度信息。另一方面，第二样 本点x2位于高度测量范围4外，意指对第二样本点x2，不能确定高度 信息，或确定仅具有不足的精度的高度信息。

图3再次示出图1和2的样本表面50，其中，第二高度测量范围 5用于第二样本记录，其中，检查高度平面z2。该高度测量范围5不 同于第一高度测量范围4。为实现从第一到第二高度测量范围的变化， 例如能在高度方向中移动样本。具有值x2和x3的样本点，而不是具 有值x1的样本点位于高度测量范围5内。由此，能获得用于x2和x3， 而不是用于x1的高度信息。

现在，整合两个样本记录的高度信息来产生整体图像。然而，开 始不知道两个样本记录的两个高度测量范围的关系。

不同样本记录的高度信息是指不同基准点。这种基准点能例如是 图2和3所示的高度测量范围的下限。

例如通过第一图像记录，从图2能确定横向区域x1相对于基准点 A，具有例如0.8μm的高度值z1A，并且横向区域x3相对于基准点A， 具有例如0.2μm的高度值z3A。通过图3的第二图像记录，能相应地 确定横向区域x2相对基准点B，具有例如0.3μm的高度值z2B，并且 横向区域x3相对于基准点B，具有例如0.8μm的高度值z3B。然而， 并不知道基准点A和B如何相关。

通常，为此目的，通过精确的致动器系统或调整元件，检测为从 第一到第二高度测量范围的转变而移动样本的高度。该高度调整表示 基准点A和B之间的差，并且在上述例子中，为0.6μm。现在能将该 0.6μm的差与高度值z2B和z3B相加，由此，两个样本记录的高度值 与同一基准点相关。

该常规方法的缺点在于为了准确结果，要求非常精确因此昂贵的 调整元件。此外，未考虑振动，由于该振动，样本的实际高度暂时偏 离由调整元件设定的高度。

通过本发明，避开这些问题。

由此，从图像记录本身，确定两个样本记录的基准点相互如何联 系。换句话说，通过记录图像信息计算基准点A和B之间的高度差， 作为这些样本记录的高度信息之间的联系。

为此目的，利用对于共同横向区域x3，在两个样本记录中获得高 度信息的事实。在上述例子中，该高度信息为z3A＝0.2μm以及 z3B＝0.8μm。由于该高度信息与同一横向区域相关，其也构成同一高度 值。因此，在最简单的情况下，通过该高度信息之间的差 z3B-z3A＝0.6μm，能通过高度信息z3A和z3B，确定基准点A和B之 间的高度差。

由此确定的值0.6μm表示两个样本记录的高度信息之间的联系。

有利地不要求高精度调整元件来调整样本的高度。如果例如使用 较不准确的调整元件，对上述例子，表示0.4μm+/-0.2μm的高度调整， 通过上述本发明的方法，能确定更准确的值。

如果由于保持样本的样本台的振动，改变所调整的高度，所记录 的高度信息基于所改变的高度。与通过调整装置的高度确定相比，相 应地大量排除振动的干涉影响。

本发明的方法所需的是在两个样本记录中，总是存在至少一个共 同横向区域，对该共同横向区域，在两个样本记录中，能获得高度信 息。为此，两个样本记录之间的高度测量范围的变化必须小于高度测 量范围本身。因此，两个样本记录的高度测量范围相互重叠。由此， 在两个样本记录之间，实现小于高度测量范围的高度测量范围的变化， 其中，不必由测量传感器或调整元件，检测该变化的精确值。

另外，本发明的方法另外所需的在两个样本记录中，将测量相等 的横向区域，而不是相对于彼此偏移的横向区域。为此，在用于两个 样本记录的同一横向区域上，产生光点，因此，从同一横向区域发出 样本光。

另外要求必须通过每一样本记录，检查多个横向区域。仅用这种 方式，两个样本记录能包括两个共同横向区域和剩余横向区域，对其 能在样本记录的仅一个中获得高度信息。

在图1至3的例子中，识别共同横向区域x2，为此，通过两个样 本记录，能获得用于该共同横向区域x2的高度信息。

在图4和5中示出了另一例子。图4表示在所检查的高度平面z1 中获得其高度信息的样本的横向区域。由此，纸平面对应于横向平面， 即，高度方向垂直于纸平面。相应地，图5示出在所检查的高度平面 z2中获得其高度信息的样本的横向区域。在图6中示出了在两种情况 下能获得用于共同横向区域的高度信息的共同横向区域。

图6中所示的对横向区域获得的所有高度信息优选用来联系两个 样本记录的高度信息。为此目的，例如，以上述方式，对这些横向区 域的每一个，确定高度差。然后，从所确定的多个高度差，形成平均 值，并且用来联系两个样本记录的高度信息。

为计算平均值，能不同地加权多个高度差，例如取决于相关测量 的信噪比。

样本记录的类型原则上是任意的。然而，如果在大的高度范围上 获得高度信息，而不是必须通过致动器系统调整的样本高度是很有利 的。在参考图7至10所述的本发明的有利实施例中是可能的。

这些图示出根据本发明的光显微镜的检测器单元30的不同结构。 这些实施例的共同特征在于能记录不同样本图像，无需特别是样本、 光源设备、检测器单元和它们之间必要的光学元件的机械移动。

为此，检测器单元包括两个空间上相互不同的检测器区域，在所 示的所有实施例中，在其上成像与在前例子不同的高度平面，例如z1 和z2。

在图7的例子中，由两个相机35、36形成两个检测器区域。相机 35位于检测平面37并且相机36位于不同的检测平面38中。通过两个 不同检测光路之间的分束装置39，将待检测的样本光55分到两个相机 35、36。分束装置能例如是部分可透光镜。

在图8的实施例中，使用不同波长的照明光。传播回的样本光能 被反射或散射照明光，由此能具有与照明光相同的波长。在这种情况 下，二向色元件能用作分束装置39，取决于波长，其将样本光反射到 相机35或者将其透射到相机36。用于两个相机的成像光学系统是不同 的或具有取决于波长而不同的焦距。用这种方式，能将两个相机35、 36布置成与两个不同样本平面共轭。

图9示出一个实施例，其中，使用彩色有效光学元件(未示出)。 其具有取决于波长而不同的焦距。由此，通过不同波长的照明光，能 检查不同样本平面。传播回的样本光能具有相同的波长。在此将二向 色元件用作分束装置39，由波长而定，其将样本光反射到相机35或将 其透射到相机36。两个相机35、36依次位于对于各自的测量光波长而 光学地与两个不同样本平面共轭的检测平面37、38。

图10中示出了另外的实施例，其中，通过同一相机35的一部分， 形成并排放置的两个检测器区域。为分束样本光55，使用衍射元件39， 其具有取决于衍射级的不同焦距。如果样本光55衍射成不同衍射级并 且分别由相机35检测，能同时产生两个样本图像。由于衍射级的不同 焦距，这两个样本图像依次对应于不同样本平面。

如果以图7至10所示的一种方式，记录两个样本图像，能从这些 图像获得高度信息，无需每一样本所需的新校准测量。为获得高度信 息，将样本图像的记录数据加入计算。对不同横向区域，分别确定用 于每一样本图像的光强度。然后，分别确定用于同一横向区域的两个 样本图像的两个光强度的比率。这些比率表示高度的单调图像。还能 将该比率除以对特定横向区域确定的比率。在大体上相同的方式，代 替光强度，还能为每一横向区域确定并且使用相应图像部分的锐度。

在图11中示出了根据本发明的光显微镜100的实施例。将光源设 备10、包括物镜40的光学成像装置和检测器单元30包括为其主要部 件。

在简单的设计中，能省略下文所述的元件13、14、15、16、20和 21。

在所示的例子中，经过光学元件12，将由光源设备10发出的照 明光11引导到波长滤波器13。例如，能声光地设计该波长滤波器，并 且便于选择将转送的照明光11的波长部分。

接着，照明光11到达光学地设置的开关元件14，通过该开关元 件14，将照明光11选择性地引导到两个光路15、16的一个上。经例 如光纤和能由部分可透光反射镜替换的可选开关元件21，在两个光路 15、16上引导照明光，进入照明结构20的不同侧。照明结构20在照 明光11的截面上将空间结构印在照明光11上。例如，照明结构20能 是格栅。

照明结构20在一侧上反射，使得至少在照明结构20处部分反射 来自光路16的照明光11，而在照明结构20处，至少部分透射来自光 路15的照明光11。由此，将照明光11的两个部分整合到共同光路上， 然后引导到物镜40。通过物镜40，将照明光11聚焦到样本50的区域 的高度或样本平面51上。照明结构优选位于与样本平面51光学共轭 的平面中，使得被锐利成像到样本平面51中。

如果相继记录多个样本记录，其中，在横向方向中改变照明结构 20的位置，在特定环境下，省略元件14、16和21以及照明结构的反 射也是可能的。

通过对样本50的照射，样本50发出将通过物镜40记录的样本光 55。分束装置25布置在物镜40和照明结构20之间，通过分束装置25， 样本光55不是被引导到照明结构20，而是检测器单元30。能以图7 至10所示的一种方式，设计检测器单元30并产生样本记录。电子控 制评价装置(未示出)执行所记录的样本图像的评价。

可以相继地检查不同高度平面并且通过根据彩色共焦原理的可调 光源设备10，记录各自的样本图像。

能在用于不同样本记录的高度方向中，调整样本50。

在图11中，在样本50上，示出两个高度平面51和52。这些能 是与图7至10的平面37和38共轭的平面。

在图12中示出了另一实施例。尤其通过未在分束装置25前布置 如图11中的照明结构20，而是布置在分束装置25和物镜40之间，以 此区别于上述实施例。照明结构20具有用于转送物镜40和分束装置 25之间的转送光的区域。可以横向移动、尤其是旋转照明结构，使得 改变转送区的位置。

转送区，或另外的元件上提供的光引导区大于对应于光路中的该 点的光学分辨率。即：将样本平面的点成像在小于上述区的一个的照 明结构20上的表面上。这对应于不完全共焦滤波。也如图7至10所 示，对高度信息的确定，不只将来自共焦样本区域的样本光引导到检 测器单元30的事实很重要。

可选地，照明结构20能够朝向物镜40反射，使得在此部分地反 射样本光并且由第二检测器单元30检测。在这种情况下，照明结构20 的反射面优选相对于光轴不是垂直的，而是倾斜的，沿该光轴，样本 光55通过以达到照明结构20。

照明结构20还能被设计成取决于旋转位置，使照明结构20的自 由区域进入光路。由此，不空间滤波照明和样本光。

图13中示出了另外的实施例。其中，照明结构20位于物镜40和 分束装置25之间并带来真正共焦检测。能横向移动照明结构并且由例 如可旋转Nipkow圆盘形成。

如果扫描仪单元32布置在照明结构20和样本50之间，能使用固 定照明结构20。

图14示出了另一实施例。在分束装置25和检测器单元30之间， 另外布置光学元件33，所述光学元件33具有点成像功能，通过该光学 元件，将样本的横向区域成像在检测器单元上的形态和形状取决于各 个横向区域的高度。

光学元件33能是变形光学元件。其将射线束以不同强度折射到相 互垂直的两个方向中。其例子是柱面透镜。

替代地，光学元件33能是包括螺旋点成像功能的所谓相位片。

检测器单元还能由单个相机形成。

还可以在照明光路，而不是检测光路中布置光学元件33。由此， 点成像功能取决于各个横向区域的高度，通过该点成像功能，将光源 的点成像到样本的横向区域上。

图11至14所述的照明结构20还能包括具有不同焦距的两个不同 类型的微透镜。通过每一类型的微透镜扫描样本50，由此，对不同高 度平面，记录至少两个样本图像。在这种情况下，检测器单元30能包 括单个相机。所记录的两个样本图像广泛地对应于在图7至10的实施 例中记录的两个样本图像。

此外，还可以在照明光路和检测光路中提供分别的照明结构20， 其中，例如，就用于光的引导区的大小而言，这两个照明结构20相互 不同。

通过所述的实施例的每一个，能通过简单的装置，产生覆盖各个 高度测量范围的精确样本记录。无需必不可少的高成本的位置测量装 置或调整装置，能有利地整合样本记录。

参考符号的列表

1，2，3  不同样本点的响应函数

4，5  高度测量范围

10  光源设备

11  照明光

12  光学元件

13  波长滤波器

14  开关元件

15，16  不同光路

20  照明结构

21  用于将照明光引导到照明结构上的开关元件

25  分束装置

30  检测器单元

32  扫描仪单元

33  变形的光学元件

35，36  检测器单元的相机

37，38  像平面

39  分束装置，衍射装置

40  物镜

50   样本，样本表面

51，52  样本或高度平面

55   样本光

100  光显微镜