Olympus zeigt in seinem "Microscope Components Guide" die wichtigsten Kenngrößen, die üblicherweise auf Objektiven abgebildet sind. In der ersten Zeile befindet sich die Bezeichnung des Objektivs. In der zweiten Zeile ist der Vergrößerungsfaktor und die numerische Apertur dokumentiert. Buchstaben am Ende der zweiten Zeile kennzeichnen spezielle Varianten.
Das Unendlich-Zeichen in der dritten Zeile zeigt, dass das Objektiv unendlich korrigiert ist. Das bedeutet, dass die Lichtstrahlen das Objektiv parallel verlassen. Die meisten moderneren Objektive sind unendlich korrigiert. Die folgende Zahl steht für die Deckglasdicke, die in die Berechnung der Optik eingeflossen ist. In der Biologie legt man üblicherweise ein Deckglas auf das Objekt. Hier zeigt die Zahl 0, dass man ohne Deckglas arbeiten sollte, um ein optimales Bild zu erhalten. Die letzte Zahl ist die Sehfeldzahl. Sie gibt den Durchmesser der Abbildung im Okular an.
Wenn ein Objektiv für die Anwendung mit einer Immersionsflüssigkeit ausgelegt ist, dann ist das üblicherweise auch aufgedruckt. Manchmal findet sich außerdem der Arbeitsabstand. Ein farbiger Ring ermöglicht es den Vergrößerungsfaktor mit einem Blick zu erkennen. Gängigen Vergrößerungsfaktoren sind bestimmte Farben zugeordnet.
Oft scheint der Vergrößerungsfaktor die wichtigste Kenngröße eines Objektivs zu sein. Solange der Kamerasensor genug Auflösung bietet, ist die Numerische Apertur aber sehr viel wichtiger. Der NA-Wert definiert das Auflösungsvermögen des Objektivs. Der "Microscope Components Guide" zeigt wie man berechnet welche Strukturen sich noch auflösen lassen. Bei einem Objektiv mit einer NA von 0,9 sind das Strukturbreiten von 0,37µm. Das Auflösungsvermögen ist zusätzlich von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Hier wurde mit grünem Licht gerechnet. Bei rotem Licht sinkt das Auflösungsvermögen auf 0,47µm.
Im "Microscope Components Guide" erklärt Olympus außerdem welche Bedeutung die Bezeichnungen ihrer Objektive haben. Das M als erster Buchstabe zeigt, dass es sich um ein metallurgisches Objektiv handelt, also auf eine koaxiale Beleuchtung ausgelegt ist. LM- und SLM-Objektive bieten vergrößerte Arbeitsabstände. LC steht für spezielle Varianten, die bei der Auflichtmikroskopie durch Glasschichten eingesetzt werden können.
PL oder Plan bedeutet, dass das Objektiv ein Bild ohne Verwölbung projeziert. Betrachtet man die Abbildung lediglich direkt, ohne Kamera, so ist eine gewisse Bildverwölbung unproblematisch. Beim Einsatz von Kameras und wenn man Panoramabilder erstellen will, müssen die Bilder aber unbedingt möglichst verzerrungsfrei sein. Die folgenden Buchstaben zeigen wie gut die chromatische Aberration korrigiert wurde. Das N erhalten Objektive mit spannungsfreien Linsen, die für DIC-Mikroskopie genutzt werden können. Es folgt der Vergrößerungsfaktor. Die letzten Buchstaben stehen für spezielle Eigenschaften.
Die folgenden Bilder stammen von dem Standardzellen-ASIC U1525FC007, der mit einer minimalen Strukturbreiten von 1,5µm gefertigt wurde.
Das Objektiv UPlanFLN 4x 0,13 bietet den kleinsten Vergrößerungsfaktor der hier genauer betrachteten Objektive. Es kann eine Fläche von 5,6mm x 3,7mm abbilden. Das Die des U1525FC007 ist mit einer Kantenlänge von 7,5mm sehr groß. Nicht ganz so große Schaltkreise kann man mit dem UPlanFLN 4x 0,13 vollständig abbilden. Bei größeren Objekten muss man ein Panorama erstellen. Für den U1525FC007 wären in diesem Fall 6 Bilder notwendig. Objektive mit so kleinen Vergrößerungsfaktoren besitzen meist auch eine kleine Numerische Apertur. Rechnerisch lassen sich mit dem Wert 0,13 nur Strukturbreiten von 2,6µm auflösen (Wellenlänge 550nm).
Das UPlanFLN 4x 0,13 ist eigentlich ein biologisches Objektiv, also für Durchlichtmikroskopie gedacht. Im Auflichtmikroskop sind aber keine optischen Schwächen zu erkennen. Das vorangestellte U in der Bezeichnung zeigt, dass es sich um eine überarbeitete Version des Objektivs handelt. Geringe Vergrößerungsfaktoren bieten üblicherweise einen großen Arbeitsabstand. Hier sind es 17mm.
Das UPlanFLN 4x 0,13 liefert gute Übersichtsbilder. Will man allerdings eine einzelne Standardzelle betrachten, so ist das Auflösungsvermögen nicht ausreichend. Bei voller Auflösung steht ein Pixel für 800nm auf dem Die.
Das LMPlanFl 10x 0,25 BD ist ein Objektiv mit einem großen Arbeitsabstand von 21mm. Es ist für den Einsatz in der metallurgischen Mikroskopie optimiert und erlaubt auch Dunkelfeldbeleuchtung. Mit einem Vergrößerungsfaktor von 10 schrumpft die Fläche, die abgebildet wird auf 2,3mm x 1,5mm. Will man das Die vollständig aufnehmen, so sind damit schon 24 Bilder notwendig. Gleichzeitig schrumpft die Schärfenebene auf 18µm. Wobei dieser Wert vom eingesetzten Kamerasensor abhängt. Auch die Passivierungsschicht des ICs hat einen Einfluss. 18µm ist der Wert, den Olympus spezifiziert. Der NA-Wert von 0,25 ist nicht besonders hoch für ein Objektiv mit einem Vergrößerungsfaktor von 10. Das liegt an der Optimierung auf einen großen Arbeitsabstand. Das Objektiv erlaubt es Strukturgrößen von 1,3µm aufzulösen.
Die Standardzellen sind nun deutlicher zu erkennen. Die minimale Strukturbreite des Prozesses beträgt 1,5µm. Eine Analyse der Schaltung ist bereits denkbar. In Bereichen, in denen mehrere Strukturen sich überlagern ist das Bild allerdings immernoch sehr unübersichtlich.
Das LMPlanFlN 20x 0,40 BD ist ebenfalls ein Objektiv mit einem hohen Arbeitsabstand, der hier 12mm beträgt. Der Vergrößerungsfaktor liegt bei 20. Der NA-Wert wird mit 0,4 angegeben. Mit einer abgebildeten Fläche von 1,1mm x 0,8mm benötigt man jetzt schon mindestens 70 Bilder, um das Die vollständig zu dokumentieren. Das Auflösungsvermögen sinkt auf 0,84µm. Die Schärfenebene schrumpft allerdings ebenfalls und beträgt nur noch 6,1µm.
Mit der Schärfentiefe des LMPlanFlN 20x 0,40 BD ist es schwierig das Die ausreichend plan auszurichten. Beim hier vorliegenden Prozess kann man gerade noch ohne Fokus Stacking auskommen, wobei die Bildqualität diesbezüglich dann schon grenzwertig ist. Die linke obere Ecke zeigt eine gewisse Unschärfe. Das könnte an einer nicht perfekten Ausrichtung liegen. Es ist aber ebenso möglich, dass das Objektiv hier eine Schwäche aufweist. Will man mit dieser Bildqualität ein Panoramabild erstellen, so kann die Unschärfe bereits zu Artefakten führen und eine Schaltungsanalyse erschweren. Anstatt ein Fokus Stacking durchzuführen kann man das Bild auch beschneiden und so nur den scharfen Bereich nutzen. Damit reduziert sich der Bereich, den man auf einmal abbilden kann aber noch weiter.
Bei der verfügbaren Schärfentiefe von 6,1µm muss man bedenken, dass die Strukturen der integrierten Schaltung eine gewisse Höhe aufweisen. Eine Metalllage kann durchaus 1µm dick sein. Auch die Oxidschichten zwischen den Verdrahtungsebenen können 1µm dick sein. So kommt man schnell auf Gesamtdicken, die auch bei einer perfekten Ausrichtung ein Fokus Stacking erfordern. Insgesamt ist die Bildqualität aber nun ausreichend, um die Schaltung zu analysieren. Die zwei Polysiliziumlagen sind gut zu erkennen. Auch sich überlagernde Strukturen kann man relativ gut ihrer Funktion zuordnen.
Der Vergrößerungsfaktor des UMPlanFl 50x 0,80 BD beträgt nur noch 0,45mm x 0,30mm. Damit wären nun bereits 442 Bilder notwendig, um das Die vollständig abzubilden. Gleichzeitig erhält man aber eine sehr hohe numerische Apertur von 0,8. Das erlaubt ein Auflösungsvermögen von 0,42µm. Die deutlich erhöhte numerische Apertur erkauft man sich allerdings mit einem geringen Arbeitsabstand von nur 1,0mm.
Der Bildausschnitt ist nun schon sehr klein. Der Aufbau der Standardzellen lässt sich aber sehr gut erkennen.
Mit der geringen Schärfentiefe von 1,3µm muss man ein Fokus Stacking durchführen. Definiert man die Grenzen optimal, so reichen bei diesem Schaltkreis 14 Einzelbilder. Ein Fokus Stacking mit 14 Bildern stellt keinen größeren Aufwand dar. Man muss aber bedenken, dass sich der Aufwand multipliziert. So kommt man bereits auf 6.188 Bilder, die man benötigt um den ASIC vollständig abzubilden.
Der Arbeitsabstand von 1,0mm kann schnell zum Problem werden. Befindet sich der Schaltkreis zum Beispiel in einem Keramikgehäuse, das noch Seitenwände besitzt, dann ergeben sich meist schon Kollisionen. Größere Aufbauten sind sowieso ausgeschlossen.
Auch in diesem Bereich gibt es ein Objektiv mit großen Arbeitsabstand. Das LMPlanFl 100x 0,80 BD bietet ebenfalls einen NA-Wert von 0,8 erlaubt aber gleichzeitig einen Arbeitsabstand von 3,3mm. Diese Spezifikationen erkauft man sich mit einem erhöhten Vergrößerungsfaktor von 100x und einer weiter reduzierten Schärfentiefe von 0,87µm. Das LMPlanFl 100x 0,80 BD bildet nur noch 0,23mm x 0,15mm des Schaltkreises ab. Damit benötigt man bereits 1.650 Bilder für ein Panorama. Mit den jeweils 17 Bilder, die das Fokus Stacking erfordert, kommt man so auf 28.050 Bilder die man aufnehmen müsste, um den ASIC optimal abzubilden.
Die Bildqualität ist genauso gut wie beim UMPlanFl 50x 0,80 BD, es hat sich lediglich der abgebildete Bereich reduziert.
Das obige Diagramm stammt aus dem Artikel "Systematic design of microscope objectives. Part I: System review and analysis" von Yueqian Zhang und Herbert Gross und zeigt zwei wichtige Zusammenhänge. Zum einen kann man die numerische Apertur und damit das Auflösungsvermögen bei der gewöhnlichen Lichtmikroskopie nicht beliebig erhöhen. Die Grenze liegt bei 0,95. Für grünes Licht entspricht das einem Auflösungsvermögen von 0,35µm. Will man den NA-Wert weiter erhöhen, so muss man die Luft zwischen Objektiv und Objekt durch ein anderes Medium ersetzen und so die Lichtbrechung optimieren. Dieses Verfahren nennt sich Immersion. Man kann dafür Wasser oder verschiedene Öle verwenden. Die Objektive müssen natürlich darauf ausgelegt sein. Mit Öl-Immersion lassen sich dann NA-Werte von 1,5 erreichen, was einem Auflösungsvermögen von 0,22µm entspricht.
Das Diagramm zeigt außerdem, wie kritisch die Dicke des Deckglases ist, sofern das Objektiv auf den Einsatz mit einem Deckglas optimiert wurde. Auf dem Gebrauchtmarkt finden sich viele biologische Objektive, für die das zutrifft. Bei kleinen NA-Werten ist die Dicke des Deckglases weniger kritisch. Das geht so weit, dass bei Objektiven wie dem UPlanFLN 4x 0,13 gar keine Zahl für das Deckglas angegeben ist. Dort finde sich nur ein "-". Es ist schlicht egal ob und welches Deckglas man verwendet. Bei höheren NA-Werten verschlechtert sich die Bildqualität aber zunehmend, wenn man nicht das richtige Deckglas einsetzt. Objektive für Öl-Immersion sind diesbezüglich weniger kritisch, da der Brechungsindex des Öls dem Brechungsindex von Glas relativ ähnlich ist.
Das hier zu sehende Zeiss Primo Plan-Achromat 100x 1,25 ist ein typisches biologisches Objektiv, das auf Öl-Immersion ausgelegt ist. Neben dem NA-Wert findet sich entsprechend der Hinweis "Oil". Dieses Objektiv hat einige Nachteile. Zeiss-Objektive sind zwar unendlich korrigiert, besitzen aber üblicherweise noch kleinere optische Schwächen, die innerhalb eines Zeiss-Mikroskops korrigiert werden. Dadurch ergeben sich in einem Olympus-Mikroskop etwas schlechtere Bildqualitäten. Dazu kommt eine geringere Sehfeldzahl. Damit wird der Sensor der Kamera nicht mehr bestmöglich ausgeleuchtet. Der Arbeitsabstand beträgt 0,14mm. Wenn man auf ein Deckglas verzichtet, dann kann man dessen Dicke von 0,17mm addieren.
Ein solches Objektiv setzt man folgendermaßen ein: Man bringt man einen Tropfen Immersions-Öl auf das Objekt und bewegt dann das Objektiv in diesen Tropfen. Es gibt unterschiedliche Öle. Man muss nicht unbedingt ein spezielles Öl eines Herstellers einsetzen. Es sollte sich aber natürlich um ein Öl handeln, dass für die Mikroskopie gedacht ist. Man muss darauf achten, dass trockene Objektive nicht in Kontakt mit dem Öl kommen, da es dort in den Innenraum vordringen und die Bildqualität verschlechtern kann.
Auch ohne Deckglas ergibt sich ein sehr interessantes Bild. An den Bildrändern verschlechtert sich die Bildqualität stark. Das ist bei der geringen Sehfeldzahl nicht verwunderlich.
Im direkten Vergleich liefert das Zeiss 100x 1,25 nicht viel mehr Details als das LMPlanFl 100x 0,80 BD. Teilweise erscheint es sogar unschärfer. Es fällt aber auf, dass sich die Durchkontaktierungen in der Metalllage deutlich unterschiedlich darstellen. Sie werden größer abgebildet und so sind darin Strukturen zu erkennen, die vorher nicht sichtbar waren.
Mit der Option der Dunkelfeldbeleuchtung nutzt das Olympus BX51 die BD-Objektive mit einem M26-Gewinde. Will man andere Objektive einsetzen, so benötigt man meistens Adapter, die man aber günstig über Aliexpress beziehen kann.
Hier ist ein aktuellerer integrierte Schaltkreis mit mehreren Metalllagen zu sehen. Als Objektiv kam das LMPlanFl 100x 0,80 BD zum Einsatz und es erfolgte ein Fokus Stacking. Die geringe Schärfentiefe des Objektivs kann man bei solchen Schaltkreisen aber auch vorteilhaft nutzen, wie man bei den folgenden Bildern sieht.
Die verschiedenen Fokusebenen erleichtern es manchmal den Verlauf von Leitungen nachzuvollziehen oder spezielle Strukturen einer Ebene klarer herauszuarbeiten.
