扫描探针显微镜方法(SPM)是这样一种技术，其中，测量探针扫描 待检查的测量样本，并且在这个过程中例如记录测量样本的外形。在 这种情况下，在测量探针与测量样本之间发生相对运动，这个相对运 动通过这样的方式获得：至少是测量探针移动或者至少是测量样本移 动。通常这种相对运动作为横向运动被执行。此外，在垂直方向上也 可以发生相对运动。扫描探针显微镜方法的一种形式是扫描力显微镜 方法(SFM)。通过在这种情况下使用的原子力显微镜，在悬臂设计中形 成测量探针，悬臂上载有精细的测量尖端。
为了能够更好地将扫描探针显微镜方法中得到的测量结果指定给 测量样本的结构，将扫描探针显微镜方法与经典的光学显微镜方法结 合起来是极有利的，就测量样本的结构这部分而言，是从光学显微镜 方法的光学图像中提取的。在这种情况下，根据现有技术，光学图像 通过借助光学显微镜方法被记录，并优先地存储为数字形式。以类似 的方式，在同一测量样本的扫描探针显微镜方法的框架中产生并存储 SPM图像。通过图像处理程序，这两种测量中产生的图像最后达成一 致。为此必须满足某些先决条件。
首先，必须相当准确地校准光学图像和SPM图像。对于SPM图像， 因为能够检测测量探针的横向移动的传感器的使用，在很多市售装置 中已经实现这个要求。至于光学图像，通常放弃准确的校准，特别是 在生命科学中。然而，例如通过透镜测微计，校准也是可能的。
此外，光学图像和SPM图像的信息必须可比较。这种情况常见， 但是并非不可避免，因为这两种测量中对比起源的机构很不相同。这 样的话，两种图像之间所期望的一致性将不可能。
此外，SPM图像必须显示横截面，在横截面上充分的特征细节可 识别，在光学图像上这也要被识别，以能够在这种方式下实现两种图 像之间的指定。因为扫描探针测量中产生的SPM图像常常只显示待检 查的测量样本的小部分横截面，所以这个要求是主要的限制。在该过 程中不能在不损坏测量探针的情况下频繁检测待检查测量样本的更大 面积。在一些实验性检查中不产生SPM图像，因为力-距离-曲线仅仅在 测量样本的单一位置或几个单一位置测得。
总的来说，对于通过光学记录装置获得的光学图像中与扫描探针 显微镜方法的测量结果中两个图像点之间的指定，上述方法不准确， 只有有限的表达。
此外还知道利用扫描探针显微镜方法的框架中的视频图像记录作 为测量探针相对于测量样本的定位的定向支持，其中所述视频记录图 像显示其上面定位有测量探针的测量样本的表面的测量横截面的光学 图像。然而，这里出现这种程度的问题：测量探针常常遮蔽视频图像 的部分区域，因此，用于测量探针的定位的定向变得很难。此外，在 这种方式下估计视频图像的边界也很难。

本发明的目的是提供一种用于具有扫描探针显微镜的测量系统的 更好的方法，以及具有扫描探针显微镜的测量系统，有利于测量探针 相对于待检查测量样本的准确定位。
根据本发明，通过根据独立权利要求1的用于操作具有扫描探针显 微镜的测量系统的方法以及根据独立权利要求10的具有扫描探针显微 镜的测量系统，实现了上述目的。
本发明包括的概念是，在具有扫描探针显微镜，特别是原子力显 微镜的测量系统的操作过程中，通过光学记录装置的支持，例如CCD 相机，在显示设备上显示受检查的测量样本的测量横截面的记录光学 图像。例如通过显示设备的键盘、鼠标或者软触垫，在使用者能够进 行的光学图像中的位置选择之后，通过根据坐标变换控制移动设备， 通过移动设备将为扫描探针测量而设置的测量探针移动到测量位置， 移动设备将测量探针与测量样本相对于彼此移动，测量位置指定给根 据坐标变换在光学图像中选择的位置，坐标变换也可以指定为局部指 定或局部变换。先前确定的坐标变换形成光学图像的坐标系与被测量 探针和测量样本的移动位置覆盖的空间的坐标系之间的指定，其中移 动位置包括测量位置。根据一方面的一个或多个光学图像中的一个或 多个图像点和另一方面的测量探针与测量样本的布置中对应的测量位 置之间的指定，得到一般性的变换规则，从而优选以实验的方式确定 坐标变换，由此能够将两个坐标系彼此映射在另一个上。在扫描探针 显微镜检查过程中，当检测到光学图像中一个或多个图像点的选择时， 为了相应地控制移动设备，对于扫描探针显微镜的控制单元来说这是 “可行”的。
因此在扫描探针显微镜方法的过程中，可以将与受检查的测量样 本相对的测量探针准确地布置在一个或多个测量位置，就测量位置这 部分而言，在每种情况下都对应于光学图像中一个已经布置的位置。 如果扫描探针显微镜的使用者例如需要在测量样本的在光学图像上突 出作为特征点的区域进行扫描探针测量，例如因为它与包围它的光学 图像中的图像点的高对比率，则只有光学图像中的这个点要被选择， 然后测量探针通过移动设备的支持而移动，通过坐标变换的适当考虑， 准确地移动到与光学图像中在测量样本上选择的点相应的测量点。
对于坐标变换，可以采用各种变换方法，这些方法在光学图像(一 方面)与具有测量样本和测量探针的测量空间(另一方面)之间实现局部 指定或位置指定，并且，关于在此应用的数学工具，在不同的实施例 中对于专家来讲同样已知。目前已知的变换方法为例如对于线性情况 使用矩阵。对于非线性情况，例如，使用通过多维多项式规则的变换， 例如对于要变换的每个点使用两维多项式规则。
优选实施例设想在控制设备中通过软件执行来实现坐标变换，就 控制设备的部分而言，它与显示设备以及移动设备相互作用。在坐标 变换的结果中，在显示设备的光学图像的显示(一方面)与测量探针相对 于受检查的测量样本的定位(另一方面)之间提供校准，对应于光学图像 的选择，校准保证测量探针相对于测量样本的准确移动。可以设想在 扫描探针显微镜检查的过程中检查坐标变换，或者，选择性地更新一 次或多次，从而代表一种重校准。
本发明的优选方案设想通过形成在测量探针上的测量尖端，对测 量位置检测扫描探针测量值，所述测量尖端在移动过程中到达测量位 置。
对于本发明的有目的实施例，可以设想测量探针至少部分地显示 在显示设备上的光学图像中，
本发明的优选实施例设想在光学图像中显示测量横截面而没有测 量探针。例如通过将测量探针完全移出光学图像区域之外来实现这种 情况。作为规则，在这种情况下用于扫描的测量目的的移动机构不充 分，或者只有测量样本移动。因此，可以设想第二移动机构用于测量 探针的粗移动。另一优选实施例设想测量探针移动到不同的位置，并 且在每种情况下记录测量样本与测量探针一起的光学图像。之后，将 所有光学图像提供给中值滤波器，中值滤波器将测量探针从原始图像 中滤除，因为它是每个光学图像中不同显示的目标。在各个实施例中 中值滤波器机构同样已知。
本发明的另一方案优选地设想在实况操作模式中，瞬时光学记录 显示作为光学图像，例如通过视频记录实现这种方案。
在本发明的优选实施例中设想根据坐标变换，选择性地以光学图 像与扫描探针测量图像至少部分叠加表示的形式，在显示设备上显示 具有扫描探针测量值的扫描探针测量图像。
本发明的另一方案设想显示设备上测量横截面的光学图像的表示 被重复更新。
本发明的另一方案优选地设想通过相互比较一方面的一个或多个 光学图像中的一个或多个图像点和另一方面的测量探针与测量样本的 布置中相关的测量位置，从而确定坐标变换，并由此得到一般性的变 换规则。因此，本实施例中，在不必为此目的记录扫描探针显微镜测 量值的情况下进行校准。
对于本发明的优选实施例，可以设想一个或多个光学图像被记录 作为从以下图像类型的群组中选择的至少一种成像类型：荧光图像、 背光图像、以及拉曼光谱图像。优选地通过上述的其中一种光学检查 方法来产生光学图像。也可以设想使用几种检查类型的图像。
下面更详细地描述本发明的其它优选实施例，特别是在光学图像 (一方面)与测量探针相对于测量样本的移动(另一方面)之间的校准的有 目的的实施例。
对于SPM测量，通过移动设备的移动轴对于被测量探针和测量样 本的移动位置覆盖的空间定义笛卡尔坐标系，利用所述移动设备测量 探针与测量样本可以相对于彼此移动。在这种情况下，移动设备也可 以并且肯定启动由它移动的部件的旋转，通过到笛卡尔坐标系的变换， 这也可以映射出来。到笛卡尔坐标系的返回动作不是本方法的必须组 成部分，但是有助于理解。在很多情况下移动设备到光轴的对准对于 每个测量来说都不同，以致不可能在工厂校准。这个情况类似于笛卡 尔坐标系的原点。在大多数情况下，例如，使用者手动将测量探针置 入，并且测量探针与测量样本之间的相互作用的位置对于每个测量来 说都不同。
在移动设备中测量探针横向移动的情况下，在移动设备的坐标系 中现在有两个潜在的或实际的测量位置可以被测量探针所达到。如果 可以将对应的图像点指定在光学图像中的两个位置，那么这个指定就 限定了光学图像的图像点与测量探针的测量位置之间的变换规则，就 测量探针的测量位置而言，它们对应于移动设备、工具(meaning)的 某些位置，移动设备的某些设定或者控制值。这种只利用两个点的简 单情形当然只适用于仅仅要进行平移或旋转时。在后面的扫描探针显 微镜检查过程中，根据在光学图像中的选择，在移动设备的支持下， 使用坐标变换以将测量探针相对于测量样本而定位。即使在实验性的 扫描探针显微镜检查的持续时间段中，从两种检查方法(即测量样本的 光学检查和扫描探针显微镜检查)中得到的信息也能够以这种方式相互 比较。对于必须进行复杂变换的情况，必须相应地确定更多的点。
关于显示设备上具体的图像建立和表达，有各种选择项可用。为 了向扫描探针显微镜使用者提供熟悉的视角，设想以这样的方式限制 光学图像：观察到的矩形图像的边与通过移动设备的支持进行的横向 运动的两个移动轴平行。
还可以设想光学图像不是显示为瞬时图像或者实况图像，例如如 果和当察觉到扫描测量样本的测量探针很不稳定的时候。对于测量样 本上期望的定向，有目的地对变化不是很快的测量样本进行先前的图 像记录，也就是测量探针到达测量位置先前的光学图像记录。这种考 虑也适用于扫描测量样本的情况。通过先前的图像记录，有利的是通 过移动设备将测量探针尽可能远地移出扫描区域，以致能够不受干扰 地显示测量样本表面尽可能多的细节。这对于背光应用来说相比于根 据荧光方法的测量更加重要。
还可以设想在显示设备上显示多个图像，一个图像在另一个图像 上面，这些图像是光学图像和/或SPM图像，其中可以去除或输入单个 图像。在这个相关性中有目的的是相应地提供多个图像给公共坐标系， 以致多个图像的叠加图像点对应于测量样本上的相同位置。这种情况 下如果使用部分透明的图像显示是有利的。如果将SPM图像去除，则 可以得到很好的定向性，也就是说，只显示光学图像。除了去除一个 或多个SPM图像之外，也可以选择使用光学显示信息的颜色代码。
此外，在显示设备上还可以显示其它信息。例如，这包括已经进 行扫描探针显微镜方法的点，但是也可以包括已经进行处理的线。以 这种方式示出在显示设备上的图像点可以以通常方式将电子数据指定 给它们，通过菜单功能能够访问其，例如通过点击显示图像点。
可以出现这样的情况：测量探针与测量样本之间的相互作用的位 置不能被确定到足够准确的程度。也可以是这样的情况：通过用于光 学图像中的位置(一方面)以及测量探针和测量样本的坐标系中的位置 (另一方面)的指定的坐标变换，采用另一位置作为参考点而不是优先采 用相互作用的位置，也就是说，测量探针上测量尖端区域中的位置。 在这种情况下，坐标变换必须考虑测量尖端的位置与参考点之间的距 离。对于确定这个距离有几种选择，这个距离可指定给转移矢量。例 如，为此可采用其它的实验性检查，特别是电子显微镜检查。也可以 使用来自测量探针的数据单表的信息。还可以设想图像比较。特别是 通过具有相似特性特点的多样性或者周期性重复图案的测量样本，相 对于没有进一步指示的图像比较，可获得实质上的改善。然而，这种 情况下的先决条件是从两种检查方法得到的可比较信息。
事实表明，对于不同的检查环境，在坐标变换过程中的线性图像 在某些情况下只是部分有效。因此可以设想，对于除了移位和角度变 换之外的坐标变换，附加地考虑其它的改编，例如二阶多项式改编。 实验已经表明，通过常用的测量设备，为了保证足够准确的坐标变换， 优选地高达25个测量点是可用的。
具有扫描探针显微镜和用于记录光学图像的记录装置的测量系统 还具有控制设备，通过控制设备可实现确定的坐标变换，以致在显示 的光学图像中选择位置以后，测量探针和受检查的测量样本通过移动 设备的支持相应地被定位。激活移动设备所必须的控制信号根据坐标 变换的实施启动控制设备。此外可以设想，控制设备为高级的校准过 程而设置，其中坐标变换被确定。为此，在控制设备中优选实施基于 软件的应用，控制设备用于检测光学图像点以及通过移动设备对测量 探针和测量样本进行相关定位以及从中选择性地得出变换规则的特定 目的。在用于进行重校准目的的扫描探针显微镜检查过程中，这种预 校准过程通过测量系统的使用者还可以再次使用。
上述方法特别适用于随机类型的扫描探针显微镜方法。除了原子 力显微镜方法之外，还可以设想在其它显微镜检查中的使用，例如扫 描光子显微镜(SPhM)，其中通过光学镊子记录测量样本的图像，或者 扫描近场光学显微镜(SNOM)。如果在光学图像的例外情况中，只要已 知一个点，并且正好在测量样本的这个点进行扫描探针显微镜检查， 该方法就有效。在这种情况下，只在两个位置之间发生位置指定，即 光学图像中的图像点和测量位置之间。
附图说明
下面参照附图，基于实施例的实例更详细地描述本发明。附图中 示出：
图1是测量布置的横截面的示意图；
图2是三个不同坐标系中等边三角形的示意图；
图3是在探针扫描仪的情况下，校准角度和偏差的示意图；
图4是带有测量尖端以及参考点的悬臂的光学图像；
图5是带有测量尖端以及参考点的的悬臂另一光学图像；
图6是包括悬臂的另一光学图像；
图7是顺序图；以及
图8是测量系统的示意图。

图1示出具有不同坐标系的测量布置的横截面的示意图。坐标系 ∑1指定给待检查的测量样本1。另一坐标系∑2指定给测量探针20，测 量探针20被夹持在夹持装置2中，并且为测量样本1的扫描探针显微 镜检查而设置。根据观察的替代模式，也可以将公共坐标系指定给具 有测量样本1和测量探针20的布置。两个坐标系∑1、∑2的其中一个相 对于观察者3不移动，这取决于测量探针20和/或测量样本10在定位 期间相对于彼此是否移动的每种情况。在此通过示例和简化的方式将 观察者3描画为透镜30和CCD芯片31，透镜30和CCD芯片31形成 记录测量样本1的光学图像的系统。另一坐标系∑3指定给观察者3。
图2示出三个不同坐标系中等边三角形的示意图。图2中标记为 41的等边三角形形成假定的检查目标，在SPM图像(上部照片)、光学 图像(中间照片)、以及另一光学图像(下部照片)中示出。
在假定中，等边三角形41是能够通过光学检查以及扫描探针显微 镜方法来检查的真实结构，因此能够产生至少光学图像和扫描探针显 微镜方法的测量结果的图像(SPM图像)，图2中的上部照片示出SPM 图像40，其扫描尺寸用边界线表示，因为校准移动设备，所以在边界 线中示出等边三角形41，测量探针和测量样本通过校准移动设备相对 于彼此移动。在等边三角形41的中心有原点42，为了简化起见，等边 三角形41的中心与SPM图像40的中心一致。
在图2的中间照片中示出等边三角形41的光学图像43，其中没有 光学图像误差。在这种情况下，只是将三角形41转动一个角度45，并 且将等边三角形41的中心点相对于光学图像43的原点47移动到点46， 光学图像43的原点47也是图像的中心。
在图2的下部照片中示出三角形41的另一光学图像48，其中在该 光学记录中出现光学失真。这里显然，采用旋转或平移形式的简单变 换不足以在图2的下部照片中的另一光学图像的三角形与图2的上部 照片中的SPM图像40的三角形之间建立一致。
图3示出通过扫描探针显微镜的扫描装置，校准角度和偏差的示 意图。在扫描探针显微镜检查过程中，通过扫描装置的帮助，测量探 针和测量样本相对于彼此移动。示出的用作悬臂200的测量探针的光 学图像32通过CCD芯片31记录下来。悬臂200具有金字塔形的测量 尖端210，测量尖端210的尖端形成参考点220。在这种情况下以及在 后面的附图中，为了简化起见，仅示出悬臂200的前面部分。通过参 照矢量51的移动，悬臂200到达不同的位置，这个位置用虚线250、 260、270示出。通过光学图像32上参考点220、270的位置，现在可 以进行光学图像32到参考空间的变换(平移和旋转)，参考空间即指定 给具有悬臂200和待检查的测量样本的布置的坐标系。因此，如果光 学图像32相比于扫描探针显微镜测量的期望分辨率显示没有更严重地 失真，那么这是足够精确的。
图4示出具有测量尖端210和参考点220的悬臂200的另一光学 图像33，悬臂200现在是静止的，因为测量样本10在移动。测量样本 2的可见部分包含区别点3，通过参照矢量52的移动，区别点3转变 为新的位置4、5。这里示出上述的理想情况，其中区别点5正好与参 考点220一致，参考点220即负责相互作用的悬臂200的尖端。通过 参考点220和区别点3、5的位置，能够再次进行另一光学图像33到 参考空间的变换(平移和旋转)。
图5再次示出光学图像34中的情况，如同图4，然而区别点3现 在通过到的新位置参照矢量53，移动到悬臂200的角部23，悬臂200 的角部23在此充当参考点。如果现在已知矢量54，则结合图4所述的 坐标变换在这里也是可能的。
图6示出悬臂200的另一光学图像35，通过CCD芯片31记录下 来。
参考点220连续地从一个参考点移动到九个不同的位置，在附图 中用虚线表示这些位置。这些位置是正方形的四个拐角、四个侧部中 心点以及一个中心点。这些点是三条距离相同的平行线以及与这三条 平行线正交的三条距离相同的平行线的交叉点。在另一光学图像35中 垂直线330现在不再相互平行，并且平行线340也不再平行。因此像 预期的那样，测量位置51、...、59也不再排列成正方形。现在点的位 置允许另一光学图像35到参考空间的变换以及随后到原子力显微镜的 坐标系的变换的变换指令的计算。也可以选择另一种点布置。如果用 于光学图像记录的光学系统(optics)没有实质改变，那么以前获得的 变换指令一直作为规则。因此，对测量样本进行粗调并对新的光学图 像进行同样的变换是可能的。对于悬臂200以除了通过本身的参考之 外的任何形式被移动的这样的情况，根据上述方法，仅须进行简单的 变换。
图7示出阐明该方法的顺序图。
首先，根据部分步骤60进行检查，确认在光学图像中测量探针20 是否可见。如果光学图像中测量探针20可见，则进行部分步骤61的 检查，以确认在扫描探针显微镜检查中这是对于测量探针20的所有计 划的测量位置的情形。如果这个条件也满足，那么就可以直接开始实 际的扫描探针显微镜测量。
如果已经提及的两个条件的其中一个没有实现，那么就在粗略移 动的支持下，根据部分步骤80进行测量探针20的相对移动，并重新 进行部分步骤61。在此以简化的方式假定，对于这样的直到在显示的 光学图像中测量探针20是可见的时间段进行第一移动，从而不必返回 部分步骤60。
大体上优选以这样的方式执行移动设备：一方面，通过精细移动 机构，例如利用压电元件，可以在扫描探针显微镜检查过程中进行准 确和高分辨率的扫描移动。在这种情况下采用的精细移动机构的定位 准确度一般在次微米范围内，优选在纳米范围内。另一方面，通过粗 略移动机构可以将测量探针和测量样本容器粗略地相互移动，例如用 于将测量探针移动到预校准所采用的光学图像之外。
现在，根据为了校准目的的部分步骤81，记录并存储光学图像， 优选以电子数字数据的形式。在部分步骤62进行检查以确认是否有足 量的光学图像可用于要通过坐标变换来进行的校准。例如，如果测量 探针到达预定数量的测量位置并且相关的光学图像被记录下来，那么 光学图像的数量是充足的。如果情况不是这样，那么根据部分步骤82， 移动测量探针20，并且在部分步骤81重新记录光学图像。
在优选实施例中，如果部分步骤62的检查导致肯定的结果，那么 通过对于每个测量探针位置的适当算法，根据部分步骤83确定光学图 像中的对应图像点，其中，所述图像点与在测量探针形成的测量尖端 一致。这可以通过同样已知的图像处理方法来进行。替代性地，使用 者可以在测量探针20上选择至少一个位置。也可以设想使用部分步骤 83中进行的算法并结合部分步骤62，用于自动或部分自动检查。
如果现在扫描已经准确地知道其相对距离的光学图像中的图像 点，那么根据部分步骤84，由此能够获得坐标变换规则，部分步骤84 将光学图像映射到测量探针20的移位运动上。在光学图像的专门用途 中，在进行扫描探针显微镜检查先前，在预校准中相继确定坐标变换。
对于能够将测量探针20的测量尖端充分地、准确地定位的情况， 可以相等地选择两个坐标系的原点，也就是光学图像的坐标系和用于 与测量样本相对的测量探针的移动位置的坐标系。
通过用这种方式获得的坐标变换，在显示设备的窗口中能够显示 根据部分步骤85的光学图像，还能够在这个窗口中选择随后要记录扫 描探针显微镜测量结果的区域。对于力-距离-光谱学，还可以设想在光 学图像中仅选择一个图像点。然后在显示设备的窗口中还可以显示扫 描探针显微镜检查的测量结果。就此而言可以设想对不同的图像指定 不同的颜色。此外，可以采用至少部分透明的图像。
如果测量探针20的光学图像被记录，并且如果光学图像以及扫描 探针显微镜图像中参考细节都可识别，那么可以进行部分步骤63中的 检查，以确认先前确定的坐标变换是否充分。如果情况不是这样，则 根据部分步骤86进行非重复的很小的校正。如果不必校正，则过程继 续部分步骤85，直到测量样本进入部分步骤87。在这种情况下根据部 分步骤64进行检查，以确认测量样本的移动(意味着坐标系∑1的移动) 是否导致用于记录光学图像的光学系统的变化。如果情况是这样，则 再次进行校准，其中根据部分步骤81记录光学图像。如果部分步骤64 中的检查是否定的(例如对于防护玻璃罩或者图像记录光学系统中的其 它常用组件群来说情况是这样的)，则在部分步骤85中可以用新的光学 图像代替旧的光学图像。在这种情况下，可以设想在背景中显示实况 图像。
图8示出具有扫描探针显微镜90和记录装置91的测量系统的示 意图，记录装置91设置用于记录要通过扫描探针显微镜90来检查的 测量样本的横截面的光学图像。这个记录装置91例如可以是带有CCD 相机的显微镜。显示设备92连接到记录装置91，例如结合计算机的屏 幕或监视器，设置以显示通过记录装置91记录的光学图像。此外，设 立显示设备92是为了显示扫描探针显微镜检查的测量结果，优选以叠 加表示的形式，也就是例如同一坐标系中的光学图像和扫描探针显微 镜的图像。显示设备92连接控制设备93，以致在输入设备94的支持 下，使用者能够在显示的光学图像中检测进行的位置选择，其中输入 设备94可以选择性地集成在扫描探针显微镜90或者记录装置91中。 控制设备93例如通过计算机程序形成。输入设备有目的地为计算机鼠 标或键盘。在扫描探针显微镜检查过程中，控制设备93随后产生电控 制信号，电控制信号被传输到扫描探针显微镜90的移动设备，以对应 地定位测量样本和测量探针。
对于本发明在其不同实施例中的实现，在说明书、权利要求书以 及附图中公开的本发明的特点不管是单独的还是任意组合的都很重 要。