CN110603423A - 采用时频检测的低相干反射的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定关于物体(13)的界面的结构和/或位置的信息的低相干干涉仪设备或装置(100、200)，该设备或装置包括：多色光源(11)；用于产生测量光束和参考光束的光学系统；用于在测量光束和参考光束之间引入可变光学时延的延迟线(14)；用于将测量光束和参考光束组合并且产生表示所得干涉信号的光功率谱密度的光谱信号的光学检测器(15)；控制和处理模块(16)，所述控制和处理模块布置用于：对于多个光学时延采集多个光谱信号，对于每个光谱信号确定在所谓的光谱测量范围内的干涉光束之间的光学延迟信息，根据光学时延来分析在所述光学延迟中的演变，并且将根据不同光谱信号确定的一个或更多个光学延迟分配给一条或更多条所谓的界面曲线(521、522、523、524)，所述界面曲线对应于具有正的、负的、零或几乎为零的斜率的直线，所述界面曲线取决于所述光谱信号的采集的相应的光学时延，并由此推断关于物体(13)的界面的结构和/或位置的信息。

Description

采用时频检测的低相干反射的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种使用时频检测的低相干反射的设备和方法。
本发明的领域更具体地但非限制性地用于测量物体的结构、距离和厚度的光学设备。
背景技术
已知基于低相干干涉测量法的不同光学技术用于测量材料或内部结构的距离或厚度。这些技术通常称为OCT(光层相干断层扫描)或OCR(光学相干反射)。
基于时域检测(TD-OCR，时域OCR)的技术是已知的。延迟线在参考光束和源自待测物体的测量光束之间引入可变时延。当在物体中反射的测量光束和参考光束之间的时延小于光源的相干长度时，这两个光束在强度检测器上干涉并产生干涉图。干涉图在延迟线的路径中的位置表示了界面的位置。
这些技术的优点是，测量范围仅通过延迟线的路径被限制为较大的距离并且能够轻松达到几十厘米。
另一方面，这些技术的缺点是，测量速率受延迟线的位移的速度限制并因此对振动敏感。此外，由于需要对干涉信号进行高速率时间采样，因此所述测量速率需要使用连续发射的宽谱光源。实际上，脉冲或频率扫描源的重复频率过慢并且与所要求的时间采样频率不兼容。然而，实践中可用的连续光源在光谱宽度方面受到限制，这限制了最小可测量厚度。
基于频域或光谱域的检测的技术也是已知的。源自待测物体的界面上反射的光被导向可以测量在多个波长处产生的干涉信号的强度的检测器。有时，参考光束也用于限定位置参考。
特别地，基于宽谱光源和光谱类型检测的技术是已知的，其中光谱仪类型的检测器可以测量随光波长变化的接收的发光强度。(FD-OCR，频域OCR)
基于可调谐或扫描波长激光源和强度检测的技术也是已知的。(SS-OCR，扫描源OCR)
在这两种情况下，在检测器的出口处获得与源的光谱相对应的所接收光的功率谱密度的测量值，该测量值根据贡献于其的不同反射的光学路径的差和贡献进行调制。例如通过傅立叶变换对该光谱进行分析可以测量物体的界面之间的厚度和/或定位这些界面。
与在时域中进行检测的技术相比，使用光谱域中检测的技术具有允许更好的测量灵敏度的优点，并且非常快的测量速率仅受检测器的测量速率的限制。这些技术还具有允许使用脉冲源或扫描源的优点，所述脉冲源或扫描源可以获得比连续光源更大的光谱宽度并因此可以测量较薄的厚度。
然而，这些技术的缺点是，难以说明具有复杂结构的物体的测量值，特别地因为由功率谱密度推断的距离测量值是无符号值。
此外，光谱技术仅允许大距离内的有限的测量范围，特别是由于光谱采样和所检测的光的相干长度的影响，大距离的信噪比会恶化。
因此，例如，以中心波长λ0、宽度为Δλ为中心的平方谱源的相干长度约为：
Ic＝(1/2)(λ0 2/Δλ)
该相干长度限定了最小可测量光学厚度Lmin。
在具有光谱仪的光谱检测设备中，所述光谱仪可以在波长Δλ范围内采集N个测量点(例如，在线性传感器的N个像素中)，或者在使用在波长Δλ范围内可以产生N个不同的波长的可调谐激光源的设备中，最大可测量光学厚度Lmax为：
Lmax＝(N/4)(λ0 2/Δλ)
因此，光谱系统测量范围对应于：
Lmax/Lmin＝Lmax/Ic＝N/2
该测量范围因此直接受到光谱仪的测量点的数量限制(或者，对于可调谐源，该测量范围受到能够产生的不同波长的数量限制)。
在实践中，光谱仪包括具有几百个点的传感器，并且光谱系统的测量范围通常大约为光源的相干长度的一百倍。
TD-OCR或FD-OCR类型的技术能够以不同的形式实施。例如，已知文献US 7 426036描述了FD-OCR类型的设备。该设备实现了可以在干涉仪的同一支臂中产生与测量光束相同的光学参考光束的Fizeau类型或共径干涉仪的配置。参考光束用于产生光学参考，由该光学参考确定待测物体的界面距离。该参考光束还包括可以静态地设置光学参考的位置的延迟线。
在可以用于低相干干涉测量法并且特别地能够在单模光纤中有效耦合的现有光源中，ASE(放大自发辐射)类型或超辐射发光二极管(SDL)类型的光源是已知的。这些光源可以连续发射光。这些光源因此能够与TD-OCR和FD-OCR类型的技术一起使用。然而，这些光源的缺点是，具有有限的光谱宽度，例如在1310nm附近具有小于100nm的光谱宽度，该光谱宽度对应于约为10μm的最小可测量(或在空气中的)光学厚度。
还已知可以产生更宽光谱并因此具有更短相干长度的光源。这些光源可以达到更低的最小可测量厚度(例如，约为5μm或更小)。然而，这些光源要么是脉冲的(诸如通过将源自激光器的光脉冲注入高度非线性介质(诸如光子晶体光纤)中来产生宽光谱的超连续谱激光源)要么是扫描的(可调谐激光器)，并具有通常约为几千赫兹的重复或扫描频率。因此，这些光源与TD-OCR类型检测的信号采集频率要求不兼容，并且仅与光谱检测技术一起使用。
然而，特别是在半导体工业中，一些工业应用需要能够测量几微米的厚度和约为几毫米的光学距离，这就需要已知系统无法达到的测量范围。
本发明的目的是提出一种克服现有技术的缺点的用于测量距离和厚度的设备和方法。
本发明的目的还在于提出一种具有增大的测量范围的设备。
本发明的目的还在于提出一种可以测量非常小的厚度或距离的设备。
本发明的目的还在于提出一种允许非常精确测量的设备。
发明内容
该目的通过使用一种用于确定关于物体的界面的结构和/或位置的信息的低相干干涉仪设备来实现，该设备包括：
-多色光源；
-用于产生由所述物体反射的测量光束和参考光束的光学系统；
-用于在测量光束和参考光束之间引入可变光学时延的延迟线；
-用于组合测量光束和参考光束并且产生表示所得干涉信号的光功率谱密度的光谱信号的光学检测；
其特征在于，该设备还包括控制和处理模块，该控制和处理模块布置用于：
-为多个光学时延采集多个光谱信号；
-为每个光谱信号确定在所谓的光谱测量范围内的干涉光束之间的光学时延信息；
-根据光学时延来分析所述光学延迟的演变，并且将根据不同光谱信号确定的一个或更多个光学延迟分配给一条或更多条所谓的界面曲线，所述界面曲线对应于具有正的、负的、零或几乎为零的斜率的直线，所述界面曲线取决于所述光谱信号的采集的相应的光学时延；以及
-由此推断关于物体的界面的结构和/或位置的信息。
光谱测量范围当然能够以时间(光学延迟)或光学距离(光束的路径差)表示。回顾一下，光学距离、光学路径和光学厚度对应于几何距离乘以所通过介质的折射率。
类似地，由延迟线引入的光学时延能够以时间或光学距离表示。
另外，术语“光学延迟”或“光学时延”表示源自相同光源的光束之间的路线时间差或时间偏移的差。
界面曲线能够例如根据光学时延表示与参考光束和由物体的特定界面反射的测量光束之间的干涉相关联的光学延迟的演变。
根据实施例，本发明的设备能够包括以脉冲形式发射多色光的光源和光谱仪类型的光学检测器。
光源能够包括例如发射具有宽光谱(例如可见光谱和/或红外光谱)的光的超连续谱激光器。
光学检测器能够包括例如色散元件(诸如可以光谱地散射光的光栅或棱镜)和具有可以对于不同波长分别测量发光强度的多个单独像素或检测器的线性或矩阵检测器。
根据其他实施例，本发明的设备能够包括可调谐或扫描激光类型的光源和光学强度检测器。
在这种情况下，可调谐或扫描激光器发射波长随时间变化的单色光，以产生多色光源。能够将每个时刻在检测器上接收到的强度与发射波长相关联，以重建功率谱密度测量。
根据实施例，本发明的设备能够包括布置为改变测量光束或参考光束或兼有这两条光束的(例如，在相反的方向上的)光学路径的延迟线。
根据实施例，本发明的设备能够包括可以引入离散的步长形式的光学时延的延迟线。
在这种情况下，由延迟线引入的光学路径中的时延或变化对应于一组离散值。
延迟线能够特别地包括光开关。
该开关例如可以选择确定长度的光学路径。
根据实施例，本发明的设备能够包括可以引入连续可变的光学时延的延迟线。
根据实施例，本发明的设备能够包括Michelson干涉仪。
根据其他实施例，本发明的设备能够包括具有将测量光束导向物体的测量臂的共路干涉仪和插入所述测量臂中以产生参考光束的半反射元件。
半反射元件能够包括适于产生入射光束的部分反射的任何元件。该半反射元件能够包括但不限于：
-在光纤的两部分之间产生折射率不连续的元件；
-在光纤端部的光纤-空气界面；
-插入自由传播的光束的路径中或空气中的元件(诸如玻璃表面或分束器)。
该设备然后能够包括在固定位置具有光反射率的差分延迟线和延迟线。
该差分延迟线能够布置成在源自测量臂的测量光束与参考光束之间引入可变光学延迟。
该设备还能够包括在可变位置处具有光反射率的差分延迟线和延迟线。
根据另一方面，提出了一种用于确定关于实现低相干干涉仪的物体的界面的结构和/或位置的信息的方法，该方法包括以下步骤：
-用多色光源发射多色光；
-产生由待测的所述物体反射的测量光束和参考光束；
-用延迟线在测量光束和参考光束之间引入可变的光学时延；
-借助于光学检测将测量光束和参考光束组合并且产生表示所得干涉信号的光功率谱密度的光谱信号；
所述方法还包括以下步骤：
-对于多个光学时延采集多个光谱信号；
-对于每个光谱信号确定在所谓的光谱测量范围内的干涉光束之间的光学延迟信息；
-根据光学时延来分析所述光学延迟的演变，并且将根据不同光谱信号确定的一个或更多个光学延迟分配给一条或更多条所谓的界面曲线，所述界面曲线对应于具有正的、负的、零或几乎为零的斜率的直线，所述界面曲线取决于所述光谱信号的采集的相应的光学时延；以及
-推断关于物体的界面的结构和/或位置的信息。
根据实施例，本发明的方法能够包括在光学时延的范围内对于多个光学时延采集多个光谱信号，使得当物体在所谓的时间测量范围的测量范围内时可以在参考光束和测量光束之间产生光学路线相等。
本发明的方法能够因此例如包括对于参考光束和由物体的特定界面反射的测量光束之间的多个光学路径的差的条件采集多个光谱信号，所述多个光谱信号分别对应于正的、然后零或几乎零的、然后负的光学路径的差(反之亦然)。
根据实施例，本发明的方法能够包括对于多个光学时延采集多个光谱信号，所述多个光学时延以最多对应于光谱测量范围的一半的增量间隔开。
该条件可以对于两个相邻的光学时延值至少两次检测相同干涉光束之间的光学延迟。
确定干涉光束之间的光学延迟信息能够包括计算时间干涉信号和确定干涉峰的位置。
例如通过使用傅立叶变换或傅立叶逆变换能够确定时间干涉信号。
根据实施例，本发明的方法能够包括搜索对应于具有正的或负的单位斜率的直线的界面曲线。
这种界面曲线能够特别地表示与在参考光束和由物体的特定界面反射的测量光束之间的干涉相关联的光学延迟的演变，因为基于光谱信号测量的光学延迟的演变对应于绝对值，对应于这些光谱信号的采集之间的光学延迟变化。。
根据实施例，通过使用一条或更多条界面曲线能够确定物体的界面的结构和/或位置。
特别地，通过确定在界面曲线上光学延迟为零的相应的一个或更多个光学时延能够确定物体的界面的结构和/或位置。
实际上，遵守该条件的光学时延对应于在参考光束和由物体的特定界面反射的测量光束之间存在光学路径相等的条件。已知光学时延可以定位该界面。
因此以光学位置或距离来定位物体的界面。然后通过考虑所通过的介质的折射率可以确定实际(几何)位置或距离。
根据另一方面，提出了一种包括根据本发明的设备和/或实施根据本发明的方法的装置。
特别地提出了用于测量物体上的层的距离和/或厚度的根据本发明的装置，该物体包括集成电子和/或集成光学的部件和/或元件。
该物体能够是或者包括例如晶片和/或晶片元件、和/或源自微电子或微光学类型的制造过程的任何元件。
当然，本发明还能够实现为对工业或生物性质的所有类型的物体进行测量。
还提出了一种用于测量生物物体上的各层的距离和/或厚度或层的结构的根据本发明的装置。
该物体能够是或者包括例如生物组织、细胞培养物、皮肤、血管等。
附图和实施例说明
通过阅读非限制性的实施方式和实施例的详细描述，本发明的其他优点和特征将显而易见，在附图中：
-图1示出了根据本发明的设备的第一实施例，
-图2示出了根据本发明的设备的第二实施例，
-图3示出了可以在根据本发明的设备中使用的延迟线的实施例，
-图4示出了本发明的测量原理，
-图5示出了用本发明获得的测量值的示例，
-图6示出了根据本发明的测量方法的流程图。
应当理解，以下将描述的实施例绝非限制性的。如果本发明的特征的选择足以赋予技术优势或者将本发明与现有技术区分开来，则特别地能够认为本发明的变型仅包括与所述其他特征分离的下文所述特征的选择。这种选择包括至少一个、优选功能性的、没有结构细节的特征、或者仅具有结构细节的一部分，如果该部分足以赋予技术优势或者将本发明与现有技术的状态区分开来。
特别地，如果从技术的角度不反对组合，则能够将所描述的所有变型和所有实施例组合在一起。
在附图中，几个附图共有的元件使用相同的附图标记。
首先，参考图1将描述根据本发明的设备的第一实施例。
在该实施例中，设备100以Michelson干涉仪的形式实现。该设备包括光源11、分离器光学元件12、时间延迟线14、检测器15和处理器单元16。
将源自光源11的光通过分离器元件12分成导向物体13的测量光束和导向延迟线14的参考光束。这两束光在物体13上和延迟线中分别反射之后被导向检测器15，以测量干涉。
所示的设备100由分立的光学部件(例如，以分离器立方体或分束器的形式的和自由传播光束的分离器光学元件12)制成。当然，通过使用例如衬底上的光纤和/或平面波导和例如以光纤或平面波导中的“Y”形结的耦合器形式的分离器光学元件12，该设备可以由任何其他技术或技术组合实现。
设备100使用光谱类型的检测，该检测可以在检测器15的出口处获得表示入射到该检测器15上的光信号的功率谱密度的光谱信号。
在一种配置中，设备100包括宽光谱光源11，该宽光谱光源既能够是连续发光的光源(ASE、超辐射发光二极管)也能够是发射脉冲光的光源(超连续谱激光器)。在该配置中，设备100包括光谱类型的检测器15(诸如光谱仪)，该检测器具有例如可以在线性或矩阵检测器上光谱地发散光以产生表示光功率谱密度的测量值的色散元件。
在另一种配置中，设备100包括例如可调谐或扫描激光类型的波长可调谐光源11，因此能够在光谱范围内随时间改变发射波长。在该配置中，设备100包括测量总入射光功率的强度检测器15(诸如光电二极管等)。通过改变光源11的波长，在检测器15的出口处获得表示如上所述的光功率谱密度的信号。
设备100还包括延迟线14，该延迟线14可以以已知方式相对于测量光束的光学路径的长度来改变参考光束的光学路径的长度，并因此改变光学时延或改变测量光束和参考光束之间的光学路径的差。该参考光束的存在可以产生光学参考，从该光学参考测量物体13的不同界面的距离。
在一种配置中，设备100包括可以随时间连续地改变参考光束的光学时延或光学路径的延迟线14。该配置能够与宽光谱连续发射或脉冲光源11一起实现。
在另一配置中，设备100包括可以以离散的步长或增量形式来改变参考光束的光学时延或光学路径的延迟线14。该配置能够与所有类型的光源11一起使用。
在其他配置(未示出)中，设备100能够包括可以随时间连续地或以离散的步长或增量形式来改变测量光束的光学时延或光学路径的延迟线。在这种情况下，参考光束能够是固定长度的或者还包括延迟线。延迟线能够通过任何方式产生，包括相对于物体移动测量准直仪或具有分离器光学元件12的干涉仪组件。
如上所述，本发明可以在较大测量范围内执行距离或厚度的测量，同时受益于光谱检测的优点，特别是在光源的可用性和灵敏度方面的。为此，对于延迟线的多个光学时延或位置，执行光谱信号的多次测量。这些光谱信号然后由考虑了执行该多次测量的延迟线14的位置(和因此引入的光学时延)的处理单元16组合，以产生物体13的层的相应的厚度和位置的测量值。在下文中将详细描述这种采集和处理的方法。
现将参考图2描述根据本发明的设备的第二实施例。
在该实施例中，设备200以允许有效实施本发明的共路或Fizeau干涉仪的形式实现。
在基于单模光纤的实施例中示出了设备200。当然，该设备能够使用任何类型部件(例如自由传播部件、或集成或平面光学部件、或这些不同技术中的一些的组合)产生。
在光源11、检测器15和延迟线14的组合方面，设备200能够以与图1所示的设备100的相同的配置实现。
设备200包括将源自光源11的光导向测量臂的编码耦合器23(也能够是循环器)。该测量臂包括测量光纤21和测量准直仪22，所述测量准直仪使得可以将测量光束准直或聚焦在物体13上。
例如通过利用在测量光纤21的端部的Fresnel反射，测量光纤21中的入射光束在测量准直仪22处部分地反射，以产生参考光束。光纤端部的反射还能够通过在光纤端部施加电介质或金属半反射沉积物来调整。
由物体13反射的测量光束和参考光束由编码耦合器23导向解码耦合器24。然后测量光束和参考光束被导向具有固定长度参考臂28的差分延迟线240和具有延迟线14的可变长度臂25，所述固定长度参考臂由固定反射元件29终止(所述固定反射元件例如由设置在光纤端部的镜子或反射沉积物构成)。测量光束和参考光束中的每一个都部分地被导入参考臂28和部分地被导入差分延迟线240的可变长度臂25。
然后通过解码耦合器24将分别在参考臂28和可变长度臂25中的反射光束导向检测器15。
在所示的实施例中，延迟线14包括可移动镜27形式的可移动反射元件27和将源自光纤的光准直或聚焦到可移动镜27上的准直仪26。可移动镜27通过具有用于精确测量其中位置的装置(例如光学尺)的驱动系统在朝向准直仪26的近端位置和相对的远端位置之间平移。
根据配置，能够连续地或以离散的步长形式移动可移动镜27。
根据变型，通过在可变长度臂25中的部分反射(例如在延迟线14的准直仪26处的光纤的端部的反射)能够产生固定反射元件29。在这种情况下，差分延迟线240的两个臂被合并。
差分延迟线240可以在测量臂中调制或补偿测量光束与参考光束之间引入的光学路径的差。
设备200的实施例示出了相对于图1所示的设备100的简单Michelson干涉仪的优点。特别地，测量光束和参考光束在测量光纤21中行进相同的路径，使得该光纤的长度和该光纤受到的干扰不会影响测量。
设备200还可以在较大测量范围执行距离或厚度的测量，同时受益于光谱检测的优点，特别是在光源的可用性和灵敏度方面。为此，对于延迟线14的多个位置或光学时延，执行光谱信号的多次测量。这些光谱信号然后由考虑了执行该多次测量的延迟线14的位置(和相应的光学时延)的处理器单元16组合，以产生物体13的层的相应的厚度和位置的测量值。在下文中将详细描述这种采集和处理方法。
根据变型，上述设备100和200能够包括可以产生光学时延或光学路径的变化的所有类型的延迟线14，例如：
-如图2所示的基于机械平移(或振荡)的延迟线，该延迟线可以产生连续的或离散的步长形式的光学路径的变化；
-基于反射元件或透明元件(诸如插入光束的路径中的平行面多边形)的旋转的延迟线，该延迟线可以产生连续的或离散的步长形式的光学路径的变化；
-基于元件的平移或旋转的延迟线，该延迟线的形状可以根据位移连续地或以离散的步长形式改变光学路径；
-具有包括彼此平行、沿光束方向偏移的一连串平面的梯形部分的延迟线，将该延迟线沿垂直于光束的方向移动以使这些平面顺序地定位在光束的前面，并因此产生离散的步长形式的光学路径的变化。
图3示出了可以产生离散的步长形式的光学路径的变化或光学时延的延迟线14的实施例。
延迟线14包括光开关31和在其端部反射光的不同长度的多个光通道32。光开关31可以将入射光引导到特定的通道32中，以使入射光行进确定长度的路径。通过切换所选择的通道，因此能够改变光束的光学路径或对应的光学时延。
优选地，光开关31是光纤部件。
光通道32能够例如通过具有反射终端的光纤产生。
光通道32还能够通过在光学衬底上的平面波导产生。该实施例具有允许通过构造来精确调整光通道长度的优点。能够调整在衬底表面上的路径，使得这些路径都终止于衬底的部分上，该衬底的部分被金属化以在波导端部产生反射。
光通道还能够通过自由传播产生。在这种情况下，每个光通道能够包括以期望距离设置的光纤、准直透镜和反射器。
图4示出了本发明的测量原理，使得本发明能够例如通过设备100和200实施。
更具体地，图4示意性地示出了测量光束44和参考光束45的相应光学路径的长度，使得测量光束和参考光束在设备100和200中的光源11和检测器15之间传播。
在所示的示例中，入射在物体13上的测量光束44在物体的界面上经历反射421、422、423。参考光束45在等效参考面41上反射。
在设备100和200的实施例中，等效参考面41的位置表示延迟线14中的光学路径。在该表示中，延迟线14可以在参考光束45中引入光学时延，该光学时延与能够在例如零(不失一般性)的值和对应于延迟线的最大形成的最大值Lm之间改变的光学路径Ldl相对应。在诸如图2所示的具有平移的可移动镜27的延迟线的情况下，通过将可移动镜从其近端位置移动相应的距离能够获得光学路径Ldl。
为了简化描述，仅在光束的向外(或返回)路径上计算光学路径或光学时延，以与产生反射的元件的光学尺寸或位移相对应。在实践中，测量光束和参考光束沿着向外和返回路径行进，因此是双倍的路径，但仅考虑一半路径的事实并不会改变平衡条件。
更一般地，调整参考光学路径45的长度，以能够根据延迟线的位移在所谓的偏移距离Lo的最小距离与最大距离Lo+Lm之间改变，该最大距离对应于添加延迟线行程的偏移距离。对于测量光束44，在偏移距离Lo和最大距离Lo+Lm之间的光学距离的范围对应于设备的时间距离测量范围，因为仅可以获得发生在该时间距离测量范围内的参考光束45和物体13上反射的测量光束44之间的光学路径相等。
一般地，能够相对于将测量光束和参考光束的路径分开的元件来限定偏移距离Lo。该偏移距离取决于一个或更多个干涉仪的不同臂的平衡。
例如，在设备100中，能够相对于分离器元件12限定偏移距离Lo。该位移距离取决于参考臂的光学长度，或换言之取决于参考光束在分离器元件12和时间延迟线14之间行进的光学距离。
在设备200中，能够相对于在测量准直仪21处在测量臂中产生参考光束的元件来限定偏移距离Lo。另一方面，该偏移距离取决于差分延迟线240的固定长度参考臂28和可变长度臂25之间的光学路径的差。实际上，如上所述，测量光束和参考光束中的每一个由解码耦合器24分开成两个分量。
在所示实施例中，平衡或布置差分延迟线240使得沿着由可移动镜27到检测器15反射的参考光束的分量的光学路径能够对应于沿着由固定反射元件29反射的测量光束的分量的光学路径，该测量光束由在设备的时间距离测量范围[Lo；Lo+Lm]内的物体的反射产生。
可替代地，能够平衡或布置差分延迟线240使得沿着由固定反射元件29到检测器15反射的参考光束的分量的光学路径能够对应于沿着由可移动镜27反射的测量光束的分量的光学路径，该测量光束由在设备的时间距离测量范围[Lo；Lo+Lm]内的物体的反射产生。
在实施时间检测的现有技术的设备中，对于延迟线Ldl的每个位置，在检测器上将获得干涉峰(或干涉突发)，参考光束45到等效参考面41的光学路径对应于测量光束44到物体13的界面的光学路径。因此，对于位于设备的时间距离的测量范围[Lo；Lo+Lm]内的物体13的每个界面将获得干涉峰。这些干涉峰的宽度将取决于光源的相干长度。
如前所述，本发明使用光谱或频率检测。因此，在检测器15的出口处检测表示光功率谱密度的光谱信号。该光谱信号取决于光源的光谱，并且取决于叠加在检测器上的成对的光束之间的干涉。通过应用Wiener-Khinchin定理，可以计算该光谱信号的傅立叶逆变换并因此获得其中的在时域或距离上的自相关函数。因此，在光学距离光谱测量范围Lf内的，对于入射到检测器上的成对的光束之间的每个光学路径的差或每个光学延迟，通过具有干涉峰的光学延迟或光学距离获得时间干涉信号。
如上所述，该光谱测量范围在光学距离上的最大值对应于：
Lfmax＝N/2Ic
其中Ic是光源的相干长度，并且N是光谱的采样点的数量。因此，该光谱测量范围直接受到光谱仪测量点的数量的限制，或者使用可调谐光源时受到能够产生的不同波长的数量的限制。
光谱检测对测量的光学路径的差的符号不敏感。因此，该光谱检测仅提供绝对值(或无符号值)。因此，对于等效参考面41的位置Ldl(或由延迟线引入的光学时延)，光谱检测以绝对值的形式提供参考光束45和测量光束44在位于光学距离Lo+Ldl±Lf处的物体的界面上的反射之间的光学路径的差或光学延迟的测量值。
光谱检测还对测量光束的反射之间的光学路径的差敏感。该光谱检测因此产生了通常难以分析的模糊的信号。
为了解决符号的歧义并区分测量光束44的反射之间的干涉和参考光束45和测量光束44之间的干涉，现有技术的解决方案包括静态地定位等效参考面41，使得在参考光束45和测量光束44在物体13的界面上的反射之间的光学路径的差(或相应的光学延迟)都具有相同的符号，并且具有大于物体13的层之间的厚度的值。这相当于调整延迟线，使得沿着测量光束44到反射421、422、423的光学路径都大于(或小于)沿着参考光束45到等效参考面41上的反射430的光学路径。但是这严重限制了最大对应于光学距离光谱测量范围Lf的可用的距离测量范围。
本发明的解决方案包括在等效参考面41的多个位置采集多个光谱测量值或光谱信号，该等效参考面的多个位置对应于包括在设备的时间距离测量范围[Lo；Lo+Lm]内的距离Ldl(或光学时延)。然后能够根据在连续采集的光谱信号中检测到的干涉峰经过的所谓的“界面曲线”的曲线来明确地确定物体的结构。
图5示出了在这些条件下、在图4所示的测量配置中获得的测量值的示例。
水平轴“DL Pos”对应于由延迟线产生的光学路径的差(或光学时延)，或者在图4所示的示例中所述水平轴对应于等效参考面41的位置Ldl。垂直轴“Spec Pos”对应于从在光谱距离测量范围Lf内由光谱检测器15测量的光谱信号获得的光学路径的差(或光学时延)。因此，构建了光谱测量值与参考位置或光学时延的示意图。
如上所述，根据对应于延迟线的光学时延的多个测量位置51，在设备的时间距离测量范围[Lo；Lo+Lm]内移动等效参考面41的位置Ldl，物体13的界面位于该时间距离测量范围内。对于这些测量位置51中的每一个，执行光谱信号测量，由此推导出对应于光学延迟测量的干涉峰的位置。
所测量的不同光学延迟在光谱信号与位置或光学时延的示意图中以界面曲线的形式出现，所述界面曲线的形状取决于光学延迟的原点。
因此，例如，厚度小于光谱测量范围Lf的薄层导致干涉峰524，该干涉峰源自测量光束44的两次反射422、423之间的干涉，该干涉峰在示意图中的位置与等效参考面41的测量位置51无关。
另外，当物体13的界面上反射的测量光束44和参考光束45之间的光学路径的差小于光谱测量范围Lf时，获得干涉峰，该干涉峰在示意图中的位置取决于光学路径的差(或对应的光学延迟)的绝对值。例如，参考光束45在参考面上的反射430与测量光束44在物体13的界面上的反射421、422、423之间的干涉分别导致干涉峰521、522、523。这些干涉峰因此在界面曲线上以“V”形出现，该“V”形对应于光学距离(或光学延迟)中斜率为±1的直线。对应于物体的界面的直线在光谱信号的原点(零位置)或光学时延的轴上相交，这对应于等效参考面41与物体的界面在同一光学距离处的条件。换言之，界面曲线或直线与光学时延的轴之间的交点位置对应于在参考光束和由对应于该界面曲线的物体的界面反射的测量光束之间的光学路径相等的光学时延。
应当注意，即使在对应于光谱测量范围Lf的临近范围内，当对于单个光学时延产生单个光谱测量或者等效参考面位于单个测量位置51处时，一般情况在这些条件下不可以确定物体13的结构。
根据本发明，对于等效参考面41的多个测量位置51(或延迟线的位置或光学时延)执行光谱测量，使得能够将每个干涉峰或每个所测量的光学延迟以直线形式分配给界面曲线。为此，必须沿着该直线至少两次检测每个干涉峰。如果等效参考面41的连续测量位置51之间的位置增量ΔLdl(或对应的光学时延差)小于或等于所使用的光谱测量范围Lf的一半，则遵守该条件。
通过将物体的干涉峰仅能够定位于斜率为+1、-1或零的斜率的直线上这一事实，简化了将界面峰分配给不同的界面曲线或直线的过程。
位于具有正的或负的斜率的直线上的干涉峰对应于与等效参考面41的位置相对的测量的物体的界面的位置。直线的斜率符号表示该位置差的符号。因此，已知每个测量点51的等效参考面41的位置(或相应的光学时延)，可以在设备的时间距离测量范围[Lo；Lo+Lm]内明确地定位物体的界面的对应位置。
位于具有零斜率的界面直线上的干涉峰对应于物体的界面的位置差，但是没有提供关于这些界面的位置的信息。因此，必须将这些干涉峰区分开以避免错误的检测。基于其中的斜率值能够执行该区分。
图6示出了根据本发明的方法的示例流程图。该流程图包括：
-步骤61：定位延迟线，以对应于光学时延值将等效参考面41定位在已知测量位置51处；
-步骤62：采集光谱信号；
-步骤63：计算光谱信号中的干涉峰或对应的光学延迟的位置；
-步骤64：将干涉峰或对应的光学延迟的位置存储在测量历史中；
-步骤65：重建物体的结构。
如上所述，重建步骤包括将干涉峰(或对应的光学延迟)的位置分配给界面曲线和/或构建这些界面曲线。
为此，例如，对于每个新测量的光谱信号，尝试(基于这些峰与这些直线的距离)将所检测的干涉峰分配给现有直线，和/或验证是否可以用这些干涉峰和从先前光谱测量期间所检测的并且没分配给直线的干涉峰来创建新直线。
因此，获得了一组界面直线或曲线。例如可以确定具有非零斜率的每个界面直线与测量位置51(或光学时延)的时间轴的交点的位置，来获得物体的界面的位置。如上所述，该交点对应于所搜索的界面位置(或对应的光学延迟)。同样地或另外地，可以确定在时间轴上交叉并且对应于同一界面的具有相反斜率的两条直线之间的交点的时间轴上的位置或光学时延。
本发明具有允许高测量精度的优点。实际上，每个界面的位置都由多次测量确定，这在信号检测和考虑光谱检测和延迟线的位置测量的测量不确定性方面，都显著改善了信噪比和测量的不确定性。
此外，特别是当使用脉冲光源时，由于光谱检测的实施，该设备对光源的强度噪声或从一个脉冲到另一脉冲的强度变化不敏感。
本发明还具有允许同时实现设备的优点：
-仅使用TD-OCR类型的时间检测才能达到的大测量范围，和
-通过实现具有比连续光源或扫描频率光源更宽的光谱和更大的功率的脉冲源，可以实现非常精细的最小可测量厚度。
以非限制性示例的方式，能够实现本发明以产生一种可以测量物体的界面的厚度和位置的OCR类型的系统，其具有10mm的厚度或最大可测量光学距离、小于5μm的厚度或最小可测量光学距离、以及100Hz的测量速率。
为此，可以实现具有以下各项的根据本发明的设备100或200：
-超连续谱激光器类型的光源11，其产生具有在1310nm附近的光谱宽度大于200nm的光，其形式为10KHz重复频率的纳秒脉冲的形式；
-延迟线14，其具有在10mm的行程上以50Hz振荡线性位移、即以1m/s的平均速度位移的反射镜；
-光学检测器15，其具有色散元件和线性传感器。
在这些条件下，光源的相干长度小于5μm，并因此可以达到小于5μm的最小可测量厚度或光学距离。如上所述，该光学检测器可以测量5μm至500μm的光谱测量范围内的厚度或光学距离。假设对于光源的每个脉冲、即以10KHz的频率采集光谱信号，则延迟线每位移100μm就获得光谱信号。并因此在延迟线的整个行程、即10mm中，以五个连续的光谱信号能够潜在地检测物体的每个界面多达五次。
应当注意，由于光谱采样要求和光源相干长度的限制，现有技术的光谱系统(FD-OCT或SS-OCT)不能实现这种5μm至10mm的测量范围。
另外，用现有技术的TD-OCR类型的时间系统可达到10mm的最大可测量光学深度。然而，用本示例中以1m/s移动的延迟线对时间干涉信号采样，必须使用15MHz或更高的采样频率，以在1310nm的波长处获得每个条纹约10个点。因此，连续的光源是必需的。目前，诸如超辐射发光二极管(SLD)的可用光源在1310nm的波长处具有最大约为100nm的光谱宽度，并且不可以达到小于10μm的最小可测量光学深度，该最小可测量光学深度仍然是不足的。
当然，本发明不限于刚才描述的示例，并且在不超出本发明的范围的情况下可以对这些示例进行多种修改。

Claims (18)

1.一种用于确定关于物体(13)的界面的结构和/或位置的信息的低相干干涉仪设备(100、200)，包括：
-多色光源(11)；
-光学系统，其用于产生由所述物体(13)反射的测量光束和参考光束；
-延迟线(14)，其用于在所述测量光束和所述参考光束之间引入可变光学时延；
-光学检测器(15)，其用于将所述测量光束和所述参考光束组合并且产生表示所得干涉信号的光功率谱密度的光谱信号；
其特征在于，所述设备还包括控制和处理模块(16)，所述控制和处理模块布置用于：
-对于多个光学时延采集多个光谱信号；
-对于每个光谱信号确定在所谓的光谱测量范围内的干涉光束之间的光学延迟信息；
-根据所述光学时延来分析所述光学延迟的演变，并且将根据不同光谱信号确定的一个或更多个光学延迟分配给一条或更多条所谓的界面曲线(521、522、523、524)，所述界面曲线对应于具有正的、负的、零或几乎为零的斜率的直线，所述界面曲线取决于所述光谱信号的采集的相应的光学时延；以及
-由此推断关于所述物体(13)的界面的结构和/或位置的信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其包括以脉冲形式发射多色光的光源(11)和光谱仪类型的光学检测器(15)。
3.根据权利要求1所述的设备，其包括可调谐或扫描激光类型的光源(11)和光学强度检测器(15)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其包括可以引入离散的步长形式的光学时延的延迟线(14)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述延迟线(14)包括光开关(31)。
6.根据权利要求1或2中的任一项所述的设备，其包括可以引入连续可变的光学时延的延迟线(14)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其包括具有将所述测量光束导向所述物体的测量臂(21、22)的共路干涉仪和插入所述测量臂中以产生参考光束的半反射元件。
8.根据权利要求7所述的设备，其包括在固定位置具有光反射率(29)的差分延迟线(240)和所述延迟线(14)。
9.一种使用低相干干涉仪(100、200)确定关于物体的界面的结构和/或位置的信息的方法，包括以下步骤：
-用多色光源(11)发射多色光；
-产生由待测的所述物体(13)反射的测量光束和参考光束；
-用延迟线(14)在测量光束和参考光束之间引入可变的光学时延；
-借助于光学检测(15)组合测量光束和参考光束并且产生表示所得干涉信号的光功率谱密度的光谱信号；
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-对于多个光学时延采集多个光谱信号；
-对于每个光谱信号确定在所谓的光谱测量范围内的干涉光束之间的光学延迟信息；
-根据光学时延来分析所述光学延迟的演变，并且将根据不同光谱信号确定的一个或更多个光学延迟分配给一条或更多条所谓的界面曲线(521、522、523、524)，所述界面曲线对应于具有正的、负的、零或几乎为零的斜率的直线，所述界面曲线取决于所述光谱信号的采集的相应的光学时延；以及
-推断关于所述物体(13)的界面的结构和/或位置的信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其包括在光学时延范围内对于多个光学时延采集多个光谱信号，使得当所述物体(13)位于所谓的时间测量范围内时能够在所述参考光束和所述测量光束之间产生光学路线相等。
11.根据权利要求9或10中的任一项所述的方法，其包括对于多个光学时延采集多个光谱信号，所述多个光学时延以最多对应于所述光谱测量范围的一半的增量间隔开。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，其中，确定干涉光束之间的光学延迟信息包括计算时间干涉信号和确定干涉峰的位置。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，其包括搜索对应于具有正的或负的单位斜率的直线的界面曲线(521、522、523)。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的方法，其中，通过使用一条或更多条界面曲线(521、522、523)来确定所述物体(13)的界面的结构和/或位置。
15.根据权利要求9至14中的任一项所述的方法，其中，通过确定在界面曲线上光学延迟为零的相应的一个或更多个光学时延来确定所述物体(13)的界面的结构和/或位置。
16.一种包括根据权利要求1至8中的任一项所述的设备的装置，所述装置实施了根据权利要求9至15中的任一项所述的方法。
17.根据权利要求16所述的装置，其用于测量物体(13)上的层的距离和/或厚度，所述物体包括集成电子的和/或集成光学的部件和/或元件。
18.根据权利要求16所述的装置，其用于测量生物物体上的层或层结构的距离和/或厚度。
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