DD229508A1 - DEVICE FOR AUTOMATIC TRACK DIFFERENCE MEASUREMENT IN INTERFEROMETERS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Gangunterschiedsmessung in Interferenzmikroskopen. Diese dient der schnellen Erfassung der zeitlichen Aenderung des Interferenzzustandes interferometrisch zu untersuchender Objekte in der Medizin, Biologie u. a. Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die gegenueber bekannten Einrichtungen einfach aufgebaut ist und mit geringem geraetetechnischen Aufwand eine schnelle und genaue Erfassung von Gangunterschiedsaenderungen gewaehrleistet. Die Aufgabe besteht darin, die Vorrichtung so zu gestalten, dass mit einem Minimum an Zwischengroessen und Einflussfaktoren die Gangunterschiedsaenderungen eines Gangunterschiedsmodulators zuverlaessig erfasst und in dazu proportionale digitale Groessen transformiert werden. Das wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass der in einem Interferenzstrahlengang angeordnete Gangunterschiedsmodulator ausserhalb des Interferenzstrahlenganges in seiner Schwingungsrichtung eine periodische Massstabsverkoerperung traegt, deren Teilungsperiode in einem konstanten Verhaeltnis zur Gangunterschiedsaenderung steht. Diese Massstabsverkoerperung wird mit geeigneten Mitteln abgetastet. Fig. 1The invention relates to a device for automatic retardation measurement in interference microscopes. This serves the rapid detection of the temporal change of the interference state interferometrically to be examined objects in medicine, biology u. a. The aim of the invention is to provide a device which is simple compared to known devices and with low technical equipment effort a quick and accurate detection of Gangunterschiedsaenderungen gewaehrleistet. The object is to design the device such that with a minimum of intermediate sizes and influencing factors the retardation changes of a retardation modulator are reliably detected and transformed into digital quantities proportional thereto. This is achieved according to the invention in that the path difference modulator arranged in an interference beam path outside the interference beam path carries in its direction of oscillation a periodic scaling frequency whose pitch period is at a constant ratio to the path difference change. This scaling is scanned by suitable means. Fig. 1
Description
Titeltitle
( Vorrichtung zur automatischen Gangunterschiedsmessung in Interferometern(Device for automatic retardation measurement in interferometers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Messung von Gangunterschieden in Interferometern, insbesondere Interferenzmikroskopen· Sie wird zur schnellen Erfassung der zeitlichen änderung des Interferenzzustandes, hervorgerufen durch zeitliche Änderungen der optischen Eigenschaften interferometrisch zu untersuchender Objekte oder in Verbindung mit einer systematischen Objektverschiebung zur Ermittlung örtlicher Unterschiede der optischen Eigenschaften derartiger Objekte, eingesetzt. Angewendet ; werden diese Untersuchungen in der Medizin, Biologie, Chemie, Halbleitertechnik u.a,«The invention relates to a device for the automatic measurement of gait differences in interferometers, in particular interference microscopes. It is used for rapid detection of the temporal change of the interference state caused by temporal changes in the optical properties of objects to be interferometrically examined or in conjunction with a systematic object displacement for determining local differences optical properties of such objects used. Applied ; These studies will be used in medicine, biology, chemistry, semiconductor technology, etc. "
Es ist eine Einrichtung und ein Verfahren zur automatischen Messung von Gangunterschieden in einem Interferenzmikroskop bekannt, bei dem der Gangunterschied im Phasenschieber elektromechanisch nach einer Sinusfunktion moduliert und mit einem Phasenanalysator die Unlinearität der Modulationsfunktion eliminiert wird. Die einwandfreie Punktion dieses Verfahrens ist an die Voraussetzung geknüpft, daß die Antriebsfunktion oberwellenfrei ist, die Bewegungsfunktion ein getreues Abbild der Antriebsfunktion darstellt und die Phasenanalyse genügend stabil und feinfühlig arbeitet, um hohe Gangunter-A device and a method for the automatic measurement of gait differences in an interference microscope is known, in which the path difference in the phase shifter is electromechanically modulated according to a sine function, and with a phase analyzer the nonlinearity of the modulation function is eliminated. The perfect puncture of this method is dependent on the assumption that the drive function is harmonic-free, the motion function is a faithful reflection of the drive function and the phase analysis is sufficiently stable and sensitive to provide high gear speeds.
schiedsauflösungen und Reproduzierbarkeiten zu sichern. Der technische Aufwand zur Erfüllung dieser Forderungen ist relativ hoch und stellt auch besondere Anforderungen an die zeitliche Konstanz der Einrichtung»assure resolutions and reproducibility. The technical effort to meet these demands is relatively high and also makes special demands on the temporal consistency of the institution »
In dem DD-WP 149968 ist eine Einrichtung beschrieben, in der die Erfassung des Gangunterschiedes dadurch ermöglicht wird, daß die Bewegungsfunktion des Phasenschiebers zeitlich linearisiert ist. Die Erfüllung der Bedingung, daß der Gangunterschied zur Zeit in einem konstanten Verhältnis steht, erfordert einen erheblichen regelungstechnischen Aufwand.In DD-WP 149968 a device is described in which the detection of the path difference is made possible by the fact that the movement function of the phase shifter is linearized in time. The fulfillment of the condition that the path difference is at a constant ratio at the time, requires a considerable regulatory effort.
In der Inaugural-Dissertation von J. Pörtner "Aufbau und Betrieb eines Scanning-Interferenzmikroskopes", Pathologisches Institut Gießen, 1964 ist eine Einrichtung beschrieben, deren Anwendung nur auf mit polarisiertem Licht arbeitende Interferenzmikroskope beschränkt ist. Dabei wird die Gangunterschiedsvariation durch Rotation eines Polars erzeugt und ist proportional zum Drehwinkel· Diese Einrichtung erlaubt nur eine begrenzte Arbeitsgeschwindigkeit, da sie mit einem Regelkreis mit integraler Charakteristik arbeitet. Zudem können mit dieser Einrichtung nur isotrope Objekte untersucht werden.The Inaugural dissertation by J. Pörtner "Construction and Operation of a Scanning Interference Microscope", Pathologisches Institut Gießen, 1964 describes a device whose application is limited only to polarized light interference microscopes. In this case, the path difference variation is generated by rotation of a polar and is proportional to the rotation angle · This device allows only a limited operating speed, since it works with a control loop with integral characteristics. In addition, only isotropic objects can be examined with this device.
Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden. Es soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die gegenüber den bekannten Einrichtungen einfach aufgebaut ist und mit geringem gerätetechnischen Aufwand eine schnelle und genaue Erfassung von Gangunterschiedsänderungen gewährleistet.The aim of the invention is to avoid the disadvantages mentioned. It is a device to be created, which is simple compared to the known devices and ensures low equipment complexity, a quick and accurate detection of changes in path changes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der automatischen Messung von Gangunterschieden an Interferenzobjekten, insbesondere in Interferenzmikroskopen mit einem periodisch schwingenden Gangunterschiedsmodulator und einer Erfassungslogik mit einem Komparator, an dessen Eingängen je ein der aktuellen und der mittleren Lichtintensität proportionales elektrisches Signal anliegt. Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung so zu gestalten, daß unabhängig von polari-The device according to the invention is used for the automatic measurement of gait differences in interference objects, in particular in interference microscopes with a periodically oscillating retardation modulator and a detection logic with a comparator, at whose inputs each one of the current and the average light intensity proportional electrical signal is applied. The object of the invention is to design the device so that, independently of polar
siertem Licht mit einem Minimum an Zwischengrößen und unter Ausschaltung störender Einflußfaktoren (LichtSchwankungen, Schwankungen der Empfindlichkeit des opto-elektronischen Wandlers) die Gangunterschiedsänderungen eines Gangunterschiedsmodulators zuverlässig erfaßt und in dazu proportionale digitale Größen transformiert werden·Siert light with a minimum of intermediate sizes and eliminating disturbing factors influencing influence (light fluctuations, fluctuations in the sensitivity of the opto-electronic transducer) the retardation changes of a retardation modulator reliably detected and transformed into proportional digital quantities ·
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Gangunterschiedsmodulator in seiner Schwingungsrichtung außerhalb des Interferenzstrahlenganges eine periodische Maßstabsverkörperung trägt, deren Teilungsperiode in einem konstanten Verhältnis zur Gangunterschiedsänderung steht. Es sind Mittel vorgesehen, die Zahl der Teilungsperioden, um die der Gangunterschiedsmodulator von einem vorgegebenen Zeitpunkt seiner Schwingungsperiode bis zum Umschalten des !Comparators in einer vorgegebenen Richtung verschoben wurde, zu zählen, zu speichern und/oder anzuzeigen bzw. weiterzuverarbeiten. Weiterhin ist am Gangunterschiedsmodulator eine Anfangsmarke vorhanden, deren Lage in einer Ausgangsstellung von einem Positionserfassungssystem signalisiert wird.According to the invention the object is achieved in that the path difference modulator carries in its direction of vibration outside of the interference beam path a periodic scale embodiment, whose pitch period is in a constant ratio to the change in path difference. Means are provided for counting, storing and / or displaying or processing the number of graduation periods by which the path difference modulator has been shifted from a predetermined time of its oscillation period to the switching of the comparator in a predetermined direction. Furthermore, the transition difference modulator has an initial mark, the position of which is signaled in a starting position by a position detection system.
Vorteilhaft ist die Maßstabsverkörperung als optisches Gitter auszuführen, das in an sich bekannter Weise durch eine Lichtquelle beleuchtet und mittels eines Hilfsobjektives durch ein Referenzgitter auf Fotodioden zur Erfassung seiner Relativlage abgebildet wird.It is advantageous to carry out the scale embodiment as an optical grating which is illuminated in a manner known per se by a light source and imaged by means of an auxiliary objective through a reference grating on photodiodes for detecting its relative position.
Eine ebenso vorteilhafte Erfassung der Relativlage des Gangunterschiedsmodulators ist möglich, wenn die Maßstabsverkörperung als periodisch geteilte Kondensatorplatte ausgebildet ist. Die periodisch geteilte zweite Kondensatorplatte wird fest in der Vorrichtung gegenüber der ersten Kondensatorplatte angeordnet. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn als Periode der Maßstabsverkörperung die Wellenlänge einer monochromatischen Lichtstrahlung genutzt wird.An equally advantageous detection of the relative position of the retardation modulator is possible if the scale embodiment is formed as a periodically divided capacitor plate. The periodically divided second capacitor plate is fixedly arranged in the device with respect to the first capacitor plate. Furthermore, it is advantageous if the wavelength of a monochromatic light radiation is used as the period of the scale embodiment.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the schematic drawing. Show it:
Fig. 1: ein modifiziertes Mach-Zehnder-Interferometer mit einem piezoelektrisch betriebenen Phasenschieber und einer erfin-1 shows a modified Mach-Zehnder interferometer with a piezoelectrically operated phase shifter and an invented
dungsgemäßen Vorrichtung,device according to the invention,
Fig. 2: das Blockschaltbild der zur Erfassung des wirkenden Gangunterschiedes in der Interferometeranordnung erforderlichen Elektronik.2 shows the block diagram of the electronics required for detecting the acting path difference in the interferometer arrangement.
In Fig. 1 durchläuft ein mikroskopischer Abbildungsstrahlengang 1 ein Mach-Zehnder-Interferometer 2 und fällt durch eine Meßblende auf einen opto-elektronischen Wandler 4. In einem Teilstrahlengang des Interferometers 2 ist ein Kompensationskeil 5 und im zweiten Teilstrahlengang ein Gangunterschiedsmodulator 6 angeordnet. Der Gangunterschiedsmodulator 6 wird durch einen piezoelektrischen Biegeschwinger 7 mit einer Blattfeder 8 als zweites Führungselement in periodische Schwingungen versetzt, an deren zeitlichen Ablauf lediglich die Forderung gestellt werden muß, daß er eine stetige Funktion ist» Eine Forderung an zeitliche Konstanz braucht nicht gestellt zu werden» Bezüglich der Amplitude der Schwingung muß gesichert sein, daß der Gangunterschiedsmodulator 6 eine Gangunter— schiedsänderung von etwas mehr als einer Wellenlänge des Lichtes, mit dem das Interferometer arbeitet, hervorruft.In Fig. 1, a microscopic imaging beam path 1 passes through a Mach-Zehnder interferometer 2 and falls through an orifice plate on an opto-electronic transducer 4. In a partial beam path of the interferometer 2 is a compensation wedge 5 and in the second beam path a path difference modulator 6 is arranged. The retardation modulator 6 is set by a piezoelectric bending oscillator 7 with a leaf spring 8 as a second guide element in periodic oscillations, the timing of which must be made only the requirement that it is a continuous function »A requirement for temporal consistency does not need to be asked» With regard to the amplitude of the oscillation, it must be ensured that the retardation modulator 6 causes a gait change of slightly more than one wavelength of the light with which the interferometer operates.
Der Gangunterschiedsmodulator 6 ist ein Glaskeil, der so gestaltet sein kann, daß bei einem Hub von 1 μια eine Gangunterschiedsänderung von 1 nm erzeugt wird. Die Auswertelogik erfordert, daß der Gangunterschied um etwas mehr als eine Wellenlänge moduliert wird, so daß für die Praxis ein Hub des Gangunterschiedsmodulators 6 von ca» 0,6 mm ausreichend ist»The retardation modulator 6 is a glass wedge, which can be designed so that at a stroke of 1 μια a retardation change of 1 nm is generated. The evaluation logic requires that the path difference is modulated by slightly more than one wavelength, so that in practice a stroke of the path difference modulator 6 of about »0.6 mm is sufficient»
In Bewegungsrichtung, versetzt neben dem Interferometerstrahlengang, befindet sich eine Gitterteilung 9» die aus einer Folge gleich breiter transparenter und undurchlässiger Striche senkrecht zur Bewegungsrichtung bestehen kann» Für die Praxis ist eine Strich- und Lückenbreite von 4 (im vorteilhaft» Eine Lumineszenzdiode 10 beleuchtet über einen Kollektor 11 das Gitter 9» Mit einem Hilfsobjektiv 12 wird die Gitterstruktur auf ein in vier Quadranten unterteiltes Referenzgitter 13 abgebildet« Die Strukturen der Quadranten sind in bekannter Weise um jeweils 74 Gitterkonstante gegeneinander verschoben. Die durch die Quadranten des Seferenzgitters 13 tretenden Lichtströme werden von vier Fotodioden 14 erfaßt und die dazu analogen elektrischen Ströme einer ZählerlogikIn the direction of movement, offset next to the interferometer beam path, there is a grating pitch 9 which can consist of a sequence of equally wide transparent and impermeable lines perpendicular to the direction of motion. "In practice, a bar and gap width of 4 (in the advantageous» Ein Lumineszenzdiode 10 lit on a collector 11 the grating 9. The grating structure is imaged onto a reference grating 13 divided into four quadrants with an auxiliary objective 12. The structures of the quadrants are shifted relative to one another in each case by 74 grating constants recorded four photodiodes 14 and the analog electrical currents of a counter logic
(Pig. 2) zugeführt. Diese ermittelt den Richtungssinn der Bewegung und erfaßt verachtfacht in Form von Impulsen die Zahl der an einem Referenzgitterquadranten vorüberlaufenden Gitterstriche. Diese Impulse, von denen jeder eine Änderung des Interferenzzustandes des Interferometers um 1 nm darstellt, werden je nach Bewegungsrichtung des Gangunterschiedsmodulators 6 zu einer Vorwärts- oder Rückwärts-Zählung eines Zählers 19 (Fig. 2) geleitet.(Pig. 2). This determines the sense of direction of the movement and detects eightfold in the form of pulses, the number of passing on a reference grid quadrant grating lines. These pulses, each representing a change in the interference state of the interferometer by 1 nm, are directed to a forward or backward count of a counter 19 (Figure 2), depending on the direction of travel of the retardation modulator 6.
Unterhalb des Gitters 9 ist eine Startmarke 15 angebracht, die in der Ausgangsstellung von dem Hilfsobjektiv 12 durch eine Blende 16 hindurch auf einen Empfänger 1? abgebildet wird.Below the grid 9, a start mark 15 is mounted, which in the starting position of the auxiliary lens 12 through a diaphragm 16 through to a receiver 1? is shown.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der zur Erfassung der Gangunterschiedsänderungen im Interferometer 2 erforderlichen Elektronik dargestellt. Die zur Erläuterung erforderlichen Bauelemente der Vorrichtung nach Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen vereinfacht eingezeichnet.FIG. 2 shows a block diagram of the electronics required to detect the retardation changes in the interferometer 2. The devices required for explanation of the device of FIG. 1 are provided with the same reference numerals simplified drawn.
Zur Erfassung einer Gangunterschiedsänderung ergibt sich folgendes Zusammenwirken der Bauelemente:To detect a change in the path difference, the following interaction of the components results:
Ein Sinusgenerator 20 liefert eine Spannung, die den Gangunterschiedsmodulator 6 in Bewegung versetzt. Ein Trigger 21 erhält, ausgelöst durch die Abbildung der Startmarke 15 auf den Empfänger 17» von diesem eine Spannung, so daß er in einer damit fest vorgegebenen Position des Gangunterschiedsmodulators 6 kurzzeitig in den Zustand "H" schaltet. Beim Schalten von 11L" auf 11H" wird der Zähler 19 in den Zustand "0" gesetzt. Gleichzeitig schaltet das RS-Flipflop 22 auf lfHM und gibt den Zähler 19 frei, so daß von diesem Modulationspunkt die Zahl der von der Zählerlogik 18 eintreffenden Impulse vorzeichenabhängig erfaßt wird. Sine Verbindung der Zählerlogik 18 mit dem Trigger 21 verhindert, daß ein von der Startmarke 15 bei der Rückwärtsbewegung des Gangunterschiedsmodulators 6 ausgelöstes Signal den Trigger 21 erneut umschaltet»A sine wave generator 20 provides a voltage that sets the retardation modulator 6 in motion. A trigger 21 receives, triggered by the image of the start mark 15 on the receiver 17 »from this a voltage so that it temporarily switches to a fixed position of the retardation modulator 6 in the state" H ". When switching from 11 L "to 11 H", the counter 19 is set to the state "0". At the same time, the RS flip-flop 22 switches to lf H M and releases the counter 19 so that the number of impulses arriving from the counter logic 18 is detected dependent on the sign of this modulation point. Sine connection of the counter logic 18 with the trigger 21 prevents triggered by the start mark 15 in the backward movement of the path difference modulator 6 signal the trigger 21 again switches »
Der durch das Interferometar 2 modulierte Lichtstrom, der durch die Meßblende 3 tritt, wird von dem opto-elektronischen Wandler 4 (SEV, Fotodiode o.a.) in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch einen Verstärker 23 definiert verstärkt. An einem Maximalwertspeicher 24 wird um denselben Faktor verstärkt der maximale Wert der Fotospannung gespeichert, an einem Minimalwertspeieher 25 der minimale Wert der Fotospannung. Aus beiden genannten Werten wird anThe light flux modulated by the interferometer 2 passing through the orifice plate 3 is converted into an electrical signal by the opto-electronic converter 4 (SEV, photodiode or the like) and amplified by an amplifier 23 in a defined manner. At a maximum value memory 24, the maximum value of the photo voltage is amplified by the same factor, and at a minimum value memory 25 the minimum value of the photo voltage is stored. From both mentioned values becomes
-β--β-
einem Komparator 2β ein Mittelwert gebildet. Dieser der mittleren Lichtintensität proportionale Spannungswert gestattet ess Einflüsse von Lichtintensitätsschwankungen durch die Lichtquelle des Interferometers oder schwankende Transmissionsverhältnisse des Objektes bei der Gangunterschiedsmessung zu eliminieren, Der so erzielte Spannungsmittelwert repräsentiert die mittlere Lichtintensität und wird am Komparator 26 mit der vom Verstärker 23 kommenden aktuellen Spannung verglichen. Immer dann, wenn der aktuelle Spannungswert kleiner als der Mittelwert wird, schaltet der Komparator 26 in den Zustand "L", das RS-Flipflop 22 wird zurückgesetzt und damit die Zählung der von der Zählerlogik 18 abgegebenen Impulse unterbrochen. Die Zahl der so von dem Zähler 19 ermittelten Impulse verkörpert den Gangunterschied, um den das Interferometer, ausgehend vom Startpunkt, verstellt werden mußte, um die Gleichheit zwischen aktueller und mittlerer Lichtintensität zu erzielen, d.h. einen vorgegebenen Interferenzzustand zu erreichen. Diese Verstellung ist abhängig von dem Gangunterschied des Objektes, der somit gemessen werden kann.a comparator 2β an average formed. This the average light intensity proportional voltage value makes it possible to eliminate s influence of light intensity fluctuations from the light source of the interferometer or varying transmission ratios of the object at the path difference measurement, the voltage value thus obtained represents the average light intensity, and is compared at the comparator 26 with the coming from the amplifier 23 current-voltage , Whenever the current voltage value becomes smaller than the average, the comparator 26 switches to the "L" state, the RS flip-flop 22 is reset, and thus the count of the pulses output from the counter logic 18 is interrupted. The number of pulses thus determined by the counter 19 represents the path difference by which the interferometer, starting from the starting point, had to be adjusted in order to achieve the equality between the current and average light intensity, ie to achieve a predetermined interference state. This adjustment is dependent on the path difference of the object, which can thus be measured.
Die im Zähler 19 erfaßten Impulse werden in einem Zwischenspeicher 27 gespeichert» durch eine Anzeigeeinheit 28 digital angezeigt und können in gebräuchlicher Weise v/eiterverarbeitet werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Punktion in weiten Grenzen unabhängig von der Arbeitsgeschwindigkeit, nahezu völlig unabhängig von dem zeitlichen Bewegungsablauf des Gangunterschiedsmodulators ist und daß die bewegten Massen im Interferometer gering sind.The pulses detected in the counter 19 are stored in a buffer memory 27 »digitally displayed by a display unit 28 and can be processed in a conventional manner. The device according to the invention is characterized in that the puncture is independent of the working speed within wide limits, almost completely independent of the temporal course of motion of the path difference modulator and that the moving masses in the interferometer are low.
Unter den beschriebenen Bedingungen ist die Messung eines Gangunterschiedes bis zu einer Wellenlänge möglich. Durch Anwendung zweier auf verschiedene Wellenlängen reagierender Empfänger und entsprechende Erweiterung der Logik ist dieses Verfahren auch auf die Messung von Gangunterschieden größer als eine Wellenlänge möglich.Under the conditions described, the measurement of a path difference up to a wavelength is possible. By using two receivers reacting to different wavelengths and corresponding expansion of the logic, this method is also possible for the measurement of gait differences greater than one wavelength.
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