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Stand der Technik
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Das
gleichzeitige Aufnehmen von Daten aus verschiedenen Tiefen des Objektraumes
spielt bei der mikroskopischen Interferometrie und der optischen
Datenspeicherung in Volumenspeichern bekannterweise eine wichtige
Rolle.
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Es
ist hierbei notwendig, die Informationen über das Objekt
ohne das Bewegen von mechanischen Teilen zu gewinnen. Ein Ansatz
mit Spektralanalyse findet sich bei J. C. Viénot,
J. P Goedgebuer and A. Lacourt, Appl. Optics 16 454 (1977) [1].
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Bei Hege,
G.: Speckle-Verfahren zur Abstandsmessung, Dissertation, in Berichte
aus dem Institut für Technische Optik. Vol. 4. 1984, S.
20–25 [2] wird in einem Arm eines Michelson-Interferometers
ein raues Objekt räumlich kohärent beleuchtet, so
dass Speckle entstehen. Die Abstandsinformation wird durch spektrale
Auswertung der Müllerschen Streifen gewonnen. Jedoch kann
es bei dreidimensionalen Objekten mit vergleichsweise großer
Tiefenausdehnung Probleme mit der Schärfentiefe, insbesondere
bei hochaperturiger Beobachtung, geben.
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In
der Veröffentlichung „Dispersive interferometric
profilometer" von J. Schwider und L. Zhou in Opt. Lett.
Vol. 19. No 13, 1994 [3] wird ein interferometrisches System
vorgeschlagen, das ein Zweistrahl-Interferometer und ein Spektrometer
verknüpft. Das Interferenz-Signal wird dabei mit Hilfe
eines Gitters spektral aufgespaltet. Jedoch ist hierbei der Tiefenmessbereich
durch die numerische Apertur des Abbildungssystems begrenzt.
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Eine
andere Möglichkeit bei der mikroskopischen Weißlicht-Zweistrahl-Interferometrie,
ohne das Bewegen von mechanischen Teilen auf Objektdetails zu fokussieren,
wurde mit der Wavelength-to-depth-encoding-Technik von G.
Li, P.-Ch. Sun, P. C. Lin und Y. Feinman in Optics Letters 15. Okt.
2000, Vol. 25, No. 20, S. 1505 bis 1507 [4] mit einer diffraktiven
Linse im Objektstrahlengang in Verbindung mit einem durchstimmbaren
Laser vorgeschlagen. Der verwendete Messaufbau ist jedoch recht
komplex.
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Weiterhin
sind hier die Arbeiten von
E. Papastathopoulos, K. Körner
and W. Osten, "Chromatically dispersed interferomety with
wavelet analysis", Optics Letters 31, Seiten 589–591,
2006, [5],
E. Papastathopoulos, K. Körner
and W. Osten, "Chromatic Confocal Spectral Interferometry
with wavelet analysis", Proceedings of the SPIE 6189-Konferenz,
April 2006 Strasbourg, [6]
E. Papastathopoulos,
K. Körner and W. Osten, "Chromatic Confocal Spectral
Interferometry (CCSI) Proceedings of the SPIE 6292-Konferenz in
San Diego [7] sowie
E. Papastathopoulos, K. Körner
and W. Osten, "Chromatic Confocal Spectral Interferometry",
Applied Optics 45, No. 32, Seiten 8244–8252, 10. Nov. 2006 [8]
zu nennen.
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In
der Veröffentlichung "Accurate fiber-optic sensor
for measurement of the distance based an white-light interferometry
with dispersion" von P. Pavlicek und G. Häusler
in ICO Tokyo, Paper-Nr. 15B3-1 vom 15.7.2004 [9] wird ein
Weißlicht-Zweistrahl-Interferometer beschrieben, bei dem
in einer Faser im Referenzarm eines Interferometers mittels Dispersion
ein über der Wellenzahl intensitätsmoduliertes
Signal erzeugt wird. Der Objektabstand kann jedoch auch hier nur
innerhalb der wellenoptischen Schärfentiefe des Sensorkopfes,
die durch die numerische Apertur des Objektivs desselben bestimmt
ist, ermittelt werden und ist somit, insbesondere für eine
hohe numerische Apertur, sehr begrenzt. Eine Single-Shot-Aufnahme
von mikroskopisch kleinen Objekten in unterschiedlicher Tiefe mit
konfokaler Filterung, wobei ein größerer Tiefenmessbereich
als die wellenoptische Schärfentiefe erfasst werden soll,
ist hierbei nicht möglich.
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Die
Schrift
DE 103 21
895 A1 von K. Körner und W. Osten beschreibt einen
interferometrischen Sensor mit einem Spektrometer am Zweistrahl-Interferometerausgang
und mit einem brechkraftvariablen optischen System in der dem Prüfobjektiv
abgewandten Brennebene, um eine wellenlängenabhängige Tiefenaufspaltung
der Foki im Objektraum zu erhalten. Darüber hinaus wurden
von K. Körner u. a. in den Patentschriften
DE 10 2004 052 205 A1 ,
DE 10 2005 006 724
A1 und
10
2005 042 733 A1 Anordnungen und Verfahren beschrieben,
die Interferenz-Wavelets erzeugen. Hierbei werden die Intensitätswerte
jedoch nicht äquidistant im Wellenzahlraum bereitgestellt.
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In
der Schrift
DD 240824
A3 ist von J. Schwider bereits 1972 die Anwendung eines
Fabry-Perot-Etalons in Reflexion in einem spektralen Weißlicht-Zweistrahl-Interferometer
als Justierhilfe beschrieben. Ebenfalls von J. Schwider wird 1994
in der Schrift
DE 44
05 450 A1 die Anwendung eines eher dünnen Fabry-Perot-Resonators
im Strahlengang eines spektralen Weißlicht-Zweistrahl-Interferometers beschrieben,
um auch bei größeren Abständen zwischen
einem Objekt und einer Referenzfläche in einem Fizeau-Interferometer
noch auswertbare Interferogramme zu erhalten. Hierbei ging es jedoch
nicht um das Ziel, die Auswertung der Müllerschen Streifen zu
beschleunigen oder die Genauigkeit der Signalauswertung, insbesondere hinsichtlich
der Phase, von Müllerschen Streifen zu verbessern, sondern eher
um die Sichtbarmachung von Interferenzen. Eine Single-Shot-Aufnahme
von mikroskopisch kleinen Objekten in unterschiedlicher Tiefe mit
konfokaler Filterung, wobei ein größerer Tiefenmessbereich als
die wellenoptische Schärfentiefe erfasst werden soll, ist
hierbei ebenfalls nicht möglich.
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Weiterhin
wird in der Offenlegungsschrift
DE 3623265 A1 , in
7, ein Fabry-Perot-Interferometer
zur Lagemessung eines Spiegels in Verbindung mit einem zweiten Interferometer
zur Erzeugung eines räumlich ausgebreiteten Interferogramms
dargestellt. Mit einer derartigen Anordnung können ausgedehnte
Spiegel, jedoch nicht mikroskopisch kleine Objekte angetastet werden,
da eine scharfe mikroskopische Abbildung mikroskopisch kleiner Objekte über
ein Vielstrahl-Interferometer nicht oder nur sehr eingeschränkt
möglich ist. Dies ist insbesondere dann nicht möglich,
wenn der Spiegelabstand größer als die wellenoptische
Schärfentiefe der mikroskopischen Abbildung ist. Eine Single-Shot-Aufnahme
von mikroskopisch kleinen Objekten in unterschiedlicher Tiefe mit
konfokaler Filterung, wobei ein größerer Tiefenmessbereich
als die wellenoptische Schärfentiefe erfasst werden soll,
ist hierbei ebenfalls nicht möglich.
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Weiterhin
wird in der Offenlegungsschrift
DE 3938317 A1 ein Interferometer mit spektral
gefiltertem Licht gespeist, das auch aus einem Fabry-Perot-Interferometer
kommen kann. Hier wird die Position eines beweglichen Spiegels in
einem Interferometer bestimmt. Eine Single-Shot-Aufnahme von mikroskopisch
kleinen Objekten in unterschiedlicher Tiefe mit konfokaler Filterung,
wobei ein größerer Tiefenmessbereich als die wellenoptische
Schärfentiefe erfasst werden soll, ist hierbei ebenfalls
nicht möglich.
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Es
ist bekannt, dass die Phasenauswertung auch von vergleichsweise
schwach verrauschten Spektren in Form von Müllerschen Streifen,
also Wavelets, die mit einem chromatisch-konfokalen, spektralen
Zweistrahl-Interferometer (CCSI) im Wellenlängenraum gewonnen
wurden, in der Regel bei numerischen Standardmethoden wie der FFT
hinsichtlich der Messgenauigkeit keine zufrieden stellende Gewinnung
von Tiefeninformationen ermöglicht. Hierbei werden die
Intensitätswerte in Form von Wavelets, auch als Müllersche
Streifen bekannt, durch das Messsystem in der Regel mit einem dispersiven
Single-Shot-Spektrometer im Wellenlängenraum gewonnen.
Durch die notwendige Umrechnung dieser im Wellenlängenraum
diskret abgetasteten Intensitätswerte in den Wellenzahlraum,
was notwendig ist um numerische Standardauswertemethoden einsetzen
zu können, entstehen vergleichsweise große, in
der Regel nicht zu akzeptierende Fehler bei der Phasenauswertung.
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In
der Patentschrift
DE
10 2005 006 723 B3 wird von K. Körner u. a. ein
interferometrisches, konfokales Verfahren und eine interferometrische
konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, also zur optischen
Datenauslesung aus einem transparenten Mehrschichten-Datenspeicher
mittels Interferenz-Wavelets beschrieben. Es ist hierbei jedoch
notwendig, die entstehenden Interferenz-Wavelets mit einer größeren
Zahl von Photodetektoren oder Pixeln einer lichtdetektierenden Zeile
auszuwerten, um die Information über ein Binärwort
zu bekommen. Dies kann eine sehr schnelle Datenauslesung erschweren.
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In
der Veröffentlichung „Fourier domain optical coherence
tomography with a linear-in-wavenumber spectrometer” von
Z. Hu und A. M. Rollins in Opt. Lett. Vol. 32. No 24, 2007 [10]
wird zur Auswertung der Fourier Domain OCT ein Spektrometer vorgeschlagen,
welches das Messsignal nahezu linear über der Wellenzahl
aufzeichnet. Die Linearisierung wird durch ein speziell geformtes
Prisma erreicht. Jedoch zeigt das Signal des Spektrometers eine
Restabweichung von der Linearisierung. Des Weiteren ist die Auflösung
des Spektrometers durch die Abbildungsoptik begrenzt. Eine Änderung
der abgetasteten Wellenlängen ist nur durch aufwendige
konstruktive Maßnahmen möglich.
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Beschreibung der Erfindung
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Hier
wird der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische
Strahlung vom nahen Infrarot- bis zum tiefen UV-Spektrum verwendet.
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Das
Ziel der Erfindung bei der Anordnung und dem Verfahren zur chromatisch-konfokalen, spektralen
Zweistrahl-Interferometrie (CCSI), also mit chromatischer Tiefenaufspaltung
von Foki im Objektraum, insbesondere zur Objekt-Abstandserfassung
in der mikroskopischen Skala oder zur Mikroprofilmessung oder zur
Schichtdickenerfassung oder zur Optischen Kohärenz-Tomografie
(OCT) oder zur Detektion von kontaminierenden Sub-Lambda-Partikeln
und oder Nanopartikeln sowie Mikrorissen oder zur Verfolgung von Änderungen
in Sub-Lambda-Strukturen auf High-Tech-Oberflächen oder
zur Erfassung von Binärdaten tragenden Mikrobereichen bei
der Auslesung von optischen Volumendatenspeichern besteht darin,
eine sehr hohe Mess- oder Abtastgenauigkeit bei einer hohen Robustheit
und eine hohe Auslesegeschwindigkeit oder eine hohe Auslesezuverlässigkeit
bei hoher Auslesegeschwindigkeit zu erreichen. Dabei sollen die
Einflüsse im Signalrauschen eher von geringem Einfluss
sein.
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Weiterhin
soll der Abstand, auch von lateral bewegten, insbesondere auch technischen
Objekten in der mikroskopischen Skala extrem schnell detektiert
werden können.
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Damit
ist also die erfinderische Aufgabe zu lösen, beim optischen
Antasten der Objektoberfläche in der mikroskopischen Skala
in verschiedenen Tiefen des Objektraumes optische Signale aus diesen Tiefen,
ohne das mechanische Bewegen von Komponenten im Objektraum zu erzeugen
und für die numerische Weiterverarbeitung in bestgeeigneter
Form bereitzustellen. Das heißt, bei der chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometrie besteht die Aufgabe, die optischen
Informationen im Spektralraum, hier Intensitätswerte in
Wavelet-Form, auch als Müllersche Streifen bekannt, durch
das erfindungsgemäße Verfahren sowohl hochgenau
als auch äquidistant im Wellenzahlraum bereitzustellen, um
die bisher übliche Notwendigkeit der Umrechnung dieser
Wavelet-Intensitätswerte, die mit einem dispersiven, in
der Regel einem Single-Shot-Spektrometer im Wellenlängenraum
gewonnen werden, in den Wellenzahlraum zu vermeiden. Bei kooperativen Messobjekten
soll eine Berechnung der Phaseninformation aus diesen äquidistant
im Wellenzahlraum abgetasteten Müllerschen Streifen möglichst
genau erfolgen können.
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Eine
weitere Aufgabe kann dabei zusätzlich darin bestehen, diese äquidistant
im Wellenzahlraum detektierten, periodischen Intensitätswerte
parallelisiert aus vordefinierten Bereichen eines feingerasterten
Sensors, beispielsweise eines hochpixligen CMOS-Sensors, auszulesen
und diese Intensitätswerte im Wellenzahlraum sehr schnell
auf diesem CMOS-Sensor durch „Intelligence an Chip”-Funktionalität
verarbeiten zu können. Das dient beispielsweise dazu, extrem
schnell die Abstandsinformationen von einem bewegten Objektpunkt
in der mikroskopischen Skala zu gewinnen oder das Vorhandensein oder
das Nichtvorhandensein eines lichtstreuenden oder lichtreflektierenden
Mikrobereiches insbesondere im Volumen eines Volumendatenspeichers
schnell bestätigen oder nicht bestätigen zu können,
um Binärdaten zu erzeugen.
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Merkmale vorwiegend zur Anordnung
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Die
Anordnung zur chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie
(CCSI) weist eine Quelle oder eine Vielzahl von Quellen elektromagnetischer
Strahlung auf. In der Anordnung besteht mindestens ein objektabtastendes,
chromatisch-konfokales, spektrales Zweistrahl- Interferometer mit
einem Referenz- und einem Objektstrahlenbündel. Dieses
Interferometer weist zumindest näherungsweise eine Zweistrahl-Charakteristik
auf. Da gegebenenfalls auch noch weitere Reflexionen im System auftreten
können, werden diese in der Regel aber durch die konfokale
Diskriminierung sowie die optische Auslegung des Systems sehr effektiv
eliminiert. In der Anordnung sind Mittel zur mikroskopischen Abbildung
des Objekts oder des Objektraumes auf einen gerasterten Empfänger
elektromagnetischer Strahlung angeordnet, so dass eine Abbildung des
Objekts, des Objektraumes oder wenigstens eines einzigen Objektelements
besteht. Es ist also mindestens eine punktförmige oder
punktförmig gemachte Quelle angeordnet, die als Multiwellenlängen-Quelle
elektromagnetischer Strahlung, also als eine räumlich hochkohärente
Quelle, z. B. ein Weißlichtlaser als Multiwellenlängen-Quelle
ausgebildet ist. Der Weißlichtlaser soll dabei vorzugsweise
fasergekoppelt ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ist
dem objektabtastenden, chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometer
ein Vielstrahl-Interferometer zugeordnet, also vor- oder nachgeordnet.
Dabei sind der Anordnung zur chromatisch-konfokalen, spektralen
Zweistrahl-Interferometrie, also einem objektabtastenden, chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometer, Mittel zur chromatischen Tiefenaufspaltung
im Objektstrahlengang unter Nutzung von Refraktion oder Diffraktion
zugeordnet.
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Zusammenfassung zum Hauptanspruch:
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Zu
1: Anordnung zur chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie
(CCSI), d. h. also mit chromatischer Tiefenaufspaltung im Objektraum,
insbesondere zur Objekt-Abstandserfassung in der mikroskopischen
Skala oder zur Mikroprofilmessung, Schichtdickenerfassung oder zur punktweisen-,
linien- oder flächenhaften Optischen Kohärenz-Tomografie
(OCT) oder zur Detektion von kontaminierenden Nano- und/oder Sub-Lambda-Partikeln
oder zur Verfolgung von Änderungen in Sub-Lambda-Strukturen
auf High-Tech-Oberflächen oder zur Optischen Kohärenz-Mikroskopie
(OCM) oder auch zur Erfassung von lichtreflektierenden oder lichtstreuenden
Mikrobereichen oder auch von durch destruktive Interferenz die elektromagnetische Strahlung
nicht zurückgebenden Mikrobereichen wie beispielsweise
auch Lambda-Viertel-Pits in optischen Volumendatenspeichern mit
mindestens einem objektabtastenden, chromatisch-konfokalen, spektralen
Zweistrahl-Interferometer mit mindestens einer diesem vorgeordneten,
punktförmig gemachten Multiwellenlängen-Quelle
oder einer Vielzahl punktförmig gemachter Multiwellenlängen-Quellen
elektromagnetischer Strahlung und mit einem Referenzstrahlenbündel
und chromatisch aufgespalteten Objektstrahlenbündeln. Es
ist mindestens ein Zweistrahl-Interferometer angeordnet, welches
zumindest näherungsweise eine Zweistrahl-Charakteristik
aufweist, sowie diesem mindestens einen Interferometer sind Mittel
zur Abbildung des Objekts auf einen gerasterten Empfänger
elektromagnetischer Strahlung und Mittel zur Spektralanalyse der
elektromagnetischer Strahlung zugeordnet, so dass eine mikroskopische
Abbildung des Objekts mit Spektralanalyse der elektromagnetischen
Strahlung gegeben ist, wobei erfindungsgemäß dem
mindestens einen spektralen Zweistrahl-Interferometer ein Vielstrahl-Interferometer
im Strahlengang zugeordnet ist, welches diesem vor- oder nachgeordnet
ist. Dabei wird mindestens ein Interferogramm oder ein Teil oder
Teile desselben mittels Spektrometer detektiert und ausgewertet,
wobei zwischen Emission und Detektion der elektromagnetischen Strahlung
eine Filterung derselben mit Wellenzahl-äquidistanter Spektralkamm-Charakteristik
mittels Vielstrahl-Interferenz vorbestimmt durchgeführt
wird, so dass ein oder mehrere Interferogramme oder ein Teil oder
Teile desselben oder derselben eines spektralen Zweistrahl-Interferometers,
also Müllersche Streifen, durch Vielstrahl-Interferenz
mit Kamm-Charakteristik im Spektrum auch unter Einhaltung des Sampling-Theorems
abgetastet werden können.
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Für
die Einhaltung des Sampling-Theorems ist der Spiegelabstand L im
Vielstrahl-Interferometer vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie
der halbe optische Gangunterschied im spektralen Zweistrahl-Interferometer
auszubilden. Soll dagegen das Zweistrahl-Interferogramm vorzugsweise
mittels Schwebung abgetastet werden, ist der Spiegelabstand L im
Vielstrahl-Interferometer etwa gleich dem halben optischen Gangunterschied
im spektralen Zweistrahl-Interferometer auszubilden. Vorzugsweise
können durch Weg-Scannen an einem Spiegel des Vielstrahl-Interferometers
hochgenaue Phaseninformationen gewonnen werden.
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Zu
2: Dabei ist das Spektrometer vorzugsweise als Single-Shot-Spektrometer
ausgebildet. So können auch bewegte Objekte erfasst werden.
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Zu
3: Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometrie das zugeordnete Vielstrahl-Interferometer
mit einem unveränderlichen optischen Gangunterschied, der
ungleich null ist, ausgebildet. Damit ergibt sich im Wavelet eine
von null verschiedene Ortsfrequenz.
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Zu
4: Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometrie das zugeordnete Vielstrahl-Interferometer
mit einem vorbestimmt veränderlichen optischen Gangunterschied,
der vorzugsweise ungleich null ist, ausgebildet. So kann der Abtastkamm im
Spektrum seine Position verschieben, so dass eine Mittelwertbildung
der detektierten Signale durchgeführt werden kann oder
durch die Detektion mehrerer Intensitätsdatensätze
Phasenwerte errechnet werden können, deren Anstieg über
der Wellenzahl die Basis für die Berechnung eines Höhenprofils darstellt.
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Zu
5: Vorzugsweise ist der Anordnung zur chromatisch-konfokalen, spektralen
Zweistrahl-Interferometrie ein Vielstrahl-Interferometer zugeordnet, dem
mehrere objektabtastende, chromatisch-konfokale, spektrale Zweistrahl-Interferometer
nachgeordnet sind. Dabei ist vorzugsweise eine Strahlteilereinrichtung
mit der Teilung der Amplitude oder der Wellenfront zwischen diesem
Vielstrahl-Interferometer und mehreren nachgeordneten objektabtastenden, chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometern angeordnet. Damit können
also vorzugsweise von einem Vielstrahl-Interferometer mehrere objektabtastende,
chromatisch-konfokale, spektrale Zweistrahl-Interferometer gleichzeitig
mit interferierender elektromagnetischer Strahlung versorgt werden,
die an verschiedenen Bereichen eines Objektes oder an mehreren Objekten
eine Objekt-Abstandsmessung oder Profilerfassung gleichzeitig ermöglichen,
wodurch ein sehr hoher Grad an Parallelisierung bei der Abtastung
von Objekten in komplexen Szenen erreicht werden kann.
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Zu
6: Vorzugsweise ist das Vielstrahl-Interferometer in Reflexion oder
Transmission als ein Fabry-Perot-Interferometer oder als ein zyklisches,
also als ein Interferometer mit umlaufendem Strahlengang, mit jeweils
vergleichsweise hoher Finesse ausgebildet. So ist der Abtastkamm
im Spektrum sehr scharf ausgebildet.
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Zu
7: Vorzugsweise erfolgt die Ausbildung des Vielstrahl-Interferometers
als hochgenaues, langzeitstabiles und vorzugsweise auch athermales Etalon.
So sind auch die gewonnenen Intensitätswerte nahezu unveränderlich,
was die Vielstrahl-Interferenz betrifft.
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Mittels
einem mechanisch hochstabilen Vielstrahl-Interferometer entsteht
so in Verbindung mit einer vorgeordneten Kontinuums- oder Quasi-Kontinuums
Multiwellenlängen-Quelle elektromagnetischer Strahlung
am Ausgang durch Vielstrahl-Interferenz eine Intensitätsverteilung
mit einer Frequenzkamm-Charakteristik hoher Wellenzahlgenauigkeit. Dieser
Frequenzkamm kann zur hochgenauen Wellenzahl-Referenzierung genutzt
werden, so dass sich beim Messen die Anforderungen an die Wellenzahlgenauigkeit
des Spektrometers stark verringern, da nur noch die Identifizierung
der einzelnen Spektrallinien des Frequenzkamms mit großer
Eindeutigkeit und hoher Zuverlässigkeit möglich
sein muss. Durch die Anwendung eines mechanisch stabilen oder auch hochgenau
nachregelbaren Fabry-Perot-Interferometers ist bekannterweise elektromagnetische Strahlung,
also die Intensität, in Form eines Frequenzkamms mit hochgenau äquidistanten
Wellenzahlintervallen darstellbar. Dies ist für die erfindungsgemäße
Abtastung eines Intensitäts-Wavelets, das mittels Zweistrahl-Interferometrie
erzeugt wurde, von großem Nutzen.
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Dabei
kann der gerasterte Empfänger als eine CMOS-Zeile mit beispielsweise
10.000 Pixeln ausgebildet sein. Mittels dieser Zeile können
in bestimmten vordefinierten Bereichen derselben Intensitätswerte
in äquidistanten Wellenzahlintervallen Δk erfasst
werden, so dass die Intensitätswerte, die mittels Zweistrahl-Interferometrie
generiert wurden, über der Wellenzahl hochgenau äquidistant
bereitgestellt und in einem Speicher abgelegt werden. Durch die
hardwaremäßige Integration von „Intelligence
an Chip”-Funktionalität auf dieser CMOS-Zeile,
beispielsweise zur Durchführung einer FFT, können
mittels dieser wellenzahläquidistante und parallel detektierte
Intensitätswerte von einem Objektpunkt extrem schnell gewonnen
werden, welche die Abstandsinformation desselben von einer Referenzfläche
enthalten. Diese Anordnung kann insbesondere auch für die
schnelle Erkennung von unerwünschten Nanopartikeln auf
noch unstrukturierten Silizium- oder feinstpolierten Linsenoberflächen
sowie Mikrorissen oder Materialveränderungen auf Metalloberflächen verwendet
werden. Dabei kann die erfindungsgemäße Anordnung
als Multipunkt-Sensor mit vorzugsweise linienförmiger Anordnung
von tiefenaufgespalteten Fokuspunkten im Objektraum und damit linienförmiger
Abtastung des Messobjekts ausgebildet sein und das Messobjekt dabei
in Bewegung sein, vorzugsweise in Rotation.
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Zu
8: Dabei ist das Fabry-Perot-Interferometer als ein vorbestimmt
durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet. So können
nacheinander mehrere Signale detektiert und anschließend gemittelt
werden. Bei Abtastung von Zweistrahl-Interferogrammen hoher Ortsfrequenz
im Spektralraum mittels Vielstrahl-Interferenz kann so auch die
Phasenlage in den gewonnenen Signalen durch das Durchstimmen des
Fabry-Perot-Interferometers verändert werden, um somit
eine Phasenauswertung zur Verbesserung der Genauigkeit betreiben
zu können.
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Zu
9: Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometrie das objektabtastende, chromatisch-konfokale,
spektrale Zweistrahl-Interferometer als ein fasergekoppeltes oder
auch als ein Bildleiter gekoppeltes Interferometer ausgebildet.
Dies ist für eine endoskopische Applikation aufgrund der
Miniaturisierung und Robustheit der Anordnung von Vorteil.
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Zu
10: Dem Bildleiter sind vorzugsweise konfokal-diskriminierende Mittel
am proximalen Ende des Bildleiters angeordnet. So kann die notwendige konfokale
Diskriminierung extern durchgeführt werden.
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Zu
11: Vorzugsweise sind bei der Anordnung zur chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometrie die Mittel zur chromatischen
Tiefenaufspaltung der Foki im Objektstrahlengang als ein elektronisch
steuerbares, diffraktiv-optisches Element (DOE) ausgebildet, in
Form eines Phase-mostly-LCDs oder eines Phase-mostly-Mikrospiegel-Arrays.
So ist es möglich, die Brechkraft des diffraktiv-optischen
Elementes vorbestimmt zu steuern, um verschiedene Tiefen des Objektraumes
zu adressieren oder eine Signalmittelung durchführen zu
können.
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Zu
12: Vorzugsweise werden bei der Anordnung zur chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometrie ein Bündel in der
nullten Beugungsordnung als interferometrische Referenz (R_0) und
Bündel in der ersten Beugungsordnung (O_1λ) in einem
Spektralbereich Δλ für die Objektantastung genutzt.
Bei vorbestimmter Variation der Brechkraft des diffraktiv-optischen
Elements können mehrere Datensätze gewonnen werden,
um bei weniger kooperativen Oberflächen durch Mittelwertbildung
den Einfluss des Specklings gegebenenfalls reduzieren zu können.
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Zu
13: Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometrie das Phase-mostly-Array als strahldivergierendes
diffraktiv-optisches Element ausgebildet. So ist es möglich,
den Referenzstrahl in der nullten Beugungsordnung stärker
fokussiert zu halten, so dass eine interne Fläche des optischen Systems
den Referenzspiegel bilden kann und Objektstrahlenbündel
das optische System verlassen können, um eine Fokussierung
im Objektraum – also in der Regel außerhalb des
höherbrechenden Körpers des optischen Systems – zu
erfahren.
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Zu
14: Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur chromatisch-konfokalen,
spektralen Zweistrahl-Interferometrie das Zweistrahl-Interferometer als
entweder klassisches mit diskreten optischen Komponenten oder als
fasergekoppeltes Michelsontyp-Interferometer mit vorzugsweise zumindest
näherungsweise verlustfreier Strahlteilung und Strahlvereinigung
ausgebildet, bei welchem beide Interferometerausgänge gleichzeitig
benutzt werden, also die interferierenden Intensitäten
beider Ausgänge vorzugsweise einer synchronen spektralen
Single-Shot-Analyse zugeführt werden, so dass unter Nutzung
der Gegenphasigkeit der beiden Intensitätssignale deren
Gleichanteil eliminiert werden kann. Das verbessert in der Regel
das Signal-Rauschverhältnis und somit auch die Genauigkeit
der Messergebnisse, beispielsweise bei der Profilmessung.
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1. Nebenanspruch zur Anordnung:
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zu
15: Für die optische Datenspeicherung mittels Volumendatenspeicher
wird weiterhin erfindungsgemäß Folgendes vorgeschlagen:
Eine Anordnung zur chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie
(CCSI), d. h. also mit chromatischer Tiefenaufspaltung in einem
Volumendatenspeicher, zur Erfassung von lichtreflektierenden oder lichtstreuenden
Mikrobereichen oder auch die elektromagnetische Strahlung nicht
zurückgebenden Mikrobereichen in optischen Volumendatenspeichern mit
mindestens einem, den Volumendatenspeicher zwecks Datenauslesung
abtastenden, chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometer
mit einem Referenzstrahlenbündel und einem Objektstrahlenbündel
für die optische Abtastung des Volumendatenspeichers und
mit mindestens einer diesem vorgeordneten, punktförmig
gemachten Multiwellenlängen-Quelle oder einer Vielzahl
punktförmig gemachter Multiwellenlängen-Quellen
elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich Δλ Es ist
also mindestens ein Zweistrahl-Interferometer angeordnet, wobei
diesem Mittel zur Abbildung des Volumendatenspeicherinhalts auf
einen gerasterten Empfänger elektromagnetischer Strahlung
und Mittel zur Spektralanalyse der elektromagnetischen Strahlung
zugeordnet sind, so dass eine mikroskopische Abbildung des Volumendatenspeicherinhalts
mit konfokaler Diskriminierung und Spektralanalyse der elektromagnetischen
Strahlung gegeben ist, wobei erfindungsgemäß dem
mindestens einen spektralen Zweistrahl-Interferometer ein Vielstrahl-Interferometer
im Strahlengang zugeordnet ist, welches diesem vor- oder nachgeordnet
ist, und dabei mindestens ein Interferogramm oder ein Teil oder
Teile desselben mittels Spektrometer detektiert und ausgewertet wird,
wobei zwischen Emission und Detektion der elektromagnetischen Strahlung
eine Filterung derselben mit Wellenzahl-äquidistanter Spektralkamm-Charakteristik
mittels Vielstrahl-Interferenz vorbestimmt durchgeführt
wird, so dass ein oder mehrere Interferogramme oder ein Teil oder
Teile desselben oder derselben eines spektralen Zweistrahl-Interferometers
durch Vielstrahl-Interferenz mit Kamm-Charakteristik im Spektrum
abgetastet werden können. Es ist dabei der optische Volumendatenspeicher
mit einem Schichtensystem in Form eines Schichtenstapels in einem
transparenten Medium ausgebildet. Die Schichten sind vorzugsweise
durch reflektierende Mikrobereiche ausgebildet, zwischen denen sich
Licht hindurchlassende Zwischenräume befinden, um das Licht
auch auf tiefer liegende Schichten des Schichtenstapels gelangen
zu lassen. Das Vielstrahl-Interferometer ist hierbei vorzugsweise
als Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet. Es ist mit einer so
geringen Länge L, also dem Abstand L der hochreflektierenden
Spiegel, ausgebildet, vorzugsweise mit einer Länge L unter
einem Millimeter, dass der Frequenzabstand oder der Wellenzahlabstand
der einzelnen Intensitätsmaxima im Kammspektrum des Vielstrahl-Interferometers,
das am Ausgang des Vielstrahl-Interferometers entsteht, somit vergleichsweise
groß ist. So ist erfindungsgemäß genau je
ein Intensitätsmaximum i seines Kammspektrums auf genau
je eine einzelne Daten tragende Schicht i im transparenten Medium
des optischen Volumendatenspeichers zumindest näherungsweise
scharf fokussiert. Dabei ist im Strahlengang vor dem optischen Datenspeicher
durch ein diffraktiv-optisches Element die chromatische Tiefenaufspaltung,
vorzugsweise durch Beugung in der ersten Beugungsordnung, so durchgeführt,
dass erfindungsgemäß die einzelnen Foki unterschiedlicher
Wellenlänge in der Tiefe mit einem Abstand jeweils, entsprechend
dem zugehörigen Schichtabstand im transparenten Medium
des optischen Datenspeichers, separiert sind. Dabei kann der Schichtabstand
von Schicht zu Schicht auch etwas unterschiedlich ausgebildet sein. Der
Frequenzabstand der Intensitätsmaxima des Vielstrahl-Interferometers
liegt dabei auf der Frequenzachse der elektromagnetischen Strahlung
im mehrstelligen GHz-Bereich. Das Referenzbündel, das in
der nullten Ordnung mittels eines diffraktiv-optisches Elements
ausgebildet wird, erfährt jedoch keine chromatische Tiefenaufspaltung,
ist also streng achromatisch.
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Zu
16: Erfindungsgemäß ist im transparenten Medium
des optischen Volumendatenspeichers dem Schichtenstapel eine einzige
Referenzschicht zugeordnet. So werden dabei vom Referenzbündel alle
Spektralanteile des Kammspektrums mindestens auf eine Referenzschicht
am oder im transparenten Volumendatenträger fokussiert.
Diese Referenzschicht befindet sich dabei vorzugsweise oberhalb des
auszulesenden Schichtenstapels, jedoch ebenfalls im Volumen des
transparenten Datenträgers wie auch die anderen Daten tragenden
Schichten. Dabei ist das Schichtsystem im Datenträger hochgenau
so ausgebildet, dass zwischen dem Referenzbündel und einem
zugehörigen Intensitätsanteil der tiefenaufgespalteten
Bündel der ersten Ordnung vorzugsweise entweder zumindest
näherungsweise konstruktive oder destruktive Interferenz
besteht, d. h. der optische Gangunterschied zwischen der Referenzschicht
und den einzelnen Daten tragenden Schichten ist bei Nutzung elektromagnetischer
Strahlung im VIS-, im UV- oder im nahen IR-Bereich auf wenige Nanometer
bis auf wenige 10 nm toleriert, um permanent, also auf Gebrauchszeit
des Datenträgers ausgelegt, eine konstruktive oder eine
destruktive Interferenz entstehen zu lassen. Diese Interferenzerscheinung
wird nach Abbildung auf die sensitiven Elemente eines Spektrometers
registriert, wobei bei der Abbildung auch eine konfokale Diskriminierung der
Lichtbündel erfolgt, so dass unterschiedliche Spektralanteile
mittels unterschiedlicher sensitiver Elemente, also Strahlungsdetektoren,
erfasst werden können. Dabei wird vorzugsweise für
jeden Mikrobereich, der zu einer konstruktiven oder einer destruktiven
Interferenz führt, die Detektion mit genau einem Detektorelement
durchgeführt.
-
Zum
Prinzip der Signalentstehung: 1. Wenn nur die Referenzschicht vom
Referenzbündel der Wellenlänge λi optisch
erfasst wird, d. h. ein entsprechendes, die Datenschichten abtastendes,
tiefenaufgespaltetes Bündel bei der Wellenlänge λi
findet in der zugehörigen Daten tragenden Schicht zu einem bestimmten
Zeitpunkt keinen reflektierenden Mikrobereich vor, entsteht bei
der Detektion des Lichtes der Wellenlänge λi eine
mittlere Intensität und zwar nur von Licht der Wellenlänge λi
des Bündels der nullten Beugungsordnung, also des Referenbündels, nach
der Reflexion an der Referenzschicht, die erfindungsgemäß teilreflektierend
ausgebildet ist. Wird jedoch ein reflektierender Bereich einer Daten
tragenden Schicht optisch von einem Bündel der Wellenlänge λi
in der ersten Beugungsordnung angetastet, entsteht entweder vorzugsweise
konstruktive oder vorzugsweise eine destruktive Interferenz und
das zugehörige sensitive Element des Spektrometers registriert
bei Antasten des reflektierenden Bereiches der Daten tragenden Schicht
also eine deutlich von der mittlere Intensität verschiedene
Intensität bei der Wellenlänge λi. Diese
Abweichung von der mittleren Intensität bei der Wellenlänge λi
kann in eine logische „0” oder ein logisches „” kodiert
werden.
-
2. Nebenanspruch zur Anordnung:
-
Zu
17: Anordnung zur konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie,
insbesondere zur Objekt-Abstandserfassung in der mikroskopischen
Skala oder zur Mikroprofilmessung, Schichtdickenerfassung oder zur
punktweisen-, linien- oder flächenhaften Optischen Kohärenz-Tomografie
(OCT) oder zur Detektion von kontaminierenden Nano- und Sublambdapartikeln
oder zur Verfolgung von Änderungen in Sublambda-Strukturen
auf High-Tech-Oberflächen oder zur Optischen Kohärenz-Mikroskopie (OCM)
oder auch zur Erfassung von lichtreflektierenden oder lichtstreuenden
Mikrobereichen oder die elektromagnetische Strahlung nicht zurückgebenden Mikrobereichen
in optischen Volumendatenspeichern mit mindestens einem objektabtastenden,
konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometer mit mindestens
einer diesem vorgeordneten, punktförmig gemachten Multiwellenlängen-Quelle
oder einer Vielzahl punktförmig gemachter Multiwellenlängen-Quellen
elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich Δλ und
mit einem Referenzstrahlenbündel und einem Objektstrahlenbündel
oder mit mindestens einem objektabtastenden, konfokalen Zweistrahl-Interferometer
mit mindestens einer diesem vorgeordneten, punktförmig
gemachten durchstimmbaren Quelle oder einer Vielzahl punktförmig
gemachter durchstimmbarer Quellen elektromagnetischer Strahlung
in einem Spektralbereich Δλ und mit einem Referenzstrahlenbündel
und einem Objektstrahlenbündel. Es ist also mindestens
ein objektabtastendes, konfokales Zweistrahl-Interferometer angeordnet,
welches zumindest näherungsweise eine Zweistrahl-Charakteristik
aufweist. Außerdem sind diesem mindestens einen Interferometer
mit Zweistrahl-Charakteristik geeignete Mittel zur Abbildung des
Objekts auf einen gerasterten Empfänger elektromagnetischer
Strahlung und Mittel zur Spektralanalyse der elektromagnetischen
Strahlung oder Mittel zum Wellenlängen-Durchstimmen der
Quelle oder der Quellen elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich Δλ zugeordnet,
so dass eine mikroskopische Abbildung des Objekts der elektromagnetischen Strahlung
gegeben ist, wobei erfindungsgemäß dem mindestens
einen objektabtastenden, konfokalen Zweistrahl-Interferometer ein
Vielstrahl-Interferometer im Strahlengang zugeordnet ist, welches
diesem vor- oder nachgeordnet ist, und dabei mindestens ein Interferogramm
mit einem Empfänger elektromagnetischer Strahlung detektiert
und ausgewertet wird, wobei zwischen Emission und Detektion der
elektromagnetischen Strahlung eine Filterung derselben mit Wellenzahl-äquidistanter
Spektralkamm-Charakteristik mittels Vielstrahl-Interferenz vorbestimmt durchgeführt
wird, so dass Interferogramme mindestens eines objektabtastenden,
konfokalen Zweistrahl-Interferometers durch Vielstrahl-Interferenz
mit Kamm-Charakteristik im Spektrum auch unter Einhaltung des Sampling-Theorems
abgetastet werden können. Für die Einhaltung des
Sampling-Theorems ist der Spiegelabstand L im Vielstrahl-Interferometer vorzugsweise
mindestens doppelt so groß wie der halbe optische Gangunterschied
im spektralen Zweistrahl-Interferometer zu machen. Soll dagegen
das Zweistrahl-Interferogramm mittels Schwebung abgetastet werden,
ist der Spiegelabstand L im Vielstrahl-Interferometer vorzugsweise
etwa gleich dem halben optischen Gangunterschied im spektralen Zweistrahl-Interferometer
zu machen. Vorzugsweise können durch Weg-Scannen an einem
Spiegel des Vielstrahl-Interferometers hochgenaue Phaseninformationen
durch Auswertung von Intensitätswerten unterschiedlicher
Phasenlagen gewonnen werden.
-
Merkmale vorwiegend zum Verfahren
-
Zu
18: Verfahren zur chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie
(CCSI), d. h. also mit chromatischer Tiefenaufspaltung im Objektraum,
insbesondere zur Objekt-Abstandserfassung in der mikroskopischen
Skala oder zur Mikroprofilmessung, zur Schichtdickenerfassung oder
zur punktweisen-, linien- oder flächenhaften Optischen Kohärenz-Tomografie
(OCT) oder zur Detektion von kontaminierenden Nano- und Sublambdapartikeln oder
zur Verfolgung von Änderungen in Sublambda-Strukturen auf
High-Tech-Oberflächen oder zur Optischen Kohärenz-Mikroskopie
(OCM) oder auch zur Erfassung von lichtreflektierenden oder lichtstreuenden
Mikrobereichen oder die elektromagnetische Strahlung nicht zurückgebenden
Mikrobereichen in optischen Volumendatenspeichern mit mindestens
einem objektabtastenden, chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometer,
welches zumindest näherungsweise eine Zweistrahl-Charakteristik
aufweist, da im System zwischen Referenzfläche und Oberfläche
des Objekts gegebenenfalls auch noch weitere Reflexionen auftreten können,
welche aber durch die konfokale Diskriminierung sehr effektiv eliminiert
werden, und mit mindestens einer diesem vorgeordneten und punktförmig
gemachten Multiwellenlängen-Quelle oder einer Vielzahl
punktförmig gemachter Multiwellenlängen-Quellen
elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich Δλ und
mit einem Referenzstrahlenbündel und chromatisch aufgespalteten
Objektstrahlenbündeln oder mit mindestens einem objektabtastenden,
konfokalen Zweistrahl-Interferometer mit mindestens einer diesem
vorgeordneten, punktförmig gemachten durchstimmbaren Quelle
oder einer Vielzahl punktförmig gemachter durchstimmbarer Quellen
elektromagnetischer Strahlung und mit einem Referenzstrahlenbündel
und chromatisch aufgespalteten Objektstrahlenbündeln und
das Zweistrahl-Interferometer einen optischen Gangunterschied vorzugsweise
ungleich null aufweist und Mittel zur Abbildung des Objekts auf
einen gerasterten Empfänger elektromagnetischer Strahlung
und Mittel zur Spektralanalyse der elektromagnetischer Strahlung
angeordnet sind, so dass eine mikroskopische Abbildung des Objekts
oder con Objektpunkten mit Spektralanalyse der elektromagnetischen
Strahlung gegeben ist, wobei erfindungsgemäß zwischen Emission
der elektromagnetischen Strahlung und vor der Detektion derselben
die elektromagnetische Strahlung zur Vielstrahl-Interferenz gebracht
wird und somit eine Filterung oder Abtastung derselben mit Wellenzahl-äquidistanter
Spektralkamm-Charakteristik mittels dieser Vielstrahl-Interferenz
vorbestimmt durchgeführt wird. So können bei Bedarf
Interferogramme eines Zweistrahl-Interferometers mit Kamm-Charakteristik
mit Spektrometer oder bei Bedarf auch mit spektral durchstimmbarer
Quelle elektromagnetischen Strahlung auch jeweils unter Einhaltung
des Sampling-Theorems abgetastet werden. In diesen abgetasteten
Signalen befindet sich die Information über den Abstand
eines Objektpunktes oder das Vorhandensein eines lichtreflektierenden oder
lichtstreuenden Mikrobereiches oder eines die elektromagnetische
Strahlung nicht zurückgebenden Mikrobereiches in einem
optischen Volumenspeicher. Selbst sehr kleine Veränderungen
einer Oberfläche, beispielsweise eine Silizium-Oberfläche,
welche durch Nanopartikel kontaminiert ist, können mittels
kleiner Veränderungen gegenüber einem gespeicherten
Referenzsignal im abgetasteten Signalen erfasst werden.
-
Zu
19: Für die Einhaltung des Sampling-Theorems ist der Spiegelabstand
L im Vielstrahl-Interferometer vorzugsweise zumindest näherungsweise doppelt
so groß wie der halbe optische Gangunterschied im spektralen
Zweistrahl-Interferometer zu machen.
-
Zu
20: Soll dagegen das Zweistrahl-Interferogramm mittels Schwebung
abgetastet werden, ist der Spiegelabstand L im Vielstrahl-Interferometer vorzugsweise
zumindest näherungsweise gleich dem halben optischen Gangunterschied
im spektralen Zweistrahl-Interferometer zu machen.
-
Zu
21: Wenn also der Spiegelabstand L im Vielstrahl-Interferometer
vorzugsweise etwa gleich dem halben optischen Gangunterschied im
spektralen Zweistrahl-Interferometer gemacht ist und somit Schwebung
zwischen dem Vielstrahl- und dem Zweistrahl-Interferogramm auftritt,
kann durch feines sukzessives Verändern des optischen Gangunterschiedes
um das doppelte Weginkrement ΔL im Vielstrahl-Interferometer,
also durch einen Weg-Scan, eine Phasenschiebung in den detektierten
Intensitätssignalen durchgeführt werden, so dass
sich für jedes Intensitätsmaximum in einem Wellenzahlintervall Δk
eine Phasenvariation durch den Weg-Scan ergibt.
-
Zu
22: Der Weg-Scan ΔL an einem Spiegel im Vielstrahl-Interferometer
kann vorzugsweise durch die Wahl der Größe des
Weginkrements ΔL so durchgeführt werden, dass
im Mittel die Phasenänderung Δφ in den
Intensitätssignalen vorzugsweise zwischen 0,1 π und
1.9 π liegt, jedoch zumindest näherungsweise äquidistant
ist, und beispielsweise auch um π/2 beträgt. So
können beispielsweise an jeder Stelle im detektierten Wellenzahlbereich
nacheinander vier Intensitätswerte aufgenommen werden,
die dann beispielsweise mit dem Carré-Algorithmus zu einem
Phasenwert pro Stelle im Spektrum verrechnet werden. So kann über
der Wellenzahlachse k die Phasenänderung hochgenau bestimmt
werden, aus welcher der Abstand des Objekts von einer Referenzposition
hochgenau, also im Nano- und Subnanometerbereich bestimmt werden
kann. Die Referenzposition ist |L| – |z|, wobei L der Spiegelabstand
im Vielstrahl-Interferometer und z der Abstand des Objektes von
der Position optischer Gangunterschied null ist. Dieser Ansatz ist
insbesondere für die hochgenaue linienhafte Abtastung des
Höhenprofils eines bewegten Objekts von großem
Vorteil, wenn die Zugänglichkeit zum Objekt räumlich
sehr begrenzt ist.
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1. Nebenanspruch zum Verfahren
-
Zu
23: Weiterhin wird für die optische Datenauslesung aus
einem optischen transparenten Volumendatenspeicher Folgendes vorgeschlagen:
Ein Verfahren zur chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie
(CCSI), d. h. also mit chromatischer Tiefenaufspaltung in einem
Volumendatenspeicher, zur Erfassung von lichtreflektierenden oder
lichtstreuenden Mikrobereichen oder die elektromagnetische Strahlung
nicht zurückgebenden Mikrobereichen in optischen Volumendatenspeichern mit
mindestens einem den optischen Datenspeicher mittels Objektarm abtastenden,
chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometer, welches zumindest
näherungsweise eine Zweistrahl-Charakteristik aufweist
und mit mindestens einer diesem vorgeordneten und punktförmig
gemachten Multiwellenlängen-Quelle elektromagnetischer
Strahlung und das Zweistrahl-Interferometer in einem Spektralbereich Δλ mit
einem Referenzstrahlenbündel und chromatisch aufgespalteten
Objektstrahlenbündeln vorzugsweise einen optischen Gangunterschied
ungleich null aufweist und Mittel zur Abbildung des Volumendatenspeicherinhalts
auf einen gerasterten Empfänger elektromagnetischer Strahlung
und Mittel zur Spektralanalyse der elektromagnetischer Strahlung
angeordnet sind, so dass eine mikroskopische Abbildung des Volumendatenspeicherinhalts
mit Spektralanalyse der elektromagnetischen Strahlung durchgeführt
wird, wobei erfindungsgemäß zwischen Emission
der elektromagnetischen Strahlung und vor der Detektion derselben
die elektromagnetische Strahlung zur Vielstrahl-Interferenz gebracht
wird und eine Filterung oder Abtastung derselben mit Wellenzahl-äquidistanter
Spektralkamm-Charakteristik mittels Vielstrahl-Interferenz vorbestimmt
durchgeführt wird. Das Vielstrahl-Interferometer, vorzugsweise
ein Fabry-Perot-Interferometer, ist dabei vorzugsweise mit einer
so geringen Länge L, also dem Abstand L der hochreflektierenden
Spiegel, ausgebildet – vorzugsweise mit einer Länge
L unter einem Millimeter, dass der Frequenzabstand oder der Wellenzahlabstand
der einzelnen Intensitätsmaxima im Kammspektrum des Vielstrahl-Interferometers,
das am Ausgang des Vielstrahl-Interferometers entsteht, vergleichsweise
groß ist. So ist genau je ein Intensitätsmaximum
des Kammspektrums des dem Zweistrahl-Interferometer zugeordneten
Vielstrahl-Interferometers bei der Wellenlänge λi
auf genau je eine einzelne, Daten tragende Schicht i im transparenten Medium
des optischen Volumendatenspeichers zumindest näherungsweise
scharf fokussiert.
-
Zu
24: Dabei ist vorzugsweise der spektrale Bereich um die Intensitätsmaxima
des Kammspektrums im Spektralraum herum, also die spektrale Halbwertsbreite
der Intensitätsverteilung mit lokalem Maxima, jeweils so
gewählt, dass bei dem optischen Gangunterschied zwischen
der Referenzschicht des transparenten Datenträgers und
einer Daten tragenden Schicht diese spektrale Halbwertsbreite durch eine
interferenzbedingte Intensitätsmodulation über der
spektralen Achse mindestens eine Phasenveränderung von
90° aufweist, besser jedoch um 180° bis 360°.
Dies kann durch ein Fabry-Perot-Interferometer, mit vorzugsweise
mittlerer Finesse in Verbindung mit dem Zweistrahl-Interferometer
erreicht werden.
-
Zu
25: So kann durch Detektion mittels mehrerer, lateral angeordneter
Detektoren elektromagnetischer Strahlung, wie einzelne, sehr schnelle
Photodioden oder ausgewählte einzelne Pixel einer lichtsensitiven
CMOS-Zeile, der Modulationsgrad der Interferenzintensität
für jede Schicht in jeder Abtastposition rechnerisch bestimmt
und für die Datenverarbeitung zur Verfügung gestellt
werden. Vorzugsweise können dabei drei oder vier Abtastpunkte
auf der Spektralachse für die rechnerische Bestimmung des Modulationsgrades
der Müllerschen Streifen angeordnet sein. D. h. beim Auftreten
einer merklichen Modulation der Interferenz wird ein logisches „L” und bei
Auftreten keiner oder sehr schwacher Modulation wird eine logische „0” als
Ergebnis der rechnerischen Bestimmung des Modulationsgrades ermittelt.
Beispielsweise kann am Ausgang des Fabry-Perot-Interferometers der
Modenabstand im sichtbaren Spektralbereich, also der Abstand der
einzelnen Intensitätsmaxima, in der Frequenz 5 THz bis
10 THz betragen. So können z. B. 16 Datenschichten übereinander
im transparenten Medium untergebracht sein. Dies kann durch einen
Wellenlängenbereich von ca. 80 nm auf der Spektralachse
abgedeckt werden, d. h., den 16 Datenschichten ist ein Spektralbereich
von 80 nm zugeordnet. Der Vorteil hierbei ist, dass obwohl bei thermischen Änderungen
der Dicke oder des Brechungsindexes des optischen Datenträgers der
optische Gangunterschied und somit auch die Phase der Interferenz
bei der Detektion sich ändern, jedoch der Betrag des Modulationsgrades
der Interferenzerscheinung davon praktisch unbeeinflusst bleibt.
Die Bereitstellung des Modulationsgrades durch numerische Berechnungen
stellt somit eine sehr robuste Methode dar, das Vorhandensein eines reflektierenden
oder lichtstreuenden Mikrobereiches sehr zuverlässig zu
detektieren. So kann einem vergleichsweise großen Wert
des Modulationsgrades von beispielsweise 0,8 der logische Wert „L” zugeordnet
werden. Fehlt ein Mikrobereich bei der optischen Abtastung einer
Schicht des Schichtenstapels zu einem Zeitpunkt, ist die Modulation
im Spektralbereich hier sehr gering, also unter 0,1. so dass zweifelsfrei
der der logische Wert „0” zugeordnet werden kann.
Durch den Einsatz eines Vielstrahl-Interferometers im optischen
Abtastsystem wird das im Schichtensystem eines Volumendatenspeichers stets
auch vagabundierende Licht merklich reduziert, da die Foki zumindest
näherungsweise stets in der Nähe der Schichten
ausgebildet werden können.
-
2. Nebenanspruch zum Verfahren
-
Zu
26: Verfahren zur konfokalen Zweistrahl-Interferometrie, insbesondere
zur Objekt-Abstandserfassung in der mikroskopischen Skala oder zur
Mikroprofilmessung, zur Schichtdickenerfassung oder zur punktweisen-,
linien- oder flächenhaften Optischen Kohärenz-Tomografie
(OCT) oder zur Detektion von kontaminierenden Nano- und Sublambdapartikeln
oder zur Verfolgung von Änderungen in Sublambda-Strukturen
auf High-Tech-Oberflächen oder zur Optischen Kohärenz-Mikroskopie
(OCM) oder auch zur Erfassung von reflektierenden oder streuenden
Mikrobereichen oder die elektromagnetische Strahlung nicht zurückgebenden
Mikrobereichen in optischen Volumendatenspeichern mit mindestens einem
objektabtastenden, konfokalen Zweistrahl-Interferometer, welches
zumindest näherungsweise eine Zweistrahl-Charakteristik
auf weist, da im System zwischen Referenzfläche und Oberfläche
des Objekts gegebenenfalls auch noch weitere Reflexionen auftreten
können, welche aber durch die konfokale Diskriminierung
sehr effektiv eliminiert werden, und mit mindestens einer diesem
vorgeordneten und punktförmig gemachten Multiwellenlängen-Quelle oder
einer Vielzahl punktförmig gemachter Multiwellenlängen-Quellen
elektromagnetischer Strahlung und einem Spektrometer und mit einem
Referenzstrahlenbündel und einem Objektstrahlenbündel
oder mit mindestens einem objektabtastenden, konfokalen Zweistrahl-Interferometer
mit mindestens einer diesem vorgeordneten, punktförmig
gemachten durchstimmbaren Quelle oder einer Vielzahl punktförmig
gemachter, durchstimmbarer Quellen elektromagnetischer Strahlung
und mit einem Referenzstrahlenbündel und einem Objektstrahlenbündel
und das Zweistrahl-Interferometer vorzugsweise einen optischen Gangunterschied
ungleich null aufweist, und Mittel zur Abbildung des Objekts auf
einen gerasterten Empfänger elektromagnetischer Strahlung
und Mittel zur Spektralanalyse der elektromagnetischer Strahlung
angeordnet sind, so dass eine mikroskopische Abbildung des Objekts
mit Spektralanalyse der elektromagnetischen Strahlung gegeben ist,
wobei erfindungsgemäß zwischen Emission der elektromagnetischen
Strahlung und vor der Detektion derselben die elektromagnetische
Strahlung zur Vielstrahl-Interferenz gebracht wird und somit eine
Filterung oder Abtastung derselben mit Wellenzahl-äquidistanter
Spektralkamm-Charakteristik mittels dieser Vielstrahl-Interferenz
vorbestimmt durchgeführt wird. So können bei Bedarf
Interferogramme eines Zweistrahl-Interferometers mit Kamm-Charakteristik
auch unter Einhaltung des Sampling-Theorems abgetastet werden. In
diesen abgetasteten Signalen befindet sich die Information über
den Abstand eines Objektpunktes. Selbst sehr kleine Veränderungen
einer Oberfläche, beispielsweise eine Silizium-Oberfläche, welche
durch Nanopartikel kontaminiert ist, können mittels kleiner
Veränderungen gegenüber einem Referenzsignal im
abgetasteten Signalen erfasst werden.
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Beschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird beispielhaft anhand der 1 bis 9 beschrieben.
-
Dabei
wird hier der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische
Strahlung vom nahen Infrarot- bis zum tiefen UV-Spektrum verwendet.
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Die 1 zeigt
den Abstandssensor auf der Basis eines chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometers
mit vorgeschaltetem Vielstrahl-Interferometer. Das Licht von einer
lichtstarken, fasergekoppelten Superlumineszenzdiode 1 im nahen
Infrarotbereich wird mittels Fokussieroptik 2 in eine Singlemode-Faser 3 eingekoppelt,
tritt aus dieser am Ausgang 4 wieder aus, wird durch ein
Objektiv 5 kollimiert und gelangt in ein Fabry-Perot-Interferometer 6,
hier als Fabry-Perot-Interferometer 6 mit dem Spiegelabstand
L und der Brechzahl nFP ausgebildet. Dieses Fabry-Perot-Etalon weist
zwei hochverspiegelte teildurchlässige Spiegel 7 und 8 auf,
so dass Vielstrahl-Interferenz hoher Finesse am Ausgang des Fabry-Perot-Interferometers 6 besteht.
So wird aus dem eingehenden Kontinuumsspektrum der Superlumineszenzdiode 1 ein
Vielstrahl-Interferenz-Spektrum mit Frequenzkamm-Charakteristik
erzeugt. Die transmittierten, schmalbandigen Spektralanteile, also
mit einer Linienform, bilden dabei im Wellenzahlraum, dem k-Raum,
einen Kamm mit äquidistanten Abständen Δk.
Die Abstände der Maxima der transmittierten, schmalbandigen
Intensitäten weisen dabei wegen der Vielstrahl-Interferenz
hochgenau stets die gleiche Wellenzahldifferenz Δk auf. Das
Licht, welches das Fabry-Perot-Interferometer 6 mit Spektralkamm-Charakteristik
verlässt, wird mittels Fokuslinse 9 in die Faser 10 eingekoppelt,
passiert einen X-Koppler 11 geradeaus und gelangt in eine
GRIN-Linse 12, wo im Ergebnis ein kollimiertes Bündel
den Ausgang derselben verlässt und auf eine diffraktive
Zonenlinse 13a mit lichtzerstreuender Wirkung gelangt,
welche als Phasengitter ausgebildet ist. Hier entstehen ein Bündel
in der nullten Ordnung, welches als Referenzbündel R_0
fungiert, und ein Bündelspektrum in der ersten Ordnung
O_1λ, wobei diese Bündel chromatisch-tiefenaufgespaltete,
diskretisierte Objektbündel darstellen, welche nach Fokussierung
mittels GRIN-Linse 14 und Mikrolinse 15 unterschiedliche
Tiefenlagen der Foki im Objektraum bilden, so dass über
der Wellenlänge λ eine diskretisierte Fokuskette 18 gebildet
wird, jedoch nur an den Stellen im Spektrum, wo Transmission durch
die Transmissionsmaxima des Kammspektrums des Fabry-Perot-Interferometers 6 besteht,
so dass vereinzelte Foki gebildet sind. Das Referenzbündel
R_0 wird mittig auf die Frontfläche 16 der Mikrolinse 15 scharf
fokussiert, wobei diese Frontfläche 16 gleichzeitig
auch die Referenzfläche im Zweistrahl-Interferometer darstellt,
wo sich eine Strahlteilerschicht 17 befindet. Das Referenzbündel
R_0 wird in den Abstandssensor bis zur GRIN-Linse 12 zurückreflektiert.
Die Bündel des Bündelspektrums O_1λ gelangen
dagegen in den Objektraum, wo sich auch das Objekt 19 befindet,
welches genau oder zumindest näherungsweise von einem der
Fokus der Fokuskette 18 getroffen wird. Das von der Oberfläche
des Objekts 19 zurückgestreute Licht aller Bündel
des Bündelspektrums O_1λ gelangt über
die Mikrolinse 15, die GRIN-Linse 14 und anschließend über
die GRIN-Linse 12 wieder bis auf die diffraktive Zonenlinse 13a.
Dort entstehen an der diffraktiven Struktur aus dem Referenzbündel
R_0 durch Lichtbeugung in der nullten Beugungsordnung nun das Referenzbündel
R_0_0 und aus den Objektbündeln O_1λ durch Lichtbeugung
in der ersten Beugungsordnung nun die Objektbündel O_1λ_1.
Sowohl das Referenzbündel R_0_0 als auch die diskretisierten
Objektbündel O_1λ_1 erfahren an der Single-Mode-Faser 10 eine konfokale
Diskriminierung, so dass in der Single-Mode-Faser 10 nun
die Intensitäten IR_0_0 cd und IO_1λ_1 cd entstehen,
wobei von den Objektbündeln O_1λ_1 nur die zumindest
näherungsweise scharf fokussierten Objektbündel,
also die mit der Wellenlänge λ zumindest näherungsweise
scharf auf die Oberfläche des Objekts 19 abgebildeten
und damit hier durch die Auslegung der optischen Anordnung auch
scharf auf das Ende der Faser 10 abgebildeten, in die Single-Mode-Faser 10 eintreten
können. Die Auskopplung des Lichts aus der Faser 10 in
die Faser 20 erfolgt über den X-Koppler 11 und
nach Austritt aus der Faser 20 gelangen die miteinander
interferierenden Bündel R_0_0 cd und O_1λ_1 cd
in ein Single-Shot-Spektrometer, welches ein Beugungsgitter 21 sowie
eine schnelle CMOS-Zeilenkamera 22 enthält. Um
das Abtasttheorem bei der Abtastung des Wavelets einzuhalten, ist
im System L > 2z einzuhalten.
Um eine Abtastung mittels Schwebung zu ermöglichen, ist
L näherungsweise gleich z zu wählen, wobei z dem
Objektabstand von der Frontfläche 16 und hier
dem halben optischen Gangunterschied bei der Zweistrahl-Interferenz
entspricht.
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Die 2,
Grafik a, stellt das auf der schnellen CMOS-Zeilenkamera 22 in
der Theorie von einer kooperativen Objektoberfläche entstehende
Wavelet in Form Müllerscher Streifen mit durch konfokale
Diskriminierung erzeugter Einhüllenden dar, also wenn im
hypothetischen Fall der beschriebenen Anordnung kein Fabry-Perot-Interferometer 6 zugeordnet ist.
Durch das Fabry-Perot-Interferometer 6 können aber
nur spektral schmalbandige Intensitätsverteilungen transmittieren,
Grafik b, so dass das entstehende Wavelet fast nur im Bereich der
Maxima der Kamm-Charakteristik, also hauptsächlich in den Durchlassbereichen
abgetastet wird, jedoch hochgenau äquidistant mit Δk
im Wellenzahlraum. Dies ist in der Grafik c dargestellt.
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Die 3 stellt
ein elektronisch steuerbares DOE in Form eines Phase-mostly LCDs
dar, das in der 0. und 1. Ordnung verwendet wird.
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Durch
spektrales Vorabkalibrieren einer CMOS-Zeilenkamera 22 mit
beispielsweise etwa 10.000 Pixeln und „Intelligence an
Chip”-Funktionalität im Zusammenhang mit der vorher
durchgeführten spektralen Aufspaltung der elektromagnetischen Strahlung
wird die Abstandsinformation von einem Objektpunkt extrem schnell
errechnet. Dazu sind auf der CMOS-Zeilenkamera 22 virtuelle
Zellen von je 8 Pixeln reserviert, für die durch spektrale
Vorabkalibrierung der zugehörige Wellenzahlwert hochgenau ermittelt
wurde. Aus jeder virtuellen Zelle wird ein integraler Intensitätswert
gewonnen und als Datensatz abgespeichert, dessen zugehöriger
Wellenzahlwert durch die Vorabkalibrierung also sehr genau bekannt ist.
Aus diesem abgespeicherten Datensatz: „Intensität über
der Wellenzahl in äquidistanten Wellenzahlintervallen Δk” wird
mittels Fast Fourier-Transformation durch „Intelligence
an Chip”-Funktionalität auf der CMOS-Zeilenkamera 22 die
Abstandsinformation im Submillisekundenbereich gewonnen.
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Die 4 stellt
ein mit zwei separaten Spiegeln 27 und 28 aufgebautes
Fabry-Perot-Interferometer dar, wobei die beiden Spiegel 27 und 28 hochreflektierende
Teilerschichten 7 und 8 aufweisen. Der Spiegelabstand
L kann vorbestimmt gesteuert um das Weginkrement ΔL verändert
werden. Auch hier ist, um das Abtasttheorem bei der Abtastung des Wavelets
zu erfüllen, im System L > 2z
einzuhalten.
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Die 5 entspricht
in der Funktionalität der Anordnung in 1.
Das Vielstrahl-Interferometer stellt hier ein mit zwei separaten
Spiegeln 27 und 28 aufgebautes Fabry-Perot-Interferometer
dar, wobei die beiden Spiegel 27 und 28 hochreflektierende
Teilerschichten 7 und 8 aufweisen. Der Spiegelabstand L
ist hierbei in der Größenordnung des Objektabstandes
z, so dass bei der Signalabtastung eine Schwebung besteht. Der Spiegelabstand
L kann vorbestimmt gesteuert um das Weginkrement ΔL mit
einem hier nicht dargestellten Piezosteller, der hierbei dem Spiegel 27 zugeordnet
ist, hochgenau verändert werden. So ergibt sich eine Phasenschiebung
in den detektierten Intensitätssignalen, so dass für
jedes Intensitätsmaximum in einem Wellenzahlintervall Δk eine
Phasenvariation durch den Weg-Scan entsteht. Dieser Weg-Scan kann
durch die Wahl der Größe dieses Weginkrements ΔL
so durchgeführt werden, dass im Mittel die Phasenänderung Δφ um π/2
beträgt. So können beispielsweise an jeder Stelle
im detektierten Wellenzahlbereich nacheinander vier Intensitätswerte
aufgenommen werden, die dann beispielsweise mit dem Carré-Algorithmus
zu einem Phasenwert pro Stelle im Spektrum verrechnet werden. So
kann über der Wellenzahlachse k die Phasenänderung
hochgenau bestimmt werden, aus welcher der Abstand des Objekts von
einer Referenzposition hochgenau, also im Nano- und Subnanometerbereich
bestimmt werden kann. Die Referenzposition ist |L| – |z|,
wobei L der Spiegelabstand im Vielstrahl-Interferometer und z der
Abstand des Objektes von der Position optischer Gangunterschied
null ist. Dieser Ansatz ist insbesondere für die hochgenaue
linienhafte Abtastung des Höhenprofils eines bewegten Objekts
von großem Vorteil, wenn die Zugänglichkeit zum
Objekt räumlich sehr begrenzt ist.
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Die 6,
siehe Grafik a, stellt das auf der schnellen CMOS-Zeilenkamera 22 in
der Theorie von einer kooperativen Objektoberfläche entstehende Wavelet
in Form Müllerscher Streifen dar, also wenn im Fall der
beschriebenen Anordnung hypothetisch kein Fabry-Perot-Interferometer
zugeordnet wäre. Dabei zeigt die Grafik a1 einen herausgezoomten Bereich
des Wavelets. Durch das Fabry-Perot-Interferometer hoher Finesse
mit den separaten Spiegeln 27 und 28 können
aber spektral nur sehr schmalbandige Intensitätsverteilungen,
siehe Grafik b, transmittieren, so dass das Wavelet, siehe Grafik
b, nur im Bereich der Maxima der Kamm-Charakteristik, also in den
Durchlassbereichen, jedoch hochgenau äquidistant mit Δk
im Wellenzahlraum abgetastet wird. Hier besteht jedoch Schwebung,
da die äquidistanten Abstände Δk der
Intensitätsmaxima des Abtastkamms zumindest näherungsweise
der Frequenz der Müllerschen Streifen entsprechen. Das
Fabry-Perot-Interferometer hoher Finesse wird in den Weg-Scan-Positionen
L, L + ΔL, L + 2ΔL, L + 3ΔL ausgelesen,
siehe Grafik c, so dass sich Signale mit unterschiedlichen Phasenlagen
ergeben. Die Grafik d zeigt die aus den vier Intensitätswerten
errechneten Phasenwerte über der Wellenzahl. Bei kooperativen
Objekten bilden die Phasenwerte über der Wellenzahl zumindest
näherungsweise eine Gerade. Im Anstieg der Geraden ist die
Information über den Abstand zk eines Objektpunktes zur
Position |L| – |z| enthalten. Dieser Abstand zk kann mittels
Gleichung zk = dφ/dk errechnet werden. Bei der Durchmusterung
von polierten High-Tech-Oberflächen hinsichtlich Verschmutzungen
durch Submikrometerpartikel oder Verkratzungen oder Polierfehler
können allein durch Abweichungen vom Anstieg der Ausgleichsgeraden
durch die Punktewolke der Phasenwerte oder durch Änderungen
in der Streuung der Phasenwerte um die Ausgleichsgerade zuverlässige
Rückschlüsse auf feinste Kontaminationen einer
High-Tech-Oberfläche oder Veränderungen einer
High-Tech-Oberfläche gegenüber einem Referenzzustand
gewonnen werden.
-
Die 7 beschreibt
die Anwendung der Erfindung mit einem Vielstrahl-Interferometer
und Zweistrahl-Interferenz für die optische Hochgeschwindigkeits-Datenauslesung
von einem optischen Mehrlagen- oder Mehrschichtenspeicher, der eine
Relativbewegung zum optischen Abtastsystem erfährt. Das Licht
von einer lichtstarken, fasergekoppelten Superlumineszenzdiode 1 im
nahen Infrarotbereich wird mittels Fokussieroptik 2 nach
dem Passieren eines Bandpassfilters 103 in eine Singlemode-Faser 3 eingekoppelt,
tritt aus dieser am Ausgang 4 wieder aus, wird durch ein
Objektiv 5 kollimiert und gelangt in ein Fabry-Perot-Interferometer 6,
hier als Fabry-Perot-Etalon mit einem geringen Spiegelabstand L
ausgebildet. Dieses Fabry-Perot-Etalon weist zwei hochverspiegelte
teildurchlässige Spiegel 7 und 8 auf,
so dass Vielstrahl-Interferenz hoher Finesse am Ausgang dieses Fabry-Perot-Etalons 6 besteht.
So wird aus dem eingehenden Kontinuumsspektrum der Superlumineszenzdiode 1 ein
Vielstrahl-Interferenz-Spektrum mit Frequenzkamm-Charakteristik
erzeugt. Die transmittierten, schmalbandigen Spektralanteile bei
den Wellenlangen λi oder den Wellenzahlen ki, also Intensitätsverteilungen
mit jeweils einer Linienform, bilden dabei im Wellenzahlraum, dem k-Raum,
einen Kamm mit äquidistanten Abständen Δk.
Dies ist in 8 dargestellt. Die Abstände
der Maxima der transmittierten, schmalbandigen Intensitäten
weisen dabei hochgenau wegen der Vielstrahl-Interferenz stets die
gleiche Wellenzahldifferenz Δk auf. Das Licht, welches
das Fabry-Perot-Interferometer 6 mit Spektralkamm-Charakteristik
verlässt, wird mittels Fokuslinse 9 in die Faser 10 eingekoppelt,
passiert einen X-Koppler 11 geradeaus und gelangt in eine
GRIN-Linse 12, wo im Ergebnis ein kollimiertes Bündel
den Ausgang derselben verlässt und auf eine diffraktive
Zonenlinse 13a mit lichtzerstreuender Wirkung gelangt,
welche als Phasengitter ausgebildet ist. Hier entstehen ein Bündel
in der nullten Ordnung, welches als polychromatisches Referenzbündel
R_0 fungiert, und ein polychromatisches Abtastbündelspektrum
in der ersten Ordnung O_1λ, bestehend aus den abtastenden
Bündeln O_1λ1, O_1λi bis O_1λn,
welches also auch das Abtastbündel O_1λi der Wellenlänge λi
enthält, wobei diese Abtastbündel chromatisch-tiefenaufgespaltete,
durch die Vielstrahl-Interferenz diskretisierte Objektbündel darstellen,
welche nach Fokussierung mittels GRIN-Linse 14 und Mikrolinse 15 unterschiedliche Tiefenlagen
der Foki bilden. Das Licht des poychromatischen Bündels
in der nullten Ordnung als auch das Licht des diskretisierten Bündelspektrums
in der ersten Ordnung O_1λ gelangen in den transparenten Datenträger 102.
Dort wird das Licht des Bündels in der nullten Ordnung,
welches als Referenzbündel R_0 fungiert, an der teiltransparenten
Referenzschicht 103 teilreflektiert und gelangt auf die
diffraktive Zonenlinse 13a zurück. An dieser diffraktiven
Zonenlinse 13a wird das polychromatische Referenzbündel
R_0 auch in der nullten Ordnung hindurchgelassen, so dass das polychromatische
Referenzbündel R_0_0 entsteht. In anderen Beugungsordnungen entstehendes
Licht ist nicht von weiterem Interesse, da es nach der Fokussierung
mittels der GRIN-Linse 12 durch die konfokale Diskriminierung
beim Eintritt in die Faser 10 vom nachfolgenden Detektionsstrahlengang
nach dem Y-Koppler 11 ferngehalten wird.
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Das
Licht des Bündelspektrums in der ersten Ordnung O_1λ ist
in die abtastenden Bündeln O_1λ1 O_1λi
bis O_1λn tiefenaufgespaltet, so dass also auch ein Bündel
O_1λi mit der Wellenlänge λi besteht.
Die Tiefenaufspaltung ist hierbei so gewählt und zwar durch
die Wahl der Brechkraft der diffraktiven Zonenlinse 13a mit
lichtzerstreuender Wirkung und die Wahl des Schichtenabstandes im
transparenten Datenträger 102 sowie die Justierung
des Systems, dass genau je ein einzelnes abtastendes Bündel
1 bis n dieses Bündelspektrums O_1λ auf je eine
Daten tragende Schicht 104 des transparenten Datenträgers 102 scharf
fokussiert ist. So gelangt das Abtastbündel O_1λ1
auf die Schicht 1 und das Abtastbündel O_1λi auf
die Schicht i des transparenten Datenträgers 102.
Diese Schichten werden durch reflektierende Dots gebildet, also
reflektierende Mikrobereiche in einer Ebene. Außerhalb
dieser Dots ist das Medium des Datenträgers hochtransparent,
d. h., die Schicht wird durch eine mittlere Ebene durch die Dots
dargestellt und ist damit nur durch die Dots gegeben. Das von einem
Dot der Schicht 1 oder der Schicht i oder einer anderen Schicht
zurückreflektierte fokussierte Licht gelangt zurück
bis auf die diffraktive Zonenlinse 13a. Dort erfolgt auch
eine Beugung des Lichts in der ersten Ordnung. In anderen Beugungsordnungen
entstehendes Licht ist hierbei nicht von weiterem Interesse, da
es nach der Fokussierung mittels der GRIN-Linse 12 durch
die konfokale Diskriminierung beim Eintritt in die Faser 10 vom nachfolgenden
Detektionsstrahlengang nach dem Y-Koppler 11 von der Detektion
ferngehalten wird. Nach der konfokalen Diskriminierung beim Eintritt
in die Faser 10 und Passieren des Y-Kopplers 11 gelangen
sowohl Licht vom Referenzbündel R_0_0 cd als auch Licht
von Teilen der Abtastbündel, beispielsweise hier O_1λi_1
cd, die jeweils ein Dot getroffen haben, d. h. einen reflektierenden
Mikrobereich in der Schicht vorgefunden haben, auf das Beugungsgitter 21,
wo eine spektrale Aufspaltung erfolgt, sowie anschließend
auf eine extrem schnell auslesbare Photodiodenzeile 106 mit
einzelnen separierten Photodioden. Alternativ kann anstelle der
Photodiodenzeile 106 auch eine CMOS-Zeile eingesetzt werden.
Beispielsweise gelangen das Referenzbündels R_0_0 cd und
das Abtastbündel O_1λi_1 cd auf die Photodiode 106i dieser
Photodiodenzeile 106. Der Schichtenabstand von der teiltransparenten
Referenzschicht 103 zu den reflektierenden Dots der Schichten
ist in Abhängigkeit der Wellenlänge jeweils so
gewählt, dass destruktive Interferenz, also Lichtauslöschung
besteht. Dies ist für das System in 9 dargestellt.
In der Schicht i findet das fokussierte Abtastbündel O_1 λi
ein reflektierendes Dot vor, dass hier vergrößert
dargestellt ist. Zwischen dem hier rückreflektierten Abtastbündel
und dem Referenzbündel, jeweils der Wellenlänge λi,
findet durch den optischen Gangunterschied zwischen Referenz- und
Abtastbündel destruktive Interferenz statt. Der Signalwert
in 9 geht für die Photodiode 106i somit
auf ein Minimum, so dass sich in der hier nicht dargestellten Signalverarbeitungskette
schließlich eine logische „0” erzeugt
wird. Dagegen finden das fokussierte Abtastbündel O_1 λi
+ 1 als auch das fokussierte Abtastbündel O_1 λi – 1
in dieser Position jeweils kein Dot vor, so dass die Intensität
des Referenzbündels registriert wird, siehe 9,
wodurch sich in der hier nicht dargestellten Signalverarbeitungskette
schließlich ein logisches „L” ergibt,
da der Intensitätswert des Referenzbündels höher
als der Intensitätswert der destruktiven Interferenz ist.
Der sich hierbei ergebende Vorteil ist, dass die digitale Information
ohne vergleichsweise aufwendige numerische Auswertung eines Wavelets,
also gleich digitalisiert, in Form einer kleinen oder großen
Signalintensität vorliegt, der durch Komparation „0” oder „L” zugeordnet
wird. Die Aufrechterhaltung der destruktiven Interferenz für den
Datenträger setzt ein thermisch und mechanisch hochstabiles
Mikrosystem voraus, das aber wegen der vergleichsweise geringen
Schichtabstände im transparenten Datenträger und
der sehr geringen Fertigungstoleranzen moderner Produktionsverfahren
in der Regel langzeitstabil eingehalten werden kann. Das beschriebene
optische System kann aber auch auf konstruktive Interferenz eingestellt
sein. Dann würde sich im Fall des Vorhandenseins eines Dots,
also eines reflektierenden Mikrobereiches, eine Erhöhung
der Intensität im Vergleich zur Intensität einer
transparenten Leerstelle ergeben. Der Vorteil besteht hierbei darin,
dass eine numerische Auswertung eines Wavelets nicht notwendig ist,
also der Intensitätswert unmittelbar, also ohne numerische Operation,
digitalisiert werden kann, so dass sich hierbei eine extrem schnelle
Datenauslesung ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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