DE102011118607A1 - Method and arrangement for scattered light measurement - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Streulichtmessung. Hierzu wird eine Probe (17) mit Licht mindestens einer Lichtquelle (1, 2, 3) beleuchtet und ein an der Probe (17) gestreuter Anteil des Lichts als Messsignal von mindestens einem Detektor (18) unter einem Streuwinkel erfasst. Das auf die Probe (17) aufkommende Licht umfasst zwei Lichtkomponenten, welche sich in mindestens einem Parameter unterscheiden und welche mit unterschiedlichen Modulationssignalen moduliert werden. Ein Ausgangssignal des Detektors (18) wird durch Herausfiltern von zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteilen des Ausgangssignals in mehrere Signalkanäle aufgeteilt, sodass jeder der genannten Lichtkomponenten mindestens einer der Signalkanäle eindeutig zugeordnet ist. Hierdurch wird es möglich, Streulichtmessungen mit einer hohen Dynamik und einem niedrigen Übersprechverhalten zwischen den einzelnen Signalkanälen durchzuführen.The present invention relates to a method and an arrangement for scattered light measurement. For this purpose, a sample (17) is illuminated with light from at least one light source (1, 2, 3) and a portion of the light scattered on the sample (17) is detected as a measurement signal from at least one detector (18) at a scattering angle. The light emerging on the sample (17) comprises two light components which differ in at least one parameter and which are modulated with different modulation signals. An output signal of the detector (18) is divided into a plurality of signal channels by filtering out portions of the output signal that are temporally correlated with the different modulation signals, so that each of said light components is uniquely associated with at least one of the signal channels. This makes it possible to perform scattered light measurements with high dynamics and low crosstalk between the individual signal channels.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Streulichtmessung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Vorrichtung zur Streulichtmessung nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.The present invention relates to a method for scattered light measurement according to the preamble of the main claim and to a device for scattered light measurement according to the preamble of the independent claim.

Messverfahren, welche auf einer Auswertung von an einer Probe gestreutem Licht basieren, welches im Folgenden als Streulicht bezeichnet wird, werden im Allgemeinen zur effizienten Analyse von Oberflächen, Materialien und Beschichtungen eingesetzt, wobei sie sich durch hohe Sensitivität auszeichnen. Durch Analysen von Streulichtmessungen lassen sich Rückschlüsse ziehen auf probenspezifische Parameter wie beispielsweise eine quadratische Rauheit bzw. root-mean-square(rms)-Rauheit, ein Rauheitsspektrum (power spectral density function, PSD), Streuverluste, Schichtdickenfehler, Rauheitsfortpflanzung in Schichtsystemen oder eine sogenannte ”subsurface defect analysis” (SSD). Einen derartigen Messaufbau zur winkelaufgelösten Streulichtmessung offenbart beispielsweise die Druckschrift WO 2010/127872 A1 .Measurement methods which are based on an evaluation of light scattered on a sample, which is referred to as scattered light in the following, are generally used for the efficient analysis of surfaces, materials and coatings, wherein they are distinguished by high sensitivity. Analyzes of scattered light measurements allow conclusions to be drawn about sample-specific parameters such as root-mean-square (rms) roughness, power spectral density (PSD), scattering losses, layer thickness errors, roughness propagation in layer systems or so-called Subsurface defect analysis (SSD). Such a test setup for angle-resolved scattered light measurement, for example, the document discloses WO 2010/127872 A1 ,

Für eine umfassende Charakterisierung sind hierbei Streulichtanalysen mit unterschiedlichen Parametern notwendig. Nahezu alle zu untersuchenden Proben zeigen ein deutlich unterschiedliches Streuverhalten bei unterschiedlichen Wellenlängen und Polarisationen. Zur Durchführung solch umfassender Probencharakterisierungen werden daher unterschiedliche Messkonfigurationen verwendet, wobei insbesondere hohe Sensitivitäten und Dynamikbereiche angestrebt werden. Bei einer sequentiellen, also zeitlich gestaffelten Charakterisierung einer Probe mit unterschiedlichen Messkonfigurationen bzw. Messparametern, wie unterschiedlichen Wellenlängen oder Polarisationen, ist hierfür ein zeitintensives Umrüsten eines Messaufbaus notwendig.For a comprehensive characterization scattered light analyzes with different parameters are necessary. Almost all samples to be examined show a significantly different scattering behavior at different wavelengths and polarizations. For carrying out such comprehensive sample characterizations, therefore, different measurement configurations are used, with high sensitivities and dynamic ranges in particular being sought. In a sequential, so temporally staggered characterization of a sample with different measurement configurations or measurement parameters, such as different wavelengths or polarizations, this requires a time-consuming retooling of a measurement setup.

In bislang verwendeten Messsystemenen werden unterschiedliche Methoden angewandt, um Umrüstzeiten zu begrenzen. In der Regel verfügen derartige Systeme über leistungsstarke Lichtquellen mit begrenzter spektraler Bandbreite, im Allgemeinen Laser, zum Erzielen einer hohen spektralen Leistungsdichte. Über manuell oder automatisch bewegbare Spiegel des Messsystems, welche in einen Beleuchtungsstrahlengang eingebracht oder aus diesem entfernt werden können, wird Licht einzelner Quellen zur Probe geführt. Alternativ werden auch Weißlichtquellen mit einer detektorseitigen spektralen Trennung des gestreuten Lichts eingesetzt, welche jedoch keine ausreichenden Sensitivitäten und Dynamikbereiche zur Charakterisierung von beispielsweise Nanostrukturen aufweisen.In previously used measuring systems different methods are used to limit changeover times. Typically, such systems have powerful light sources with limited spectral bandwidth, generally lasers, to achieve high spectral power density. By means of manually or automatically movable mirrors of the measuring system, which can be introduced into or removed from an illumination beam path, light from individual sources is guided to the sample. Alternatively, white light sources with a detector-side spectral separation of the scattered light are used, but which do not have sufficient sensitivities and dynamic ranges for characterizing, for example, nanostructures.

Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Streulichtmessung vorzuschlagen, welche die genannten Nachteile vermeiden, welche also eine Streulichtmessung mit verschiedenen Messparametern in möglichst kurzer Zeit und ohne zeitintensives Nachrüsten erlauben, wobei gleichzeitig eine hohe Sensitivität und möglichst große Dynamikbereiche erreicht werden sollen.The present invention is therefore based on the object of proposing a method and a device for scattered light measurement, which avoid the disadvantages mentioned, which thus allow a scattered light measurement with different measurement parameters in the shortest possible time and without time-consuming retrofitting, at the same time a high sensitivity and the largest possible dynamic ranges to be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a method according to claim 1 and an arrangement according to claim 9. Advantageous embodiments and further developments are described in the dependent claims.

Das vorgeschlagene Verfahren zum Durchführen einer Streulichtmessung, bei der eine Probe mit Licht mindestens einer Lichtquelle beleuchtet wird und ein an der Probe gestreuter Anteil des Lichts als Messsignal von mindestens einem Detektor erfasst wird, macht sich zunutze, dass das auf die Probe aufkommende Licht mindestens zwei Lichtkomponenten umfasst, welche sich in mindestens einem Parameter unterscheiden. Um eine Unterscheidung von Anteilen einer detektierten Intensität oder Leistung des gestreuten Lichts nach den verschiedenen Lichtkomponenten zu ermöglichen, auf die diese Anteile zurückzuführen sind, werden die Lichtkomponenten außerdem mit unterschiedlichen Modulationssignalen moduliert. Nach der Streuung der Lichtkomponenten an der Probe und Detektion wird ein Ausgangssignal des Detektors in mehrere Signalkanäle aufgeteilt durch Herausfiltern von zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteilen des Ausgangssignals, sodass jeder der genannten Lichtkomponenten bzw. jedem der Modulationssignale mindestens einer der Signalkanäle eindeutig zugeordnet ist.The proposed method for carrying out a scattered light measurement, in which a sample is illuminated with light from at least one light source and a portion of the light scattered on the sample is detected as a measurement signal from at least one detector, makes use of the fact that the light emerging on the sample is at least two Includes light components that differ in at least one parameter. In order to allow differentiation of portions of a detected intensity or power of the scattered light according to the different light components to which these components are due, the light components are also modulated with different modulation signals. After the scattering of the light components at the sample and detection, an output signal of the detector is split into a plurality of signal channels by filtering out portions of the output signal correlated in time with the various modulation signals so that each of said light components and each of the modulation signals is uniquely associated with at least one of the signal channels.

Die Zuordnung zwischen Lichtkomponenten bzw. Modulationssignalen einerseits und Signalkanälen andererseits besteht dabei darin, dass der einer Lichtkomponente bzw. dem Modulationssignal einer Lichtkomponente zugeordnete Signalkanal der selektiven Verarbeitung einer auf diese Lichtkomponente zurückzuführenden und folglich selbst mit dem Modulationssignal dieser Lichtkomponente modulierten bzw. zeitlich korrelierten Anteils des Ausgangssignals dient, letzterer also durch jenen Signalkanal geführt wird. Unter einer Streuung des Lichts an der Probe soll jede denkbare Streuung und insbesondere sowohl eine Beugung als auch eine Reflexion, insbesondere eine spekulare Reflexion, bei der das Licht einen verschwindenden azimutalen Ausfallswinkel aufweist, verstanden werden.The assignment between light components or modulation signals on the one hand and signal channels on the other hand consists in that the signal channel of a selective processing of a light component or the modulation signal of a light component of a selectively attributed to this light component and thus modulated even with the modulation signal of this light component or time correlated proportion of Output signal is used, the latter is therefore guided by that signal channel. Scattering of the light at the sample should be understood to mean any conceivable scattering and, in particular, both a diffraction and a reflection, in particular a specular reflection in which the light has a vanishing azimuthal angle of reflection.

Durch dieses Verfahren ist es möglich, Signale parallel in mehreren Signalkanälen hochsensitiv aufzunehmen. Eine zuverlässige Trennung der zu verarbeitenden Signale wird durch die unterschiedliche Modulation der mit den jeweiligen Signalen korrelierten Lichtkomponenten erreicht. Durch diese Modulation der Lichtkomponenten können gestreute Signale detektorseitig mit geringem Aufwand separiert werden, sodass eine gleichzeitige Messung von Streulicht mit unterschiedlichen Messparametern und ein prozessnaher Einsatz des Verfahrens ermöglicht wird. Durch eine Weiterverarbeitung in den einzelnen Signalkanälen, die in vorteilhafter Weise gleichzeitig erfolgen kann, wird eine Sensitivität des Verfahrens erhöht, da eine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung der Signalkanäle durch die zuverlässige Separierung minimiert wird. Schließlich kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein Dynamikbereich von mindestens 10 Zehnerpotenzen pro Signalkanal erreicht werden. By this method, it is possible to record signals in parallel highly sensitive in several signal channels. A reliable separation of the signals to be processed is achieved by the different modulation of the correlated with the respective signals light components. By means of this modulation of the light components, scattered signals can be separated on the detector side with little effort, so that a simultaneous measurement of scattered light with different measurement parameters and a process-oriented use of the method is made possible. By a further processing in the individual signal channels, which can take place simultaneously in an advantageous manner, a sensitivity of the method is increased, since an undesirable mutual influence of the signal channels is minimized by the reliable separation. Finally, with the proposed method, a dynamic range of at least 10 orders of magnitude per signal channel can be achieved.

Der mindestens eine Parameter, in dem sich die Lichtkomponenten unterscheiden, kann einen Einfallswinkel bzw. eine Wellenlänge umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Parameter ein, für die verschiedenen Lichtkomponenten jeweils unterschiedliches Wellenlängenspektrum, eine Polarisation, eine Intensität und/oder eine Position, an der die jeweilige Lichtkomponente auf die Probe auftrifft, umfassen. Da Streuquerschnitte mitunter wellenlängen- oder polarisationsabhängig sind, oder auch von der Position auf der Probe, an der das Licht gestreut wird, abhängt, können durch die Verwendung dieser Parameter parallel mehrere Informationen aus dem gestreuten Licht erhalten werden.The at least one parameter in which the light components differ may include an angle of incidence or a wavelength. Alternatively or additionally, the at least one parameter may include a different wavelength spectrum, a polarization, an intensity and / or a position at which the respective light component impinges on the sample for the different light components. Since scattering cross sections are sometimes wavelength or polarization dependent, or also dependent on the position on the sample at which the light is scattered, multiple information from the scattered light can be obtained in parallel by using these parameters.

Es kann vorgesehen sein, eine winkelaufgelöste Streulichtmessung durchzuführen, welche auch als angle-resolved-scattering (ARS) bezeichnet wird. Hierzu kann ein Streuwinkel des gestreuten Anteils des Lichts zur winkelaufgelösten Streulichtmessung variiert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Lichtkomponenten unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Probe eingestrahlt werden. Als ARS-Funktion kann hierbei eine Leistung des gestreuten Lichts in ein Raumwinkelelement geteilt durch ein Produkt aus der Intensität des einfallenden Lichts und des Raumwinkelelements, in welches gestreut wird, definiert werden. Es kann außerdem auch eine sogenannte ”bidirectional scattering distribution function” (BSDF) definiert werden, welche definiert ist als Quotient der ARS-Funktion und eines Kosinus des Streuwinkels. Vorzugsweise werden die Lichtkomponenten detektorseitig über einen bestimmten Winkelbereich integriert. Durch unterschiedliche Streuquerschnitte bei verschiedenen Winkeln können somit zusätzliche Informationen aus der winkelaufgelösten Streulichtmessung gewonnen werden.It may be provided to perform an angle-resolved scattered light measurement, which is also referred to as angle-resolved-scattering (ARS). For this purpose, a scattering angle of the scattered portion of the light for angle-resolved scattered light measurement can be varied. Alternatively or additionally, the light components can be irradiated onto the sample at different angles of incidence. As an ARS function, a power of the scattered light into a solid angle element divided by a product of the intensity of the incident light and the solid angle element into which scattered may be defined. In addition, a bidirectional scattering distribution function (BSDF) can also be defined, which is defined as the quotient of the ARS function and a cosine of the scattering angle. Preferably, the light components are integrated on the detector side over a certain angular range. By means of different scattering cross sections at different angles, additional information can thus be obtained from the angle-resolved scattered light measurement.

Zum Herausfiltern jedes der genannten Anteile kann das Ausgangssignal in dem jeweiligen Signalkanal einen Bandpassfilter und/oder einen Lock-in-Verstärker durchlaufen. Hierdurch werden nur die erwünschten Anteile des Ausgangssignals, welche also ein passendes Modulationssignal aufweisen bzw. zeitlich mit dem passenden Modulationssignal korreliert sind, einer Weiterverarbeitung zugeführt und im Falle des Lock-in-Verstärkers außerdem das Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die Weiterverarbeitung verbessert. Vorzugsweise umfassen der Bandpassfilter bzw. der Lock-in-Verstärker einen Tiefpassfilter, einen Mittelwertsfilter, einen Tschebyscheff-Filter, einen Bessel-Filter, einen Butterworth-Filter oder eine Kombination der genannten Filter, sodass der herauszufilternde Anteil des Ausgangssignals mit der gewünschten Schärfe und Genauigkeit erhalten werden kann.To filter out each of said components, the output signal in the respective signal channel can pass through a bandpass filter and / or a lock-in amplifier. As a result, only the desired portions of the output signal, which thus have a suitable modulation signal or are temporally correlated with the appropriate modulation signal, fed to a further processing and in the case of the lock-in amplifier also improves the signal-to-noise ratio for further processing , Preferably, the band-pass filter or the lock-in amplifier comprises a low-pass filter, a mean value filter, a Chebyshev filter, a Bessel filter, a Butterworth filter or a combination of said filters, so that the portion of the output signal to be filtered out with the desired sharpness and Accuracy can be obtained.

Eine vorteilhafte Ausführungsform kann vorsehen, dass die in den verschiedenen Signalkanälen verbleibenden Anteile des Ausgangssignals einzeln zeitgleich weiterverarbeitet werden. Durch die zeitlich parallele Weiterverarbeitung wird die für die Streulichtmessung und die Analyse dieser Messung benötigte Zeit minimiert. Durch das Aufteilen in mehrere Signalkanäle ist die zeitgleiche, parallele Weiterverarbeitung der in den einzelnen Signalkanälen geführten Signale problemlos möglich.An advantageous embodiment can provide that the components of the output signal remaining in the various signal channels are processed individually at the same time. Time-parallel processing minimizes the time required for the scattered light measurement and the analysis of this measurement. By dividing into several signal channels, the simultaneous, parallel further processing of the signals carried in the individual signal channels is possible without problems.

Aufgrund einer extrem hohen Dynamik von Streulichtmessungen kann ein niedriges Übersprechverhalten zwischen den einzelnen Signalkanälen von entscheidender Bedeutung sein und sollte für eine zuverlässige Messung vorzugsweise auf zwischen drei und zehn Zehnerpotenzen beschränkt werden. Zur Verringerung eines Übersprechens zwischen den Signalkanälen können Intensitäten der Lichtkomponenten derart gewählt oder angepasst werden, dass mit dem Detektor detektierte gestreute Anteile aller genannten Lichtkomponenten Leistungen gleicher Größenordnung haben. Als gleiche Größenordnung sollen Leistungs- bzw. Intensitätswerte in der vorliegenden Schrift dann bezeichnet sein, wenn eine Differenz zwischen ihnen weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30%, besonders vorzugsweise weniger als 10% des größeren der genannten Werte beträgt. Durch die etwa gleich großen Intensitäten der einzelnen Lichtkomponenten wird keine dieser Lichtkomponenten als zu dominant und somit ein Ergebnis der Messung verfälschend detektiert. Dies erlaubt, in allen Signalkanälen ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis des jeweiligen Anteils des Ausgangssignals zu erhalten.Due to the extremely high dynamics of scattered light measurements, a low crosstalk behavior between the individual signal channels can be of crucial importance and should preferably be limited to between three and ten powers of ten for a reliable measurement. In order to reduce crosstalk between the signal channels, intensities of the light components can be selected or adjusted in such a way that scattered portions of all the light components mentioned with the detector have powers of the same order of magnitude. By the same order of magnitude, intensity values in the present specification should be designated if a difference between them is less than 50%, preferably less than 30%, particularly preferably less than 10% of the larger of the stated values. Due to the approximately equal intensities of the individual light components none of these light components is detected as being too dominant and thus a result of the measurement distorting. This allows to obtain in all signal channels an optimal signal-to-noise ratio of the respective portion of the output signal.

Zum Verringern des Übersprechens zwischen den Signalkanälen können auch die einzelnen Lichtkomponenten durch eine polarisationsabhängige und/oder wellenlängenabhängige Aufteilung der einzelnen Lichtkomponenten auf verschiedene Detektoren geleitet werden. Hierdurch erfolgt eine räumliche Trennung der einzelnen Lichtkomponenten, was die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen störenden Beeinflussung verringert. To reduce the crosstalk between the signal channels and the individual light components can be passed through a polarization-dependent and / or wavelength-dependent division of the individual light components to different detectors. This results in a spatial separation of the individual light components, which reduces the probability of mutual interference.

Um Störsignale und/oder von durch einen anderen der Signalkanäle zu führenden Anteil des Ausgangssignals abzuschwächen, kann das Ausgangssignals in mindestens einem der Signalkanäle elektronisch vorgefiltert werden. Unabhängig von einer optischen Filterung kann somit auch das elektronische Signal in dem jeweiligen Signalkanal für eine Weiterverarbeitung aufbereitet werden.In order to attenuate spurious signals and / or of a portion of the output signal that leads through another of the signal channels, the output signal can be prefiltered electronically in at least one of the signal channels. Independently of optical filtering, the electronic signal in the respective signal channel can thus also be processed for further processing.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Modulationsfrequenz mindestens eines der Modulationssignale einem Minimum einer frequenzabhängigen Übertragungsfunktion eines Filters entspricht, der zum Herausfiltern eines zeitlich mit einem anderen der Modulationssignale korrelierten Anteils des Ausgangssignals verwendet wird. Somit wird durch den verwendeten Filter nur der gewünschte Anteil des Ausgangssignals herausgefiltert und der Weiterverarbeitung zugeführt, während unerwünschte Anteile des Ausgangssignals aufgrund der Übereinstimmung ihrer Modulationsfrequenz mit dem Minimum der Übertragungsfunktion nicht weiter übertragen oder entsprechend stark abgeschwächt werden. Auch dadurch lässt sich ein Übersprechen zwischen den Signalkanälen vermeiden oder minimieren.A further development provides that a modulation frequency of at least one of the modulation signals corresponds to a minimum of a frequency-dependent transfer function of a filter, which is used for filtering out a temporally correlated with another of the modulation signals portion of the output signal. Thus, only the desired portion of the output signal is filtered out and fed to further processing by the filter used, while unwanted portions of the output signal due to the coincidence of their modulation frequency with the minimum of the transfer function is not further transmitted or attenuated accordingly strong. This also avoids or minimizes crosstalk between the signal channels.

Die mindestens zwei Lichtkomponenten können vor Auftreffen auf die Probe zu einem Probenstrahl zusammengefasst werden. Hierdurch wird die Strahlführung erleichtert und – was erwünscht sein kann – erreicht, dass die verschiedenen Lichtkomponenten mit dem gleichen Einfallswinkel auf die Probe treffen.The at least two light components can be combined to form a sample beam before impacting the sample. As a result, the beam guidance is facilitated and - what may be desirable - achieved that meet the different light components with the same angle of incidence on the sample.

Die vorgeschlagene Anordnung zur Streulichtmessung umfasst mindestens eine Lichtquelle zum Beleuchten einer Probe mit Licht und mindestens einen Detektor zum Erfassen eines an der Probe gestreuten Anteils des Lichts. Zwischen der mindestens einen Lichtquelle und der Probe sind mindestens zwei verschiedene Strahlengänge für mindestens zwei sich in mindestens einem Parameter unterscheidende Lichtkomponenten vorgesehen. Die Strahlengänge verlaufen hierbei zumindest abschnittsweise unterschiedlich. Die Lichtkomponenten sind unabhängig voneinander in ihrer Intensität modulierbar. Die Anordnung weist außerdem eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist zum Modulieren der Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Modulationssignalen, sowie eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, in jedem der Signalkanäle jeweils einen von zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteilen des Ausgangssignals herauszufiltern, sodass jeder der genannten Lichtkomponenten bzw. jedem der Modulationssignale mindestens einer der Signalkanäle eindeutig zugeordnet ist.The proposed arrangement for scattered light measurement comprises at least one light source for illuminating a sample with light and at least one detector for detecting a portion of the light scattered on the sample. At least two different beam paths are provided between the at least one light source and the sample for at least two light components differing in at least one parameter. The beam paths in this case run at least in sections differently. The light components can be modulated independently of each other in intensity. The arrangement also has a control unit which is configured to modulate the light components with different modulation signals, and an evaluation unit which is set up to filter out in each of the signal channels in each case one of the portions of the output signal correlated in time with the different modulation signals, such that each of the said light components or each of the modulation signals of at least one of the signal channels is uniquely assigned.

Für jede der Lichtkomponenten bzw. jedes der Modulationssignale gibt es also jeweils mindestens einen Signalkanal, in dem ein auf diese Lichtkomponente zurückzuführender bzw. mit diesem Modulationssignal modulierter oder zeitlich korrelierter Anteil des Ausgangssignals herausgefiltert wird. Durch die zumindest bereichsweise Trennung der Strahlengänge der Lichtkomponenten können die Lichtkomponenten in einfacher Weise sowohl unabhängig voneinander moduliert als auch so erzeugt oder manipuliert werden, dass sie sich in dem mindestens einen Parameter voneinander unterscheiden. Unter einem Strahlengang soll hierbei jeder mögliche Weg zwischen Lichtquelle und Probe verstanden werden. Durch die mehreren Signalkanäle der Auswerteeinheit ist es möglich, in den Signalkanälen geführte Signale gleichzeitig weiterzuverarbeiten.For each of the light components or each of the modulation signals, there is thus at least one signal channel in each case in which a portion of the output signal attributable to this light component or modulated or modulated by this modulation signal is filtered out. As a result of the at least regional separation of the beam paths of the light components, the light components can be modulated both independently of one another and also be generated or manipulated in such a way that they differ from one another in the at least one parameter. A beam path is to be understood here as meaning any possible path between the light source and the sample. Due to the multiple signal channels of the evaluation unit, it is possible to further process signals carried in the signal channels simultaneously.

Zum Erzeugen der verschiedenen Lichtkomponenten kann die Anordnung mehrere Lichtquellen aufweisen. Im Hinblick auf den mindestens einen Parameter, in dem sich die Lichtkomponenten unterscheiden sollen, können die Lichtquellen bereits selbst in unterschiedlichen Winkeln zur Probe angeordnet und/oder zur Erzeugung von Licht jeweils unterschiedlicher Wellenlängen oder Spektren und/oder jeweils unterschiedlicher Polarisationen ausgebildet sein. Durch mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Eigenschaften können Messungen mit mehreren Messparametern zeitgleich durchgeführt werden, sodass die Messzeit entsprechend reduziert wird.For generating the various light components, the arrangement may comprise a plurality of light sources. With regard to the at least one parameter in which the light components are to differ, the light sources may themselves already be arranged at different angles to the sample and / or designed to generate light of respectively different wavelengths or spectra and / or different polarizations. Due to several light sources with different properties, measurements with several measuring parameters can be carried out at the same time, so that the measuring time is reduced accordingly.

In besonders vorteilhafter Weise kann der Einfallswinkel zwischen einer der Lichtquellen und der Probe verstellbar sein durch eine Positionsänderung der jeweiligen Lichtquelle und bzw. oder weiterer im Strahlengang angeordneter Bauelemente. Alternativ oder zusätzlich können auch die Probe selbst und/oder der mindestens eine Detektor in ihrer Position verstellbar sein, sodass der Einfallswinkel und/oder der Streuwinkel variabel eingestellt werden können.In a particularly advantageous manner, the angle of incidence between one of the light sources and the sample may be adjustable by a change in position of the respective light source and / or further components arranged in the beam path. Alternatively or additionally, the sample itself and / or the at least one detector can be adjustable in position, so that the angle of incidence and / or the scattering angle can be variably adjusted.

Alternativ oder zusätzlich kann in mindestens einem der Strahlengänge ein wellenlängenselektives Element und/oder ein Polarisator angeordnet sein, um der durch diesen Strahlengang geführten Lichtkomponente eine von mindestens einer anderen der Lichtkomponenten unterschiedliche Wellenlänge oder spektrale Zusammensetzung und/oder Polarisation zu geben. Auch dadurch lässt sich erreichen, dass die Lichtkomponenten sich in dem oder den gewünschten Parameter(n) – also z. B. Wellenlänge oder Polarisation – unterscheiden. Alternatively or additionally, a wavelength-selective element and / or a polarizer can be arranged in at least one of the beam paths in order to give the light component guided by this beam path a different wavelength or spectral composition and / or polarization from at least one other of the light components. This also makes it possible to achieve that the light components in the or the desired parameter (s) - ie z. B. wavelength or polarization - different.

Es kann auch vorgesehen sein, dass in einem der zwischen der Lichtquelle und der Probe gelegenen Strahlengänge und/oder in einem zwischen der Probe und dem Detektor gelegenen Strahlengang eine Abschwächvorrichtung, vorzugsweise ein Filter, zum Einstellen einer Intensität des Lichts oder einer der Lichtkomponenten angeordnet ist. Hierdurch können die mit dem Detektor detektierten gestreuten Anteile aller Lichtkomponenten auf Leistungen gleicher Größenordnung normiert werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und insbesondere ein Übersprechen zwischen den Signalkanälen minimiert wird.It can also be provided that an attenuation device, preferably a filter, for adjusting an intensity of the light or one of the light components is arranged in one of the beam paths located between the light source and the sample and / or in a beam path located between the sample and the detector , As a result, the scattered components of all light components detected by the detector can be normalized to powers of the same order of magnitude, whereby the signal-to-noise ratio is improved and in particular crosstalk between the signal channels is minimized.

Die Auswertevorrichtung kann zum Herausfiltern der zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteile des Ausgangssignals in jedem der Signalkanäle mindestens einen Bandpassfilter und/oder mindestens einen Lock-in-Verstärker umfassen. Hierdurch kann effizient eine Filterung des Ausgangssignals vorgenommen werden. Bei der Verwendung eines Lock-in-Verstärkers wird als Referenzsignal, mit dem ein Referenzeingang dieses Lock-in-Verstärkers beschickt wird, vorzugsweise jeweils genau das Modulationssignal verwendet, mit dem die Lichtkomponente moduliert wird, deren Anteil am Ausgangssignal in diesem Signalpfad herauszufiltern ist. Die Modulationssignale können dazu z. B. in einer Steuereinheit erzeugt und zeitlich korreliert sowohl an die Modulatoren bzw. Lichtquellen als auch an die Lock-in-Verstärker übergeben werden.The evaluation device may comprise at least one band-pass filter and / or at least one lock-in amplifier for filtering out the portions of the output signal correlated in time with the various modulation signals in each of the signal channels. As a result, filtering of the output signal can be performed efficiently. When using a lock-in amplifier is used as a reference signal, with a reference input of this lock-in amplifier, preferably each exactly the modulation signal used to modulate the light component, the proportion of the output signal in this signal path is filtered out. The modulation signals can be z. B. generated in a control unit and temporally correlated to be passed both to the modulators or light sources and to the lock-in amplifier.

Außerdem kann in mindestens einem der Strahlengänge mindestens eine optische Komponente zur Strahlformung, Strahlfaltung, Minimierung von Streulicht im Strahlengang oder Polarisationseinstellung angeordnet sein. Unter ”Streulicht im Strahlengang” soll hierbei in den Strahlengängen befindliches, extern durch Umgebungslicht oder intern durch unerwünschte Streuung an optischen Elementen des Strahlengangs erzeugtes, unerwünschtes Licht verstanden werden, welches sich negativ auf die Messung auswirken kann. Vorzugsweise ist diese optische Komponente ein Spiegel, ein halbdurchlässiger oder dichroitischer Spiegel, eine Linse, ein Raumfilter, eine Blende, ein Polarisator, eine λ/4-Platte oder eine λ/2-Platte oder umfasst eines oder mehrere dieser Elemente. Hierdurch können gewünschte Eigenschaften des auf die Probe auftreffenden Strahls wie eine Fokussierung oder eine geometrische Verteilung des Strahls eingestellt und die Strahlengänge in geeigneter Weise geführt werden. Spiegel weisen hierbei gegenüber Linsen den Vorteil auf, eine geringere Anzahl optischer Oberflächen zu besitzen, was eine Streustrahlung reduziert. Schließlich sind Spiegel bei polychromatischer Beleuchtung auch farbfehlerfrei.In addition, at least one optical component for beam shaping, beam folding, minimization of scattered light in the beam path or polarization adjustment can be arranged in at least one of the beam paths. The term "scattered light in the beam path" is intended to mean unwanted light generated externally by ambient light or internally by unwanted scattering on optical elements of the beam path in the beam paths, which may have a negative effect on the measurement. Preferably, this optical component is a mirror, semipermeable or dichroic mirror, lens, spatial filter, aperture, polarizer, λ / 4 plate or λ / 2 plate, or comprises one or more of these elements. As a result, desired properties of the beam impinging on the sample, such as focusing or a geometric distribution of the beam, can be set and the beam paths can be guided in a suitable manner. In this case, mirrors have the advantage over lenses of having a smaller number of optical surfaces, which reduces scattered radiation. Finally, mirrors in polychromatic lighting are also color defect free.

Zum Modulieren der Lichtkomponenten in mindestens einem der Strahlengänge kann ein über die Steuereinheit steuerbarer Modulator angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Anordnung für mindestens eine der Lichtkomponenten eine eigene modulierbare Lichtquelle aufweisen. Der Modulator umfasst vorzugsweise einen mechanischen Chopper oder einen akustooptischen Modulator. Die modulierbare Lichtquelle umfasst vorzugsweise eine Laserdiode oder einen Festkörperlaser. Durch Verwendung der modulierbaren Lichtquelle kann die Lichtkomponente bereits direkt bei ihrer Erzeugung mit einer Modulation versehen werden, sodass keine weiteren Bauteile im Strahlengang vorgesehen werden müssen und die Anordnung platzsparender ausgeführt werden kann. Außerdem ist hierdurch eine Modulierung mit einem sinusförmigen Modulationssignal, welches hinsichtlich des Übersprechenverhaltens günstiger ist, einfacher möglich.For modulating the light components in at least one of the beam paths, a modulator controllable via the control unit can be arranged. Alternatively or additionally, the arrangement for at least one of the light components may have its own modulatable light source. The modulator preferably comprises a mechanical chopper or an acousto-optic modulator. The modulatable light source preferably comprises a laser diode or a solid-state laser. By using the modulatable light source, the light component can already be provided with a modulation directly when it is generated, so that no other components in the beam path must be provided and the arrangement can be carried out space-saving. In addition, this is a modulation with a sinusoidal modulation signal, which is cheaper in terms of crosstalk, easier possible.

Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorzugsweise die vorgeschlagene Anordnung verwendet werden.For carrying out the proposed method, the proposed arrangement may preferably be used.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 6 erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described below with reference to the 1 to 6 explained.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Durchführung einer winkelaufgelösten Streulichtmessung; 1 a schematic view of an arrangement for performing an angle-resolved scattered light measurement;

2 eine 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Anordnung mit einer einzelnen Lichtquelle; 2 a 1 corresponding representation of another arrangement with a single light source;

3 eine Abwandlung der in 1 dargestellten Anordnung mit einem zusätzlichen Aufbau für eine mehrfache Modulierung; 3 a modification of the in 1 illustrated arrangement with an additional structure for a multiple modulation;

4 eine den 1 und 2 entsprechende Ansicht einer weiteren Anordnung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, bei der Lichtkomponenten unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Probe auftreffen; 4 a the 1 and 2 corresponding view of another arrangement for angle-resolved scattered light measurement in which light components impinge on the sample at different angles of incidence;

5 eine frequenzabhängige Übertragungsfunktion zweier Filter und 5 a frequency-dependent transfer function of two filters and

6 ein exemplarisches Diagramm des Übersprechverhaltens für verschiedene Verhältnisse von Störsignal zu zu messendem Signal. 6 an exemplary diagram of the crosstalk behavior for different ratios of noise to signal to be measured.

In 1 ist in einer schematischen Ansicht eine Anordnung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung dargestellt. Drei Laser 1, 2, 3 bzw. Laserdioden erzeugen jeweils eine Lichtkomponente, die in einem Strahlengang zu einer Probe 17 geführt wird. Insgesamt weist die dargestellte Anordnung genau so viele Strahlengänge wie Lichtquellen auf. Die in den verschiedenen Strahlengängen geführten Lichtkomponenten unterscheiden sich in mindestens einem Parameter voneinander, im dargestellten Ausführungsbeispiel in ihrer Wellenlänge, da die Laser 1, 2, 3 jeweils unterschiedliche Wellenlängen emittieren. Die einzelnen Lichtkomponenten werden durch einen Spiegel 13 und zwei dichroitische Spiegel 14 und 15 kombiniert und als ein Probenstrahl auf die Probe 17 geleitet. Vor dem dichroitischen Spiegel 15 sind die Strahlengänge jedoch unterschiedlich geführt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich die drei Laser 1, 2, 3 als Lichtquellen dargestellt, es können aber natürlich auch mehr als drei Lichtquellen und eine entsprechend höhere Anzahl von Strahlengängen vorgesehen sein. Stattdessen könnte auch nur eine einzelne Lichtquelle vorgesehen sein und das von dieser Lichtquelle erzeugte Licht beispielsweise durch einen Strahlteiler in mehrere Lichtkomponenten aufgespalten werden, die dann wieder in jeweils einem eigenen Strahlengang geführt würden. Insbesondere im letztgenannten Fall kann den Lichtkomponenten durch Farbfilter jeweils eine von den anderen Lichtkomponenten verschiedene Wellenlänge oder spektrale Zusammensetzung gegeben werden.In 1 is shown in a schematic view of an arrangement for angle-resolved scattered light measurement. Three lasers 1 . 2 . 3 or laser diodes each generate a light component that is in a beam path to a sample 17 to be led. Overall, the arrangement shown on as many optical paths as light sources. The guided in the different beam paths light components differ in at least one parameter from each other, in the illustrated embodiment in wavelength, since the laser 1 . 2 . 3 each emit different wavelengths. The individual light components are reflected by a mirror 13 and two dichroic mirrors 14 and 15 combined and as a sample beam to the sample 17 directed. In front of the dichroic mirror 15 However, the beam paths are guided differently. In the in 1 shown embodiment, only the three lasers 1 . 2 . 3 represented as light sources, but it can of course be provided more than three light sources and a correspondingly higher number of beam paths. Instead, only a single light source could be provided and the light generated by this light source can be split, for example, by a beam splitter into several light components, which would then be guided again in each case a separate beam path. In particular, in the latter case, the light components by color filters in each case be given a different wavelength or spectral composition of the other light components.

In jedem der Strahlengänge ist ein Modulator 7, 8, 9 enthalten, welcher die jeweilige Lichtkomponente unabhängig von anderen Lichtkomponenten in ihrer Intensität moduliert. Die Modulatoren 7, 8, 9 modulieren die verschiedenen Lichtkomponenten dabei mit unterschiedlichen Modulationssignalen, mit denen die Modulatoren 7, 8, und 9 dazu angesteuert werden und die sich in Frequenz, Signalform und Phase voneinander unterscheiden können. Der Modulator 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein akustooptischer Modulator, während die Modulatoren 8 und 9 mechanische Chopper sind. In einer alternativen Ausführungsform können auch die Laser 1, 2, 3 selbst modulierbar sein, beispielsweise durch Verwendung modulierbarer Laserdioden. Die Modulatoren 7, 8, 9 werden jeweils über in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Steuereinheiten unabhängig voneinander angesteuert. Alternativ kann auch nur eine einzige Steuereinheit mit mehreren Ausgängen zum Ansteuern der Modulatoren 7, 8, 9 vorgesehen sein. Wenn die Laser 1, 2 und 3 selbst extern oder intern modulierbar sind, werden statt der dann wegfallenden Modulatoren 7, 8 und 9 die Laser 1, 2 und 3 entsprechend angesteuert.In each of the beam paths is a modulator 7 . 8th . 9 contain, which modulates the respective light component independently of other light components in their intensity. The modulators 7 . 8th . 9 modulate the different light components with different modulation signals, with which the modulators 7 . 8th , and 9 to be controlled and which may differ in frequency, waveform and phase. The modulator 7 is an acousto-optic modulator in the illustrated embodiment, while the modulators 8th and 9 mechanical choppers are. In an alternative embodiment, the lasers can also be used 1 . 2 . 3 itself be modulated, for example by using modulatable laser diodes. The modulators 7 . 8th . 9 are each about in 1 for reasons of clarity not shown control units independently controlled. Alternatively, only a single control unit with multiple outputs for driving the modulators 7 . 8th . 9 be provided. If the lasers 1 . 2 and 3 can be externally or internally modulated, instead of the then omitting modulators 7 . 8th and 9 the lasers 1 . 2 and 3 controlled accordingly.

In jedem der Strahlengänge ist ein optischer Filter 4, 5, 6 angeordnet, der dafür sorgt, dass die einzelnen Lichtkomponenten eine derart angepasste Intensität haben, dass die später detektierten gestreuten Anteile aller Lichtkomponenten Leistungen gleicher Größenordnung haben. Dies dient einer Beschränkung eines Übersprechverhaltens auf zwischen drei und zehn Zehnerpotenzen, um eine zuverlässige Messung zu ermöglichen. Typischerweise ist durch eine alleinige Benutzung der optischen Filter 4, 5, 6 als mechanische Filter das Beschränken des Übersprechens auf eine bis zehn Größenordnungen erreichbar, während bei alleiniger Verwendung eines Lock-in-Verstärkers zur Verbesserung des Übersprechverhaltens typischerweise das Übersprechverhalten auf drei Größenordnungen beschränkt werden kann. Durch eine Kombination beider Verfahren lässt sich das Übersprechverhalten weiter verbessern, sodass die einzelnen Signalkanäle einen Signalunterschied von mehr als zehn Größenordnungen aufweisen können. Eine erforderliche Anzahl an Filterstufen für ein Erreichen des für die Streulichtmessung notwendigen Dynamikbereichs kann außerdem durch eine Verbesserung des Übersprechverhaltens des Lock-in-Verstärkers reduziert werden. Aufgrund einer extrem hohen Dynamik von Streulichtmessungen ist ein derart niedriges Übersprechverhalten zwischen den einzelnen Signalkanälen entscheidend für das Gelingen der Messung.In each of the beam paths is an optical filter 4 . 5 . 6 arranged, which ensures that the individual light components have an adapted intensity so that the later detected scattered proportions of all light components have the same magnitude. This serves to limit a crosstalk behavior to between three and ten orders of magnitude, in order to allow a reliable measurement. Typically, by use of the optical filter alone 4 . 5 . 6 as mechanical filters, limiting crosstalk to one to ten orders of magnitude can be achieved, while using a lock-in amplifier alone to improve crosstalk performance typically limits crosstalk behavior to three orders of magnitude. By a combination of both methods, the crosstalk behavior can be further improved so that the individual signal channels can have a signal difference of more than ten orders of magnitude. A required number of filter stages for achieving the dynamic range necessary for the scattered light measurement can also be reduced by improving the crosstalk behavior of the lock-in amplifier. Due to the extremely high dynamics of scattered light measurements, such a low crosstalk behavior between the individual signal channels is crucial for the success of the measurement.

Außerdem ist in den Strahlengängen jeweils eine optische Komponente 10, 11, 12 zur Strahlformung enthalten, welche auch aus mehreren einzelnen Bauteilen bestehen kann, also durch eine Bauteilgruppe realisiert werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die optischen Komponenten 10, 11, 12 jeweils einen Raumfilter zur Homogenisierung der jeweiligen Lichtkomponente sowie eine Linse zur Einstellung eines Fokus auf die Probe 17. Über den Spiegel 13 sowie die dichroitischen Spiegel 14 und 15 werden die Lichtkomponenten zusammengeführt und gemeinsam als Probenstrahl auf die Probe 17 geleitet. Der Probenstrahl durchläuft hierbei einen weiteren optischen Filter 16, der die Intensität des Probenstrahls auf ein die Probe 17 nicht schädigendes Niveau anpasst und bzw. oder die Intensität des an der Probe 17 gestreuten Lichts derart anpasst, dass ein Signal-zu-Rauschen-Verhältnis eines zur Detektion verwendeten Detektors 18 optimiert wird und bzw. oder die Intensität im linearen Bereich des Detektors 18 liegt.In addition, in the beam paths in each case an optical component 10 . 11 . 12 for beam shaping, which may also consist of several individual components, that can be realized by a group of components. In the illustrated embodiment, the optical components include 10 . 11 . 12 in each case a spatial filter for homogenizing the respective light component as well as a lens for Setting a focus on the sample 17 , About the mirror 13 as well as the dichroic mirrors 14 and 15 The light components are brought together and together as a sample beam to the sample 17 directed. The sample beam passes through another optical filter 16 which measures the intensity of the sample beam on the sample 17 non-damaging level and / or the intensity of the sample 17 of scattered light such that a signal-to-noise ratio of a detector used for detection 18 is optimized and / or the intensity in the linear region of the detector 18 lies.

Die optischen Filter 4, 5, 6 und 16 können an verschiedenen Positionen in den jeweiligen Strahlengängen angeordnet sein und jeweils ein einstellbares Abschwächungsverhältnis aufweisen. Statt der dichroitischen Spiegel 14, 15 oder zusätzlich dazu können auch ein Strahlteiler, ein Gitter, ein Prisma, ein Wellenleiter und bzw. oder eine lichtleitende Faser zur Führung der Strahlengänge verwendet werden. Der Probenstrahl kann insbesondere auch über eine Faser auf die Probe 17 geleitet werden, wodurch eine kompakte Strahlführung und eine kompakte Bauweise der Anordnung bei genauer Überlagerung der Lichtkomponenten und geringer Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Instabilitäten bei langen Strahlengängen möglich ist. Zum Kombinieren der Lichtkomponenten werden allerdings bevorzugt Spiegel bzw. Linsen mit Superpolituren, also geringstreuenden Oberflächen, verwendet. Falls die optischen Komponenten 10, 11, 12 keinen Raumfilter umfassen, weisen vorzugsweise sämtliche der verwendeten Spiegel und Linsen Superpolituren auf, andernfalls werden in vorteilhafter Weise lediglich für in den Strahlengängen zwischen dem Raumfilter und der Probe 17 angeordnete Spiegel und Linsen derartige Bauelement mit Superpolituren eingesetzt. Spiegel sind Linsen im Allgemeinen vorzuziehen aufgrund der geringeren Anzahl optischer Oberflächen und einer damit verbundenen geringeren unerwünschten Streustrahlung.The optical filters 4 . 5 . 6 and 16 may be arranged at different positions in the respective beam paths and each have an adjustable attenuation ratio. Instead of the dichroic mirror 14 . 15 or in addition, a beam splitter, a grating, a prism, a waveguide and / or a light-conducting fiber can be used to guide the beam paths. In particular, the sample beam can also be applied to the sample via a fiber 17 be guided, whereby a compact beam guidance and a compact construction of the arrangement with accurate superposition of the light components and low sensitivity to mechanical instabilities in long beam paths is possible. For combining the light components, however, preference is given to using mirrors or lenses with superpolicies, ie, low-scattering surfaces. If the optical components 10 . 11 . 12 do not comprise a spatial filter, preferably all of the mirrors and lenses used have super polishes, otherwise advantageously only in the beam paths between the spatial filter and the specimen 17 arranged mirrors and lenses used such device with super polishes. Mirrors are generally preferable to lenses due to the lower number of optical surfaces and associated less unwanted scattered radiation.

Die optischen Komponenten 10, 11, 12 dienen auch einer Einstellung eines möglichst gleich großen Strahldurchmessers und einer möglichst gleich großen Divergenz bzw. Homogenisierung der einzelnen Lichtkomponenten. Außerdem können in den Strahlengängen noch in 1 nicht dargestellte Raumfilter oder Blenden angeordnet sein bzw. Komponenten zur Einstellung einer Polarisation wie Polarisatoren oder λ/4-Platten bzw. λ/2-Platten. Es kann auch, insbesondere bei der Verwendung polychromatischer Lichtquellen, ein wellenlängenselektives Element wie beispielsweise ein Farbfilter vorgesehen sein, um der durch den jeweiligen Strahlengang geführten Lichtkomponente eine von den Lichtkomponenten der anderen Strahlengänge unterschiedliche Wellenlänge oder spektrale Zusammensetzung zu geben.The optical components 10 . 11 . 12 also serve to set a beam diameter of the same size as possible and a divergence or homogenization of the individual light components that is as uniform as possible. In addition, in the beam paths still in 1 not shown spatial filters or diaphragms or components for adjusting a polarization such as polarizers or λ / 4 plates or λ / 2 plates. It may also, in particular when using polychromatic light sources, a wavelength-selective element such as a color filter may be provided to give the guided by the respective beam path light component of the light components of the other beam paths different wavelength or spectral composition.

Der Probenstrahl trifft unter einem Einfallswinkel θi auf die Probe 17 und wird an der Probe 17 gestreut. Der Einfallswinkel θi kann eingestellt werden durch Verkippen der Probe 17. Alternativ oder zusätzlich können statt die Probe zu Verkippen auch die Laser 1, 2, 3 samt den optischen Filtern 4, 5, 6, 16 den Modulatoren 7, 8, 9, den optischen Elementen 10, 11, 12, dem Spiegel 13 und den dichroitischen Spiegeln 14 und 15 verkippt werden. Hierbei kann der Detektor 18 ortsfest gehalten oder ebenfalls entsprechend verkippt werden.The sample beam strikes the sample at an incident angle θ i 17 and will be at the rehearsal 17 scattered. The angle of incidence θ i can be adjusted by tilting the sample 17 , Alternatively or additionally, instead of the sample to tilt, the laser 1 . 2 . 3 including the optical filters 4 . 5 . 6 . 16 the modulators 7 . 8th . 9 , the optical elements 10 . 11 . 12 , the mirror 13 and the dichroic mirrors 14 and 15 be tilted. Here, the detector 18 held stationary or also tilted accordingly.

Ein von der Probe 17 gestreuter und spekular reflektierter Anteil des Lichts wird von dem Detektor 18 detektiert. Der Detektor 18 umfasst einen Photomultiplier, kann allerdings auch eine Photodiode oder einen Matrixsensor aufweisen. Der Detektor 18 kann in verschiedenen Winkeln zur Probe 17 eingestellt werden, um unter verschiedenen Streuwinkeln θs gestreute Anteile des Lichts zu erfassen. Die Streuwinkel θs können auch azimutale Streuwinkel sein. Es können auch mehrere Detektoren zum Erfassen des Streulichts unter verschiedenen Streuwinkeln vorgesehen sein, was eine Vervielfachung einer Ortsfrequenzabtastung ermöglicht. Die Ortsfrequenz f als in-plane-Komponente ist hierbei über

Figure 00190001
definiert, wobei λ die Wellenlänge bezeichnet. Durch Verwenden von mehreren Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, aber gegebenenfalls demselben Gesichtsfeld, ermöglicht eine Verbreiterung der gesamten spektralen Empfindlichkeit.One from the sample 17 scattered and specularly reflected portion of the light is from the detector 18 detected. The detector 18 includes a photomultiplier, but may also have a photodiode or a matrix sensor. The detector 18 can sample at different angles 17 are set to detect scattered portions of the light at different scattering angles θ s . The scattering angles θ s can also be azimuthal scattering angles. It is also possible to provide a plurality of detectors for detecting the scattered light at different scattering angles, which makes it possible to multiply a spatial frequency scan. The spatial frequency f as an in-plane component is over
Figure 00190001
defines, where λ denotes the wavelength. By using multiple detectors with different spectral sensitivity but possibly the same field of view, broadening of the overall spectral sensitivity is possible.

Vor dem Detektor 18 können auch weitere optische Komponenten zum Einstellen eines Gesichtsfelds, eines erfassten Raumwinkels und/oder zum Einstellen einer Polarisation, wie beispielsweise Blenden, Linsen, Spiegel oder Polarisationsoptiken, angeordnet sein. Insbesondere durch Verwenden von Polarisationsoptiken, wie entsprechend orientierten λ/4-Platten bzw. λ/2-Platten, oder Polarisatoren können Polarisationseigenschaften der Probe 17 umfassender charakterisiert werden, um Rückschlüsse auf unterschiedliche Streuursachen ziehen zu können. Ebenso ist es möglich, Lichtleiter, Wellenleiter oder Fasern zu verwenden, um den gestreuten Anteil des Lichts zum Detektor 18 zu führen, was wiederum eine kompakte Bauweise der Anordnung erlaubt.In front of the detector 18 It is also possible to arrange further optical components for setting a field of view, a detected solid angle and / or for setting a polarization, such as diaphragms, lenses, mirrors or polarization optics. In particular, by using polarization optics, such as correspondingly oriented λ / 4 plates or λ / 2 plates, or polarizers, polarization properties of the sample 17 be characterized in more detail in order to be able to draw conclusions on different sources of scatter. It is also possible to use optical fibers, waveguides or fibers to control the scattered portion of the light to the detector 18 lead, which in turn allows a compact design of the arrangement.

Der Detektor 18 wandelt den gestreuten Anteil des Lichts in ein elektrisches Signal um, welches in einer drei Lock-in-Verstärker 19, 20, 21 umfassenden Auswerteeinheit in mehrere Signalkanäle aufgeteilt wird. In jedem der Signalkanäle ist einer der Lock-in-Verstärker 19, 20, 21 angeordnet. Ausgangssignale der Lock-in-Verstärker können zeitgleich einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Die Auswerteeinheit weist somit mehrere parallele Signalkanäle auf. An einem Referenzeingang jedes der Lock-in-Verstärker 19, 20, 21 liegt jeweils ein Referenzsignal an, das dem Modulationssignal einer der Lichtkomponenten entspricht, wobei alle Modulationssignale im vorliegenden Fall jeweils an genau einem der Lock-in-Verstärker 19, 20, 21 anliegen. Die jeweiligen Referenzsignale werden von den Steuereinheiten hierzu zusätzlich zu den Modulatoren 7, 8, 9 auch an die Lock-in-Verstärker 19, 20, 21 übertragen. Die Auswerteeinheiten 19, 20, 21 filtern dadurch einen zeitlich mit dem jeweiligen Modulationssignal korrelierten Anteil des Ausgangssignals heraus, welcher in den Signalkanälen dann einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird. Somit ist jeder der genannten Lichtkomponenten einer der Signalkanäle eindeutig zugeordnet – bei Abwandlungen könnten auch jeweils mehr als ein Signalkanal für jede der Lichtkomponenten vorgesehen sein, beispielsweise bei einer Verwendung von mehreren Detektoren, deren Anfangssignale zeitgleich ausgewertet werden. Statt der Lock-in-Verstärker 19, 20, 21 können auch Bandpassfilter zum Herausfiltern der auf die verschiedenen Lichtkomponenten zurückzuführenden Anteile des Ausgangssignals des Detektors 18 Verwendung finden. Die in 1 dargestellte Anordnung weist durch die separierte Behandlung der einzelnen Anteile des Ausgangssignals in verschiedenen Signalkanälen einen Dynamikbereich von mehr als 10 Zehnerpotenzen und ein Rauschniveau (ARS-Untergrundlevel) von weniger als 10–7 sr–1 auf. Gleichzeitig können Nanostrukturen auf Oberflächen, in Schichtsystemen und im Materialvolumen mit Strukturbreiten von weniger als 1 nm charakterisiert werden. The detector 18 converts the scattered portion of the light into an electrical signal, which in a three lock-in amplifier 19 . 20 . 21 comprehensive evaluation is divided into several signal channels. In each of the signal channels is one of the lock-in amplifier 19 . 20 . 21 arranged. Output signals of the lock-in amplifiers can be fed simultaneously for further processing. The evaluation unit thus has several parallel signal channels. At a reference input, each of the lock-in amplifiers 19 . 20 . 21 is in each case a reference signal, which corresponds to the modulation signal of one of the light components, wherein all the modulation signals in the present case at exactly one of the lock-in amplifier 19 . 20 . 21 issue. The respective reference signals are from the control units in addition to the modulators 7 . 8th . 9 also to the lock-in amplifier 19 . 20 . 21 transfer. The evaluation units 19 . 20 . 21 thereby filter out a portion of the output signal which is correlated in time with the respective modulation signal and which is then fed to further processing in the signal channels. Thus, each of the said light components of one of the signal channels is uniquely assigned - with modifications, more than one signal channel could be provided for each of the light components, for example, when using multiple detectors, the initial signals are evaluated simultaneously. Instead of the lock-in amplifier 19 . 20 . 21 Bandpass filters can also be used to filter out the components of the output signal of the detector attributable to the different light components 18 Find use. In the 1 As a result of the separated treatment of the individual components of the output signal in different signal channels, the arrangement shown has a dynamic range of more than 10 powers of ten and a noise level (ARS background level) of less than 10 -7 sr -1 . At the same time, nanostructures can be characterized on surfaces, in layer systems and in material volumes with structure widths of less than 1 nm.

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Streulichtmessung mit einem einzigen Laser 1 als Lichtquelle gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind hier wie auch in den folgenden Zeichnungen mit identischen Bezugszeichen versehen. Die in dieser Figur dargestellte Anordnung zur Streulichtmessung entspricht der in 1 dargestellten Anordnung, jedoch wird nur der Laser 1 statt mehreren Lasern benutzt und das von dem Laser 1 ausgesandte Licht durch zwei dichroitische Spiegel 14 und 15 in die einzelnen Lichtkomponenten aufgespalten sowie durch die dichroitischen Spiegel 14 und 15 und den Spiegel 13 und auf die Modulatoren 7, 8 und 9 in den Strahlengängen geleitet. Zur Einstellung verschiedener Wellenlängen sind die Filter 4, 5 und 6 in diesem Fall auch wellenlängenselektiv, sodass nach Durchlaufen besagter Filter jede Lichtkomponente eine unterschiedliche Wellenlänge aufweist.In 2 is an embodiment of a device for scattered light measurement with a single laser 1 shown as a light source. Recurring features are provided with identical reference numerals here as well as in the following drawings. The arrangement shown in this figure for scattered light measurement corresponds to the in 1 shown arrangement, however, only the laser 1 instead of using several lasers and that of the laser 1 emitted light through two dichroic mirrors 14 and 15 split into the individual light components and through the dichroic mirror 14 and 15 and the mirror 13 and on the modulators 7 . 8th and 9 passed in the beam paths. To set different wavelengths are the filters 4 . 5 and 6 in this case also wavelength-selective, so that after passing through said filter each light component has a different wavelength.

In 3 ist eine Abwandlung der in 1 gezeigten Anordnung dargestellt, welche um einen zusätzlichen Aufbau zur mehrfachen Modulierung erweitert wurde. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Anordnung wird der Probenstrahl nach Durchlaufen des weiteren optischen Filters 16, allerdings noch vor dem Auftreffen auf die Probe 17, nochmals aufgeteilt und moduliert.In 3 is a variation of the in 1 shown arrangement, which has been extended by an additional structure for multiple modulation. Unlike the in 1 The arrangement shown, the sample beam after passing through the other optical filter 16 , but even before hitting the test 17 , again divided and modulated.

Die einzelnen Lichtkomponenten sind in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zirkular polarisiert. Hinter dem weiteren optischen Filter 16 wird der Probenstrahl durch einen polarisierenden Strahlteiler 25 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, wobei ein erster Teilstrahl eine s-Polarisation aufweist und durch einen ersten zusätzlichen Modulator 27 geführt wird, während ein zweiter Teilstrahl eine p-Polarisation aufweist und durch einen zweiten zusätzlichen Modulator 28 geführt wird. Die genannten weiteren Modulatoren 27, 28 modulieren die beiden Teilstrahlen wiederum in unterschiedlicher Weise unabhängig voneinander. Durch einen weiteren polarisierenden Strahlteiler 26 werden die beiden Teilstrahlen schließlich miteinander kombiniert und auf die Probe 17 geleitet. In weiteren Ausführungsformen können die einzelnen Lichtkomponenten auch linear polarisiert sein und durch je ein λ/4-Plättchen in jedem der Teilstrahlen in einen rechts-zirkular polarisierten Anteil und einen links-zirkular polarisierten Anteil aufgespalten werden.The individual light components are in the in 3 illustrated embodiment circularly polarized. Behind the further optical filter 16 the sample beam is passed through a polarizing beam splitter 25 divided into two sub-beams, wherein a first sub-beam has an s-polarization and by a first additional modulator 27 while a second sub-beam has a p-polarization and by a second additional modulator 28 to be led. The other modulators mentioned 27 . 28 In turn, the two partial beams modulate independently of each other in different ways. Through another polarizing beam splitter 26 Finally, the two partial beams are combined with each other and put to the test 17 directed. In further embodiments, the individual light components can also be linearly polarized and split by a respective λ / 4 plate in each of the sub-beams in a right-circularly polarized portion and a left-circularly polarized portion.

Die Auswerteeinheit umfasst statt der in 1 dargestellten drei Lock-in-Verstärker 19, 20, 21 nun drei weitere Lock-in-Verstärker 22, 23, 24, also insgesamt sechs Lock-in-Verstärker. In jedem der Lock-in-Verstärker 19, 20, 21, 22, 23 und 24 sind zwei Demodulatoren hintereinander geschaltet, sodass eine Demodulation des Modulationssignals der in den Strahlengängen angeordneten Modulatoren 7, 8, 9 in allen dargestellten Lock-in-Verstärkern 19, 20, 21, 22, 23, 24 und eine Demodulation des Modulationssignal des ersten weiteren Modulators 27 in den Lock-in-Verstärkern 19, 20, 21 und eine Demodulation des Modulationssignals des zweiten weiteren Modulators 28 in den Lock-in-Verstärkern 22, 23 und 24 erfolgt. In einer weiteren Ausführungsform können – anstatt einen Lock-in-Verstärker mit zwei Demodulatoren zu verwenden – auch statt der Lock-in-Verstärker 19, 20, 21, 22, 23, 24 jeweils zwei Lock-in-Verstärker hintereinander geschaltet sein, sodass bezogen auf das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel insgesamt zwölf paarweise zusammengefasste Lock-in-Verstärker eingesetzt werden. Somit lassen sich Streusignale unterschiedlicher Wellenlängen oder Spektren jeweils für s- oder p-polarisierte Lichtkomponenten rekonstruieren. Es gibt im dargestellten Ausführungsbeispiel daher insgesamt sechs verschiedene Kombinationsmöglichkeiten: s-polarisierte Lichtkomponente mit einer ersten Wellenlänge, s-polarisierte Lichtkomponente mit einer zweiten Wellenlänge, s-polarisierte Lichtkomponente mit einer dritten Wellenlänge, p-polarisierte Lichtkomponente mit einer ersten Wellenlänge, p-polarisierte Lichtkomponente mit einer zweiten Wellenlänge, p-polarisierte Lichtkomponente mit einer dritten Wellenlänge.The evaluation unit comprises instead of in 1 illustrated three lock-in amplifier 19 . 20 . 21 now three more lock-in amplifiers 22 . 23 . 24 So a total of six lock-in amplifiers. In each of the lock-in amplifiers 19 . 20 . 21 . 22 . 23 and 24 two demodulators are connected in series, so that a demodulation of the modulation signal of the arranged in the beam paths modulators 7 . 8th . 9 in all illustrated lock-in amplifiers 19 . 20 . 21 . 22 . 23 . 24 and a demodulation of the modulation signal of the first further modulator 27 in the lock-in amplifiers 19 . 20 . 21 and a demodulation of the modulation signal of the second further modulator 28 in the lock-in amplifiers 22 . 23 and 24 he follows. In another embodiment, instead of using a lock-in amplifier with two demodulators, instead of the lock-in amplifier, too 19 . 20 . 21 . 22 . 23 . 24 two lock-in amplifiers are connected in series, so based on the in 3 illustrated embodiment, a total of twelve paired lock-in amplifiers are used. Thus, scattered signals of different wavelengths or spectra can each be reconstructed for s- or p-polarized light components. There are in the illustrated embodiment therefore a total of six different combination options: s-polarized light component with a first wavelength, s-polarized light component having a second wavelength, s-polarized light component having a third wavelength, p-polarized light component having a first wavelength, p-polarized light component having a second wavelength, p-polarized light component having a third wavelength.

In einer alternativen Ausführungsform können auch zunächst zwei parallele Lock-in-Verstärker zur Trennung der Modulationssignale unterschiedlich polarisierter Lichtkomponenten eingesetzt werden, wobei die derart aufgetrennten Signale getrennt voneinander jeweils drei weiteren Lock-in-Verstärkern zugeführt werden, durch welche jedes der Signale nach den Modulationssignalen der ersten, zweiten oder dritten Wellenlänge der Lichtkomponente aufgespalten wird. Somit sind in dieser Ausführungsform insgesamt acht Lock-in-Verstärker nötig. Dieser Anordnung von Lock-in-Verstärkern liegt zugrunde, dass in der ersten Stufe n verschiedene Parameter und in der zweiten Stufe m verschiedene Parameter getrennt werden sollen, sodass insgesamt für die Demodulation n + n·m Lock-in-Verstärker benötigt werden. Im beschriebenen Beispiel ist somit n = 2 für zwei verschiedene Polarisationen und m = 3 für drei verschiedene Wellenlängen.In an alternative embodiment, two parallel lock-in amplifiers can also be used initially to separate the modulation signals of differently polarized light components, whereby the signals separated in this way are fed separately from three further lock-in amplifiers, by which each of the signals after the modulation signals the first, second or third wavelength of the light component is split. Thus, in this embodiment, a total of eight lock-in amplifiers are needed. This arrangement of lock-in amplifiers is based on the fact that n different parameters are to be separated in the first stage and different parameters in the second stage m, so that in total n + n · m lock-in amplifiers are required for the demodulation. In the example described, n = 2 for two different polarizations and m = 3 for three different wavelengths.

Eine Weiterbildung des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels sieht vor, einen polarisationsempfindlichen Detektor zu verwenden, um die s- und p-polarisierten Anteile direkt am Detektor zu trennen. Ein derartiger Detektor kann z. B. eine optische Trennung nach der Detektorapertur in Strahlen unterschiedlicher Polarisation über einen polarisierenden Strahlteiler und Detektion über verschiedene Sensoren des Detektors vorsehen.A further education of in 3 illustrated embodiment provides to use a polarization-sensitive detector to separate the s and p polarized fractions directly at the detector. Such a detector may, for. B. provide an optical separation after the detector aperture in beams of different polarization via a polarizing beam splitter and detection via various sensors of the detector.

Analog kann statt eines polarisationsempfindlichen Detektors auch ein wellenlängenempfindlicher Detektor eingesetzt werden, beispielsweise zur Charakterisierung unelastischer Streuung oder Raman-Streuung. Hierzu kann z. B. über ein Gitter der gestreute Anteil des Lichts wellenlängenabhängig auf mehrere Sensoren des Detektors aufgespalten werden.Analogously, instead of a polarization-sensitive detector, it is also possible to use a wavelength-sensitive detector, for example for characterizing inelastic scattering or Raman scattering. For this purpose, z. B. on a grid, the scattered proportion of the light are wavelength-dependent split on several sensors of the detector.

Statt eines Detektors mit wellenlängenabhängiger bzw. polarisationsabhängiger Aufteilung der Lichtkomponenten auf mehrere Sensoren des Detektors können auch mehrere Detektoren vorgesehen sein, wobei die Aufteilung nach verschiedenen Wellenlängen oder verschiedenen Polarisationen bereits vor einem Eintritt der Lichtkomponenten in die Detektoren erfolgt.Instead of a detector with wavelength-dependent or polarization-dependent division of the light components onto a plurality of sensors of the detector, it is also possible to provide a plurality of detectors, the division into different wavelengths or different polarizations occurring even before the light components enter the detectors.

4 zeigt in einer den 1, 2 und 3 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung. Im Gegensatz zu den in den 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen werden die einzelnen Lichtkomponenten nun nicht mehr miteinander kombiniert und als ein Probenstrahl auf die Probe 17 geleitet. Die Laser 1, 2, 3 sind unter verschiedenen Winkeln zur Probe 17 angeordnet, sodass die von ihnen erzeugten Lichtkomponenten unter einem jeweils unterschiedlichen polaren und/oder azimutalen Einfallswinkel auf die Probe 17 auftreffen. Der weitere optische Filter 16 ist nun direkt vor dem Detektor 18 fixiert, um diesen vor einer Beschädigung durch gestreute Strahlung zu hoher Intensität zu schützen, und wird mit diesem bewegt. Das Abschwächungsverhältnis des Filters 16 wird außerdem derart gewählt, dass der Detektor 18 im linearen Bereich betrieben werden kann und das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis optimiert wird. Da die einzelnen Lichtkomponenten sich bereits in ihren Einfallswinkeln unterscheiden und somit ein größerer Einstellbereich der Ortsfrequenzen gegeben ist, können die Laser 1, 2, 3 in dieser Ausführungsform auch alle eine gleiche Wellenlänge bzw. Polarisation aufweisen, so dass sich die Lichtkomponenten hier unter Umständen nur in dem Parameter Einfallswinkel voneinander unterscheiden. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel treffen alle Lichtkomponenten an einem gleichen Ort auf die Probe 17 auf, es kann aber natürlich auch vorgesehen sein, die einzelnen Lichtkomponenten an unterschiedlichen Positionen auf die Probe 17 auftreffen zu lassen. 4 shows in a the 1 . 2 and 3 corresponding view of another embodiment of an arrangement for angle-resolved scattered light measurement. Unlike in the 1 . 2 and 3 illustrated embodiments, the individual light components are no longer combined with each other and as a sample beam to the sample 17 directed. The lasers 1 . 2 . 3 are at different angles to the sample 17 arranged so that the light components generated by them under a respective different polar and / or azimuthal angle of incidence on the sample 17 incident. The further optical filter 16 is now right in front of the detector 18 fixed to protect it from damage by scattered radiation to high intensity, and is moved with this. The attenuation ratio of the filter 16 is also chosen such that the detector 18 can be operated in the linear range and the signal-to-noise ratio is optimized. Since the individual light components already differ in their angles of incidence and thus a larger range of adjustment of the spatial frequencies is given, the lasers 1 . 2 . 3 in this embodiment also all have the same wavelength or polarization, so that the light components may differ from one another here only in the parameter angle of incidence. In the in 4 In the embodiment shown, all the light components hit the sample at the same location 17 but it can of course also be provided, the individual light components at different positions on the sample 17 to let strike.

Aufgrund der extrem hohen Dynamik von Streulichtmessungen (es werden zum Teil gestreute Leistungen mit dem billionsten Teil einer Einfallsleistung gemessen) ist das niedrige Übersprechverhalten zwischen den einzelnen Signalkanälen entscheidend. Das Übersprechverhalten muss für eine zuverlässige Messung auf zwischen drei und zehn Zehnerpotenzen beschränkt werden. Hierzu bietet es sich an, eine Kombination von teilweise bereits vorgestellten Techniken zu verwenden. Das und die nachfolgend beschriebenen Möglichkeiten gelten dabei für alle Ausführungsbeispiele gleichermaßen.Due to the extremely high dynamics of scattered light measurements (partly scattered powers are measured with the trillionth part of an incident power), the low crosstalk behavior between the individual signal channels is decisive. The crosstalk behavior must be limited to between three and ten powers of ten for a reliable measurement. It makes sense to use a combination of partially already presented techniques. This and the options described below apply equally to all embodiments.

Wie bereits besprochen, können durch die optischen Filter 4, 5, 6 die Intensitäten der Lichtkomponenten einander angleichen werden. Außerdem kann in den Signalkanälen eine elektronische Vorfilterung vorgenommen werden zur Abschwächung von Störsignalen und/oder von durch einen anderen der Signalkanäle zu führenden Anteil des Ausgangssignals. Dies kann durch elektronische Tiefpass- oder Bandpassfilter mit entsprechendem Durchlassbereich erreicht werden. Vorstehend bereits erläutert wurde auch eine optische Vorfilterung durch eine vollständige oder teilweise Aufteilung der einzelnen Lichtkomponenten auf unterschiedliche Detektoren oder Sensoren eines Detektors.As already discussed, through the optical filters 4 . 5 . 6 the intensities of the light components will equalize each other. In addition, in the signal channels an electronic prefiltering be made to attenuate noise and / or by another of the signal channels to leading portion of the output signal. This can be achieved by electronic low-pass or band-pass filters with a corresponding passband. The above has also been explained an optical Pre-filtering by a complete or partial division of the individual light components on different detectors or sensors of a detector.

Als weitere Möglichkeit wird eine Modulationsanpassung vorgeschlagen, welche an einem einfachen Beispiel und 5 erläutert werden soll. Bei einem rechteckförmig modulierten Eingangssignal mit einer Amplitude Am und einer Modulationsfrequenz ωm, welches mit einem rechteckförmig modulierten Störsignal eines anderen Signalkanals mit einer Frequenz ωs und einer Amplitude As überlagert ist, lassen sich die Signale über folgende Fourierreihe U(t) beschreiben:

Figure 00260001
As a further possibility, a modulation adaptation is proposed, which is based on a simple example and 5 should be explained. In the case of a rectangularly modulated input signal with an amplitude A m and a modulation frequency ω m , which is superimposed with a rectangularly modulated interference signal of another signal channel with a frequency ω s and an amplitude A s , the signals can be described via the following Fourier series U (t) :
Figure 00260001

Eine Demodulation bzw. Filterung kann in diesem Fall in einem der Lock-in-Verstärker 19, 20, 21, 22, 23, 24 durch Multiplikation der Fourierreihe mit einem intern generierten Signal UX(t) = cos(ωmt + φ) mit gleicher Modulationsfrequenz erreicht werden. Vereinfachend sei angenommen, dass die Phase φ = 0 ist.In this case, demodulation or filtering can be done in one of the lock-in amplifiers 19 . 20 . 21 . 22 . 23 . 24 by multiplying the Fourier series with an internally generated signal U X (t) = cos (ω m t + φ) be achieved with the same modulation frequency. For simplification, assume that the phase φ = 0.

Für ein Signal X(t) nach der Demodulation ergibt sich somit:

Figure 00260002
For a signal X (t) after demodulation, the result is thus:
Figure 00260002

In einem (zeitunabhängigen) Gleichspannungsanteil 2Am/π ist hierbei eine Proportionalität zur Amplitude Am des Eingangssignals enthalten. Höhere Frequenzanteile werden durch einen nachfolgenden Tiefpassfilter idealerweise vollständig eliminiert, sodass ein Ausgangssignal XOUT(t) nur noch von der Amplitude Am des Eingangssignals abhängig ist:

Figure 00270001
In a (time-independent) DC voltage component 2A m / π in this case a proportionality to the amplitude A m of the input signal is included. Higher frequency components are ideally completely eliminated by a subsequent low-pass filter, so that an output signal X OUT (t) depends only on the amplitude A m of the input signal:
Figure 00270001

Für analoge Filter niedriger Ordnung, worunter alle Ordnungen kleiner oder gleich einer 4. Ordnung verstanden werden sollen, beispielsweise Tiefpassfilter, funktioniert dieses Vorgehen vor allem für kleine stochastische Rauschsignale sehr gut, stößt aber aufgrund einer begrenzten Flankensteilheit des Tiefpassfilters bei starken, nicht zufälligen Störsignalen auf Grenzen. Eine höhere Flankensteilheit des Tiefpassfilters führt außerdem zu langsameren Sprungantworten, was sich negativ auf Messzeiten auswirkt. Es ist auch ersichtlich, dass sich eine sinusförmige Modulation der Signale durch Wegfallen der höheren Harmonischen, also Wegfallen von Summentermen mit i oder j ≥ 2 in der Fourierreihe U(t), positiv auswirkt. Eine Demodulation bzw. Filterung hier beschriebener Art über ein sinusförmiges Signal ist entsprechend genauso vorteilhaft.For low-order analog filters, among which all orders are to be understood to be less than or equal to a 4th order, such as low-pass filters, this approach works well, especially for small stochastic noise signals, but due to limited slew rate of the low-pass filter, it encounters strong, non-random noise limits. A higher slope of the low-pass filter also leads to slower step responses, which has a negative effect on measurement times. It can also be seen that a sinusoidal modulation of the signals by eliminating the higher harmonics, ie omitting sum terms with i or j ≥ 2 in the Fourierreihe U (t), has a positive effect. A demodulation or filtering of the type described here via a sinusoidal signal is likewise just as advantageous.

Ein analoger Tiefpassfilter erster Ordnung und einer Integrationszeit τ lässt sich im Frequenzraum durch den Betrag der Übertragungsfunktion HTP,1(ω) beschreiben:

Figure 00270002
An analog low-pass filter of first order and an integration time τ can be described in the frequency domain by the amount of the transfer function H TP, 1 (ω):
Figure 00270002

Digitale Lock-In Verstärker hingegen bieten die Möglichkeit sowohl digitaler Tiefpassfilterung als auch der von gleitenden Mittelwertsfiltern, wobei letztere entscheidende Vorteile zur Eliminierung von nicht statistischen Störsignalen mit bekannter Modulationsfrequenz bieten. Ein gleitender Mittelwertsfilter über die Zeitspanne 2τ des Signals X(t) lässt sich als Faltung von X(t) mit einer rect-Funktion TMW,1(t) beschreiben. Für TMW,1(t) gilt: TMW,1(t) = 1 / 2τrect( t / 2τ) Digital lock-in amplifiers, on the other hand, provide the capability of both digital low-pass filtering and moving-average filters, the latter offering significant advantages in eliminating non-random noise with a known modulation frequency. A moving average filter over the time period 2τ of the signal X (t) can be described as a convolution of X (t) with a rect function T MW, 1 (t). For T MW, 1 (t) applies: T MW, 1 (t) = 1 / 2τrect (t / 2τ)

Über eine Fourier-Transformation lässt sich hieraus eine Übertragungsfunktion des Mittelwertsfilters HMW,1(ω) berechnen: |HMW,1(ω)| = |FT(TMW,1(t))| = | sin(ωτ) / ωτ| From this, a transfer function of the mean value filter H MW, 1 (ω) can be calculated by means of a Fourier transformation: | H MW, 1 (ω) | = | FT (T MW, 1 (t)) | = | sin (ωτ) / ωτ |

Eine mehrfache Anwendung N des Mittelwertfilters entspricht somit Mittelwertsfiltern höherer Ordnung N mit |HMW,N(ω)| = |FT(TMW1(t))| = |( sin(ωτ) / ωτ)N| A multiple application N of the mean value filter thus corresponds to higher order mean value filters N with | H MW, N (ω) | = | FT (T MW1 (t)) | = | (sin (ωτ) / ωτ) N |

5 stellt in einem Diagramm den Verlauf der Übertragungsfunktion für den analogen Tiefpassfilter erster Ordnung (gestrichelte Linie) als auch für den digitalen Mittelwertsfilter erster Ordnung (durchgezogene Linie) dar. Auf der Ordinate ist hierbei die Übertragungsfunktion H aufgetragen, auf der Abszisse die Frequenz f des demodulierten Signals X(t), die eine Funktion der Modulationsfrequenz ist. Für die Integrationszeit t wurde ein Wert von 50 ms angenommen. Nullstellen als Minima der Übertragungsfunktion treten nur bei dem digitalen Mittelwertsfilter auf. Bei diesen Frequenzen werden Störsignale im Idealfall komplett abgeschwächt. Somit wird die Modulationsfrequenz mindestens eines der Modulationssignale in vorteilhafter Weise bei einem zum Herausfiltern eines zeitlich mit einem anderen der Modulationssignale korrelierten Anteils des Ausgangssignals so gewählt, dass sie gerade einer Nullstelle der Übertragungsfunktion des Filters entspricht. 5 2 shows a graph of the transfer function for the first-order analog low-pass filter (dashed line) and for the first-order digital average filter (solid line). The ordinate represents the transfer function H, and the abscissa represents the frequency f of the demodulated one Signal X (t), which is a function of the modulation frequency. For the integration time t, a value of 50 ms was assumed. Zeros as minima of the transfer function occur only in the digital average filter. At these frequencies, spurious signals are ideally completely attenuated. Thus, the modulation frequency of at least one of the modulation signals is advantageously selected in a filter for filtering out a temporally correlated with another of the modulation signals portion of the output signal so that it corresponds to just one zero of the transfer function of the filter.

Für die Nullstellen des Mittelwertsfilters ergibt sich schließlich folgender Zusammenhang:

Figure 00290001
For the zeroes of the average filter, the following relationship finally results:
Figure 00290001

Hieraus ergibt sich folgende Verknüpfung zwischen der Modulationsfrequenz des Störsignals fs, der Modulationsfrequenz des Messsignals fm und der Integrationszeit τ:

Figure 00290002
This results in the following relationship between the modulation frequency of the interference signal f s , the modulation frequency of the measurement signal f m and the integration time τ:
Figure 00290002

Es lassen sich also gezielt Modulationsfrequenzen für die Störsignale und bzw. oder einen anderen der Signalkanäle wählen, die bei vergleichsweise geringer Filterordnung (und somit schnelleren Messzeiten) eine sehr hohe Abschwächung während der Demodulation erfahren. zur Unterdrückung nicht erwünschter Frequenzanteile können neben den hier beschriebenen Tiefpass- und Mittelwertsfiltern auch andere Frequenzfilter wie z. B. Tschebyscheff-, Bessel-, Butterworth-Filter, etc. bzw. auch eine Kombination verschiedener Filter genutzt werden.It is thus possible to selectively select modulation frequencies for the interference signals and / or another of the signal channels, which experience a very high attenuation during demodulation with comparatively low filter order (and thus faster measurement times). To suppress unwanted frequency components, in addition to the low-pass and average filters described here, other frequency filters such. As Chebyshev, Bessel, Butterworth filter, etc. or a combination of different filters are used.

In 6 ist exemplarisch das Übersprechverhalten für verschiedene Verhältnisse von Störsignal zu zu messendem Signal in einem doppelt-logarithmischen Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse ist ein Quotient aus der Amplitude des Störsignals As und der Amplitude des zu messenden Signals Am aufgetragen, auf der Ordinate ein Quotient aus dem Ausgangssignal XOUT(t) eines der Lock-in-Verstärker und einem Ausgangssignal ohne Anteile des Störsignals XOUT,0(t) als Maß für das Übersprechverhalten aufgetragen. Für höhere Werte auf der Abszisse wird somit das Störsignal bezogen auf das Modulationssignal immer stärker. Eine gepunktet in das Diagramm eingezeichnete Kurve bezeichnet hierbei eine der Modulationsfrequenzen, welche einem lokalen Maximum der in 5 dargestellten Übertragungsfunktion des digitalen Mittelwertsfilters entspricht. Eine durchgezogen in 6 eingezeichnete Kurve bezeichnet eine der Modulationsfrequenzen, welche einem lokalen Minimum der in 5 dargestellten Übertragungsfunktion des digitalen Mittelwertsfilters entspricht, also einer der Frequenzen, bei der Störsignale möglichst ideal abgeschwächt werden. In diesem Fall kann das Störsignal weitaus stärker sein als im zuvor genannten Fall, bevor das Ausgangssignal negativ durch das starke Störsignal beeinflusst wird. Sofern eine der Frequenzen für das zu messende Signal gewählt wird, welche einem der lokalen Minima der in 5 dargestellten Übertragungsfunktion des digitalen Mittelwertsfilters entspricht, können Störsignale, also beispielsweise Intensitäten anderer Signalkanäle, und zu messendes Signal um bis zu drei Zehnerpotenzen differieren, ohne das Übersprechverhalten negativ zu beeinflussen.In 6 is an example of the crosstalk behavior for different ratios of interfering signal to be measured signal in a double-logarithmic diagram shown. On the abscissa, a quotient of the amplitude of the noise signal A s and the amplitude of the measured signal A m is plotted on the ordinate a quotient of the output signal X OUT (t) of the lock-in amplifier and an output signal without parts of Noise signal X OUT, 0 (t) plotted as a measure of the crosstalk behavior. For higher values on the abscissa, therefore, the interfering signal with respect to the modulation signal becomes stronger and stronger. A dotted curve plotted in the diagram denotes one of the modulation frequencies, which corresponds to a local maximum of the 5 corresponds to the transfer function of the digital mean value filter shown. A pulled through in 6 plotted curve denotes one of the modulation frequencies which corresponds to a local minimum of the in 5 represented transmission function of the digital average filter corresponds, so one of the frequencies at which noise signals are ideally ideally mitigated. In this case, the noise signal may be much stronger than in the aforementioned case before the output signal is adversely affected by the strong noise signal. If one of the frequencies is selected for the signal to be measured, which one of the local minima of in 5 corresponds to transmission function of the digital average filter, interference signals, ie, for example, intensities of other signal channels, and to be measured signal differ by up to three powers of ten, without negatively influencing the crosstalk behavior.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können natürlich miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden. In jedem Fall erhält man mit den hier beschriebenen Maßnahmen in sehr kurzer Zeit eine Vielzahl von Informationen über eine Probe, weil deren Streuverhalten für die verschiedenen Lichtkomponenten und damit für Licht sehr verschiedener Eigenschaften mit einem einzigen Aufbau simultan untersucht werden kann.Of course, only features disclosed in the embodiments of the various embodiments may be combined and claimed individually. In any case, with the measures described here, a large amount of information about a sample is obtained in a very short time because its scattering behavior for the different light components and therefore for light of very different properties can be investigated simultaneously with a single setup.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2010/127872 A1 [0002] WO 2010/127872 A1 [0002]

Claims (15)

Verfahren zur Streulichtmessung, wobei eine Probe (17) mit Licht mindestens einer Lichtquelle (1, 2, 3) beleuchtet wird und ein an der Probe (17) gestreuter Anteil des Lichts als Messsignal von mindestens einem Detektor (18) unter einem Streuwinkel erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das auf die Probe (17) aufkommende Licht mindestens zwei Lichtkomponenten umfasst, welche sich in mindestens einem Parameter unterscheiden, wobei die Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Modulationssignalen moduliert werden und ein Ausgangssignal des Detektors (18) durch Herausfiltern von zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteilen des Ausgangssignals in mehrere Signalkanäle aufgeteilt wird, sodass jeder der genannten Lichtkomponenten mindestens einer der Signalkanäle eindeutig zugeordnet ist.Method for scattered light measurement, wherein a sample ( 17 ) with light from at least one light source ( 1 . 2 . 3 ) and one at the sample ( 17 ) scattered portion of the light as a measurement signal from at least one detector ( 18 ) is detected at a scattering angle, characterized in that the sample ( 17 ) comprises at least two light components which differ in at least one parameter, wherein the light components are modulated with different modulation signals and an output signal of the detector ( 18 ) is divided into a plurality of signal channels by filtering out portions of the output signal that are temporally correlated with the different modulation signals, so that each of said light components is uniquely associated with at least one of the signal channels. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter, in dem sich die Lichtkomponenten unterscheiden, einen Einfallswinkel und/oder eine Wellenlänge und/oder ein Spektrum und/oder eine Polarisation und/oder eine Intensität und/oder eine Position, an der die jeweilige Lichtkomponente auf die Probe auftrifft, umfasst.Method according to Claim 1, characterized in that the at least one parameter in which the light components differ has an angle of incidence and / or a wavelength and / or a spectrum and / or a polarization and / or an intensity and / or a position which the respective light component impinges on the sample comprises. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal zum Herausfiltern jedes der genannten Anteile jeweils einen Bandpassfilter und/oder einen Lock-in-Verstärker (19, 20, 21, 22, 23, 24) durchläuft.Method according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that the output signal for filtering out each of said components is a respective bandpass filter and / or a lock-in amplifier ( 19 . 20 . 21 . 22 . 23 . 24 ) goes through. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung eines Übersprechens zwischen den Signalkanälen Intensitäten der Lichtkomponenten derart gewählt oder angepasst werden, dass mit dem Detektor (18) detektierte gestreute Anteile aller genannten Lichtkomponenten Leistungen gleicher Größenordnung haben.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, in order to reduce crosstalk between the signal channels, intensities of the light components are selected or adapted in such a way that with the detector ( 18 ) detected scattered portions of all said light components have the same magnitude. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung eines Übersprechens zwischen den Signalkanälen die einzelnen Lichtkomponenten durch eine polarisationsabhängige und/oder wellenlängenabhängige Aufteilung der einzelnen Lichtkomponenten auf verschiedene Detektoren geleitet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to reduce crosstalk between the signal channels, the individual light components are passed through a polarization-dependent and / or wavelength-dependent division of the individual light components to different detectors. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal in mindestens einem der Signalkanäle elektronisch vorgefiltert wird zur Abschwächung von Störsignalen und/oder von durch einen anderen der Signalkanäle zu führenden Anteil des Ausgangssignals.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the output signal is electronically prefiltered in at least one of the signal channels for attenuation of interference signals and / or by another of the signal channels to leading portion of the output signal. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationsfrequenz mindestens eines der Modulationssignale einem Minimum einer frequenzabhängigen Übertragungsfunktion eines Filters entspricht, der zum Herausfiltern eines zeitlich mit einem anderen der Modulationssignale korrelierten Anteils des Ausgangssignals verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a modulation frequency of at least one of the modulation signals corresponds to a minimum of a frequency-dependent transfer function of a filter which is used to filter out a temporally correlated with another of the modulation signals portion of the output signal. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Lichtkomponenten vor Auftreffen auf die Probe (17) zu einem Probenstrahl zusammengefasst werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two light components before impinging on the sample ( 17 ) are combined into a sample stream. Anordnung zur Streulichtmessung, umfassend mindestens eine Lichtquelle (1, 2, 3) zum Beleuchten einer Probe (17) mit Licht und mindestens einen Detektor (18) zum Erfassen eines an der Probe (17) gestreuten Anteil des Lichts, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mindestens einen Lichtquelle (1, 2, 3) und der Probe (17) mindestens zwei verschiedene Strahlengänge für mindestens zwei sich in mindestens einem Parameter unterscheidende Lichtkomponenten vorgesehen sind, die zumindest abschnittsweise unterschiedlich verlaufen, wobei die Lichtkomponenten unabhängig voneinander in ihrer Intensität modulierbar sind und die Anordnung eine Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist zum Modulieren der Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Modulationssignalen, und wobei die Anordnung eine dem Detektor (18) nachgeschaltete Auswerteeinheit (19, 20, 21) mit mehreren Signalkanälen aufweist, die eingerichtet ist, in jedem der Signalkanäle jeweils einen von zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteilen des Ausgangssignals herauszufiltern, sodass jeder der genannten Lichtkomponenten mindestens einer der Signalkanäle eindeutig zugeordnet ist.Arrangement for scattered light measurement, comprising at least one light source ( 1 . 2 . 3 ) for illuminating a sample ( 17 ) with light and at least one detector ( 18 ) for detecting one on the sample ( 17 ) scattered portion of the light, characterized in that between the at least one light source ( 1 . 2 . 3 ) and the sample ( 17 ) are provided at least two different beam paths for at least two different in at least one parameter light components, which are at least partially different, the light components are independently modulatable in intensity and the arrangement comprises a control unit which is adapted to modulate the light components with different Modulation signals, and wherein the arrangement a the detector ( 18 ) downstream evaluation unit ( 19 . 20 . 21 ) having a plurality of signal channels, which is arranged to filter out in each of the signal channels in each case one of temporally correlated with the different modulation signals portions of the output signal, so that each of said light components of at least one of the signal channels is uniquely associated. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zum Erzeugen der verschiedenen Lichtkomponenten mehrere Lichtquellen (1, 2, 3) aufweist, welche vorzugsweise in unterschiedlichen Winkeln zur Probe angeordnet sind und/oder zur Erzeugung von Licht jeweils unterschiedlicher Wellenlängen oder Spektren und/oder jeweils unterschiedlicher Polarisationen ausgebildet sind.Arrangement according to claim 9, characterized in that the arrangement for generating the different light components comprises a plurality of light sources ( 1 . 2 . 3 ), which are preferably arranged at different angles to the sample and / or are designed to generate light in each case of different wavelengths or spectra and / or in each case of different polarizations. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Strahlengänge ein wellenlängenselektives Element und/oder ein Polarisator (25, 26) angeordnet ist, um der durch diesen Strahlengang geführten Lichtkomponente eine von mindestens einer anderen der Lichtkomponenten unterschiedliche Wellenlänge oder spektrale Zusammensetzung und/oder Polarisation zu geben. Method according to one of claims 9 or 10, characterized in that in at least one of the beam paths, a wavelength-selective element and / or a polarizer ( 25 . 26 ) is arranged to give the light component guided through this beam path one of at least one other of the light components of different wavelength or spectral composition and / or polarization. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der zwischen der Lichtquelle und der Probe gelegenen Strahlengänge und/oder in einem zwischen der Probe und dem Detektor gelegenen Strahlengang eine Abschwächvorrichtung (4, 5, 6), vorzugsweise ein Filter, zum Einstellen einer Intensität des Lichts oder einer der Lichtkomponenten angeordnet ist.Arrangement according to one of Claims 9 to 11, characterized in that in one of the beam paths located between the light source and the sample and / or in a beam path located between the sample and the detector, an attenuation device ( 4 . 5 . 6 ), preferably a filter, for adjusting an intensity of the light or one of the light components. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung zum Herausfiltern der zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteile des Ausgangssignals in jedem der Signalkanäle mindestens einen Bandpassfilter und/oder mindestens einen Lock-in-Verstärker umfasst.Arrangement according to one of claims 9 to 12, characterized in that the evaluation device for filtering out the temporally correlated with the various modulation signals portions of the output signal in each of the signal channels comprises at least one bandpass filter and / or at least one lock-in amplifier. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Strahlengänge mindestens eine optische Komponente (10, 11, 12) zur Strahlformung, Strahlfaltung, Minimierung von Streulicht im Strahlengang oder Polarisationseinstellung angeordnet ist, vorzugsweise ein Spiegel, eine Linse, ein Raumfilter, eine Blende, ein Polarisator, eine λ/4-Platte oder eine λ/2-Platte.Arrangement according to one of claims 9 to 13, characterized in that in at least one of the beam paths at least one optical component ( 10 . 11 . 12 ) is arranged for beam shaping, beam folding, minimization of scattered light in the beam path or polarization adjustment, preferably a mirror, a lens, a spatial filter, a diaphragm, a polarizer, a λ / 4 plate or a λ / 2 plate. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Modulieren der Lichtkomponenten in mindestens einem der Strahlengänge ein über die Steuereinheit steuerbarer Modulator (7, 8, 9, 27, 28) angeordnet ist und/oder die Anordnung für mindestens eine der Lichtkomponenten eine eigene modulierbare Lichtquelle aufweist.Arrangement according to one of claims 9 to 14, characterized in that for modulating the light components in at least one of the beam paths controllable via the control unit modulator ( 7 . 8th . 9 . 27 . 28 ) is arranged and / or the arrangement for at least one of the light components has its own modulated light source.
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