DE112007002907T5

DE112007002907T5 - Optisches auf Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes Abbildungssystem

Info

Publication number: DE112007002907T5
Application number: DE112007002907T
Authority: DE
Inventors: Tae Geun Kim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-11-12
Also published as: US8174704B2; WO2008084929A1; KR100871097B1; KR20080065126A; US20100033730A1

Abstract

Optisches Abbildungssystem, das auf einer optischen Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, mit:
einer Lichtquelle, die elektromagnetische Wellen erzeugt;
einer Teilungseinheit, die die elektromagnetischen Wellen in einen ersten und einen zweiten Strahl aufteilt;
einer Reflektierungseinheit, die den ersten Strahl reflektiert und die den reflektierten ersten Strahl an die Teilungseinheit weiterleitet;
einer Objektivlinse, die den zweiten Strahl auf einen Gegenstand richtet, der erfasst wird soll;
einem Fotodetektor, der ein Interferenzmuster in ein elektronisches Signal umwandelt, wobei der von der Reflektierungseinheit zurückgestrahlte erste Strahl mit dem von dem Gegenstand zurückgestrahlten zweiten Strahl interferiert, wobei das Interferenzmuster entsteht; und
einer elektronischen Verarbeitungseinheit, die das elektronische Signal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes aus dem Interferenzmuster zu erzeugen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, und insbesondere, ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes optisches Abbildungssystem zur Verbesserung einer seitlichen Auflösung und zur Beseitigung von Reyleigh-Grenzen.
Hintergrund der Erfindung
Ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes optisches Abbildungssystem ist ein leistungsfähiges Verfahren zur Visualisierung von mikrostruktuellen optischen Eigenschaften geworden, wie zum Beispiel: Absorption, Streuung, Dämpfung, Doppelbrechung and eine Spektrenanalyse mit einer hohen Auflösung.
In einem konventionellen optischen Abbildungssystem wird eine Trägerfrequenz eines kontinuierlichen Laserstrahls linear proportional mit der Zeit wiederholt verändert bzw. gechirpt. Der linear proportional veränderte Laserstrahl wird in einen Referenzstrahl und einen Abfragestrahl aufgeteilt, die auf einen beobachteten zu erfassenden Gegenstand gerichtet werden.
Der von dem Gegenstand reflektierte Abfragestrahl wird verzögert, sodass eine endliche Frequenzdifferenz zwischen dem Abfragestrahl und dem Referenzstrahl entsteht. Da hier die Größe der endlichen Frequenzdifferenz linear proportional zu einer Tiefenposition eines Querschnittes des Gegenstandes ist, lässt sich die Tiefenposition des Querschnittes des Gegenstandes mittels der Größe der endlichen Frequenzdifferenz untersuchen.
Beispielsweise, wenn eine Frequenzänderungsrate „SHz/sec” ist, und wenn der reflektierte Abfragestrahl um eine Zeitdauer „τ” verzögert wird, überlagern sich der reflek tierte Abfragestrahl und der Referenzstrahl in einem Fotodetektor miteinander, sodass sich eine optische Frequenzdifferenz „δf = S × τ” bildet. Somit wird „δf” als eine relative Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Abfragestrahl definiert. Eine Wegdifferenz, die der Frequenzdifferenz entspricht, das heißt die Tiefenposition „Δz” des Querschnittes des Gegenstandes, kann als „Δz = c × δf/2S” bestimmt werden, wobei es sich bei „c” um eine Lichtgeschwindigkeit in einem Übertragungsmedium handelt.
So ein vorliegendes optisches Frequenzbereichreflektometriesystem detektiert einen Interferenzton des Fotodetektors und ermittelt eine Frequenz mittels eines elektronischen Spektrenanalysators und/oder der Schnellen Fourier-Transformation (FFT), bei der es sich um einen sehr starken Vorgang zum Detektieren einer Abstanddifferenz zwischen der Beobachtungsstelle und einer beobachteten Tiefenposition des Querschnittes des Gegenstandes handelt, das heißt, der Tiefenposition „Δz” und dem Reflexionsgrad des Gegenstandes.
Für diesen Zweck wird der Gegenstand seitlich durch den Abfragestrahl abgetastet, und die Tiefenposition und der Reflexionsgrad werden gemäß jeweiliger seitlicher Abtastposition erfasst, um eine dreidimensionale Bildinformation des Gegenstandes zu erhalten.
Eine optische Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie kodiert Information über eine Tiefenposition und einen Reflexionsgrad eines Gegenstandes, der in einem optischen Frequenzdifferenzbereich erfasst wird, und es werden deshalb keine elektronischen Hochgeschwindigkeitsgeräte gebraucht, um eine direkte Detektierung durchzuführen, die auf einem optischen Bereichssystem basiert. Ebenfalls liegen sich bewegende Teile unidealerweise entsprechend der optischen Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie nicht ideal vor, und so ist es möglich, dass ein Hochgeschwindigkeitsbild gebildet wird.
In der optischen Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie wird eine Tiefenauflösung durch einen Fotodetektor zum Messen einer optischen Interferenztonfrequenz und Chirprate eines Laserstrahles bestimmt.
Jedoch, wenn erfasste räumliche Information eines Gegenstandes gewonnen wird, muss ein konventionelles optisches Abbildungssystem ein Fokus eines Abfragestrahls mittels einer Objektivlinse parallel richten, um eine hohe seitliche Auflösung zu bekommen. Der Tiefenbereich eines zu erfassenden Gegenstandes muss innerhalb eines Fokusbereichs des Abfragestrahls sein, der die Objektivlinse durchquert hat, das heißt, eine Rayleighlänge.
Ein Brennfleck (spot size) bestimmt die seitliche Auflösung, und ist proportional zu einer Größe des Fokusbereiches des Abfragestrahls. Mit anderen Worten, es werden der Brennfleck des Abfragestrahls und der Fokusbereich als allgemeine Rayleigh-Limits oder -Grenzen definiert. Hierbei ist der Brennfleck ”Δr” ”Δr = λ/2sin(a/f)”, der Fokusbereich ”Z_R” ”Z_R = λ/sin²(a/f)”, ”λ” eine Wellelänge eines Strahls, ”a” ein Radius des Strahls, und ”f” eine Brennweite der Objektivlinse.
Dementsprechend, wenn sich der Fokusbereich ”Z_R” vergrößert, verschlechtert sich die seitliche Auflösung. Wenn sich die seitliche Auflösung vergrößert, verkürzt sich der Fokusbereich. Zum Beispiel, da ein dreidimensionales Mikroskop eine hohe Auflösung benötigt, wird ein Fokusbereich deutlich beschränkt. Somit wird die Zeit zur Abtastung eines zu erfassenden Gegenstandes verlängert.
Es wird deshalb ein Verfahren zur Beseitigung der Beschränkung einer solchen konventionalen Technik gefordert, mit dem eine hohe seitliche Auflösung in einem langen Tiefenbereich erreicht wird, ein Brennfleck aufgeweitet und ein Fokusbereich vergrößert wird.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert. Das Abbildungssystem dient zur Erlangung einer hohen seitlichen Auflösung in einem langen Tiefenbereich, zur Aufweiterung eines Brennflecks, und zur Vergrößerung eines Fokusbereichs.
Vorteilhafte Wirkungen
Wie oben beschrieben, kann in einem erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, eine seitliche Auflösung verbessert werden. Rayleigh-Grenzen kann dabei auch beseitigt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes optisches Abbildungssystem und ein Michelson-Interferometer gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2(a) und 2(b) zeigen reflektierende Strukturen zur Abtastung eines zu erfassenden Gegenstandes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes, optisches Abbildungssystem und ein Michelson-Interferometer, wobei das optische Abbildungssystem eine seitliche Auflösung verbessert, doppelt so stark wie eine seitliche Auflösung des optischen Abbildungssystems von 1.
4 zeigt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes, optisches Abbildungssystem und ein Mach-Zehnder-Interferometer.
5 zeigt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes optisches Abbildungssystem und ein Inline-Interferometer.
6 zeigt gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes, optisches Abbildungssystem und ein Michelson-Interferometer.
7 zeigt gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes, optisches Abbildungssystem und ein In-Line-Interferometer.
8 zeigt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes, optisches Abbildungssystem, das Relaissysteme aufweist.
Beste Ausführungsform
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt es ein auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiertes, optisches Abbildungssystem mit: einer Lichtquelle, die eine elektromagnetische Welle erzeugt; einer Aufteilungseinheit, die die elektromagnetische Welle in einen ersten und einen zweiten Strahl aufteilt; einer Reflektierungseinheit, die den ersten Strahl reflektiert und die den reflektierten ersten Strahl zur Aufteilungseinheit weiterleitet; einer Objektivlinse, die den zweiten Strahl auf einen Gegenstand richtet, der erfasst wird; einem Fotodetektor, der ein Interferenzmuster in ein Stromsignal umwandelt, wobei der von der Reflektierungseinheit zurückgestrahlte erste Strahl mit dem von dem Gegenstand reflektierten zweiten Stahl überlagert, um das Interferenzmuster zu erzeugen; und einer elektronischen Verarbeitungseinheit, die das Stromsignal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes des Interferenzmusters zu erzeugen.
Die Lichtquelle kann ein Lasergenerator sein, der eine elektromagnetische Welle ausstrahlt, die eine gechirpte Frequenz hat.
Die Aufteilungseinheit kann ein Strahlteiler sein, der einen Teil der elektromagnetischen Welle reflektiert, um einen Referenzstrahl zu bilden, bei dem es sich um den ersten Strahl handelt, und der einen Teil der elektromagnetischen Welle überträgt, um einen Abfragestrahl zu bilden, bei dem es sich um den zweiten Strahl handelt.
Der von dem Gegenstand reflektierte Abfragestrahl kann sich mit dem von der Reflektierungseinheit reflektierten Strahl durch den Strahlteiler überlagern, um ein Interferenzsignal zu erzeugen.
Der Fotodetektor kann eine Fotodiode sein, die ein Stromsignal erzeugt, das einer Musterintensität des Interferenzsignals zwischen den Abfragestrahl und dem Referenzstrahl entspricht.
Das Abbildungssystem kann weiterhin einen Lichtintegrator aufweisen, der zwischen dem Strahlteiler und dem Fotodetektor angeordnet ist und der den Referenzstrahl und den Abfragestrahl, die den Strahlteiler durchquert hatn, räumlich integriert.
Das optische Abbildungssystem kann weiterhin einen Kollimator aufweisen, der die elektromagnetische Welle aus der Lichtquelle in paralleles Licht umwandelt und der das parallele Licht zur Aufteilungseinheit weiterleitet.
Die Reflektierungseinheit kann ein Reflektor oder ein Konkavreflektor sein.
Der Referenzstrahl, der von dem Reflektor reflektiert wird, kann paralleles Licht sein.
Das optische Abbildungssystem kann weiterhin eine Referenzstrahllinse aufweisen, die zwischen dem Strahlteiler und der Reflektierungseinheit angeordnet ist, um den Referenzstrahl in eine Kugelwelle umzuwandeln, die zu dem Reflektor weitergeleitet wird.
Der Konkavreflektor kann den Referenzstrahl reflektieren, der von dem Strahlteiler reflektiert wird, um den Referenzstrahl in die Kugelwelle umzuwandeln.
Wenn es sich bei der Reflektierungseinheit um einen Reflektor handelt, kann die Objektivlinse zwischen dem Strahlteiler und dem zu erfassenden Gegenstand angeordnet sein.
Wenn es sich bei der Reflektierungseinheit um den Konkavreflektor handelt, kann die Objektivlinse zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler angeordnet sein.
Die elektronische Verarbeitungseinheit kann auf weisen: einen AD-Wandle, der das Stromsignal aus dem Fotodetektor abtastet, um das Stromsignal in ein digitales Signal umzuwandeln; und einen Signalprozessor, der entweder ein Signal aus dem AD- Wandler oder ein Signal verarbeitet, das in einem Speicher abgelegt wird, um ein Bild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Das Stromsignal kann ein kodiertes Muster aufweisen, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes des Gegenstandes und eines Fresnelzonenmusters gebildet wird, das eine beschränkte Größe hat.
Der Signalprozessor kann das kodierte Muster mit einer komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters falten (convolute), um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Die elektronische Verarbeitungseinheit kann weiterhin aufweisen: ein Objektgestellsteuergerät, das ein Steuerungssignal zur Positionsänderung eines Objektsgestells erzeugt, auf dem der Gegenstand angeordnet ist, immer wenn der Signalprozessor die Verarbeitungen über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertigstellt, oder wenn der Speicher ein Signal über die willkürliche Position des Objektes fertig abspeichert; und eine Anzeige, die ein Bild des Gegenstandes anzeigt, das von dem Signalprozessor verarbeitet wurde.
Die elektronische Verarbeitungseinheit kann weiterhin aufweisen: ein Spiegelplattensteuergerät, das ein Steuerungssignal für Positionsänderung der Spiegelplatte erzeugt, die an die Objektivlinse angrenzt ist, immer wenn der Signalprozessor Verarbeitungen über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertigstellt, oder wenn der Speicher ein Signal über die willkürliche Position des Gegenstandes abspeichert; und eine Anzeige, die ein Bild des Gegenstandes anzeigt, das vom Signalprozessor verarbeitet wurde.
Ein Relaissystem wird auf mindestens einer Seite eines Wegs der elektromagnetischen Welle angeordnet, die aus der Lichtquelle ausgestrahlt wird, um die elektromagnetische Welle zu übertragen.
Das Relaissystem kann auf mindestens einer Seite entweder zwischen dem Strahlteiler und der Referenzstrahllinse angeordnet werden, oder zwischen dem Strahlteiler und dem Lichtintegrator, oder zwischen dem Strahlteiler und der Objektivlinse.
Das Relaissystem weist mindestens entweder eine Linse, ein Prisma, einen Spiegel oder ein Bildübertragungselement auf, das in der Lage ist, entweder ein Bild oder ein Signal zu übertragen.
Das optische Abbildungssystem kann weiterhin ein Objektgestell aufweisen, auf dem der Gegenstand angeordnet ist.
Das optische Abbildungssystem kann weiterhin eine erste und eine zweite Spiegelplatte aufweisen, die zwischen der Objektivlinse und dem Objektsgestell mit einer Neigung angeordnet sind, um einen Winkel mit einer optischen Achse der Objektivlinse zu bilden, und um jeden Winkel zur Projektionslageänderung des Abfragestrahls einzustellen.
Das optische Abbildungssystem kann weiterhin eine erste und eine zweite Spiegelplatte aufweisen, die zwischen dem Strahlteiler und der Objektivlinse mit einer Neigung angeordnet sind, um einen Winkel mit einer optischen Achse der Objektivlinse zu bilden, und um jeden Winkel zur Projektionslageänderung des Abfragestrahls einzustellen.
Das optische Abbildungssystem kann weiterhin ein Interferometer aufweisen, das eine Nichtlinearität der elektromagnetischen Welle aus der Lichtquelle korrigiert.
Das Nebeninterferometer kann aufweisen: einen ersten optischen Koppler, der einen Teil der elektromagnetischen Welle aus der Lichtquelle abteilt; einen zweiten optischen Koppler, der einen Laserstrahl aufteilt, der vom ersten optischen Koppler weitergeleitet wird; und einen Fotodetektor, der die elektromagnetische Welle aus dem zweiten optischen Koppler in ein Stromsignal umwandelt, um ein Nebeninterferenzsignal zu erzeugen.
Der AD-Wandler kann das Nebeninterferenzsignal aus der Fotodetektoreinheit und das Interferenzsignal aus dem Fotodetektor abtasten.
Der Signalprozessor kann eine neue Zeitachse zum Korrigieren der Frequenzabtastung mittels des Nebeninterferenzsignals bilden, das vom AD-Wandler abgetastet wird.
Das optische Abbildungssystem kann weiterhin eine Leistungskalibrierungseinheit aufweisen, die eine Schwankung einer Intensität der elektromagnetischen Welle während der Frequenzabtastung der elektromagnetischen Welle unterdrückt.
Die Leistungskalibrierungseinheit kann aufweisen: einen dritten optischen Koppler, der einen Laserstrahl aufteilt, der aus der Lichtquelle ausgestrahlt wird; einen Leistungsdetektor, der eine Leistungsintensität des Laserstrahls misst; und einen Differenzialverstärker, der eine Differenz zwischen dem Stromsignal aus dem Fotodetektor und der Leistungsintensität des Laserstrahls ausgibt, die vom Leistungsdetektor gemessen wird.
Eine Ausgabe des Leistungsdetektors kann zur Lichtquelle übertragen werden, um die Intensität der elektromagnetischen Welle zu kalibrieren.
Der AD-Wandler kann die Differenz aus dem Differenzialverstärker abtasten, und der Signalprozessor kann die Differenz widerspiegeln, die vom AD-Wandler abgetastet wird, um das Stromsignal aus dem Fotodetektor zu verarbeiten.
Eine Linienumwandlungseinheit kann auf einem der Wege des Referenzstrahls, des Abfragestrahls oder des Interferenzsignals angeordnet sein, um die elektromagnetische Welle in eine Linienform umzuwandeln.
Die Linienumwandlungseinheit kann eine optische Einheit, ein Schlitz oder eine Zylinderlinse sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, auf: eine Lichtquelle, die eine elektromagnetische Welle erzeugt; eine Objektivlinse, die die elektromagnetische Welle in eine Kugelwelle umwandelt; eine Reflektierungseinheit, die einen Teil der elektromagnetischen Welle zum Bilden eines ersten Strahls reflektiert und die einen Teil der elektromagnetischen Welle zum Bilden eines zweiten Strahls überträgt; eine Überlagerungseinheit, die den von der Reflektierungseinheit zurückgestrahlten ersten Strahl mit dem zweiten Strahl überlagert, der von einem zu erfassenden Gegenstand zurückgestrahlt wird, um ein Interferenzsignal zu erzeugen; einen Fotodetek tor, der das Interferenzsignal in ein Stromsignal umwandelt; und eine elektronische Verarbeitungseinheit, die das Stromsignal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes aus dem Interferenzsignal zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, auf: eine Lichtquelle, die eine elektromagnetische Welle erzeugt; einen optischen Koppler, der die elektromagnetische Welle in eine Vielzahl von elektromagnetischen Wellen aufteilt; einen ersten und einen zweiten Kollimator, die die vom optischen Koppler aufgeteilten elektromagnetischen Wellen empfangen, der die elektromagnetischen Wellen in einen ersten und einen zweiten Strahl aufteilt, der den ersten und zweiten Strahl in paralleles Licht umwandelt; eine Referenzstrahllinse, die den ersten Strahl in eine Kugelwelle umwandelt; eine Objektivlinse, die den zweiten Strahl in eine Kugelwelle umwandelt und die Kugelwelle auf einen zu erfassenden Gegenstand richtet; eine Überlagerungseinheit, die den ersten und den zweiten Strahl miteinander überlagert, um ein Interferenzsignal zu erzeugen; einen Fotodetektor, der das Interferenzsignal in eine Stromsignal umwandelt; und eine elektronische Bearbeitungseinheit, die das Stromsignal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes aus dem Interferenzsignal zu erzeugen.
Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun bezüglich der angehängten Figuren im Einzelnen beschrieben:
Ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektrometrie basiert, verwendet gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kodierungsverfahren eines Fresnelzonenmusters für ein Querschnittsbild eines zu erfassenden Gegenstandes, um Beschränkungen einer konventionellen Kohärenzfrequenzbereichreflektrometrie zu beseitigen.
1. zeigt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektrometrie basiert.
Das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform basiert auf einem Michelson-Interferometer, in dem ein Strahlteiler 20 vor einer Objektivlinse 25 angeordnet wird. Das optische Abbildungssystem weist ein optisches System 1, ein Nebeninterferometer 100 und eine Leistungskalibrierungseinheit 120 auf.
Das optische System 1 weist eine Lichtquelle 10, einen Kollimator 15, den Strahlteiler 20, einen Reflektor 30, die Objektivlinse 25, ein Objektgestell 35, einen Lichtintegrator 40, einen Fotodetektor 45 und eine elektronische Verarbeitungseinheit 50 auf.
Die Lichtquelle 10 erzeugt eine elektromagnetische Welle, die erforderlich ist, ein Querschnittsbild eines Gegenstandes zu gewinnen, und einen Lasergenerator 10, der einen Laserstrahl erzeugt, kann für die weitere Beschreibung der vorliegenden Erfindung als ein Beispiel für die Lichtquelle genannt werden. Unterschiedliche Arten von Lichtquellen, die Techniken aus dem Stand der Technik anwenden, können eingesetzt werden.
Der Lasergenerator 10 weist eine Laserquelle oder die Laserquelle und ein Streuelement auf, um einen kontinuierlichen oder pulsartigen Laserstrahl zu erzeugen, der eine zeitproportionale Frequenz hat. Im Allgemeinen werden eine Tiefenauflösung und ein Bild, das Zeit eines optischen Kohärenztomografiesystemes erhält, durch den Fotodetektor 45 und einen Veränderungsgrad eines Laserstrahls bestimmt. Ein breites, optisches Spektrum muss in kurzen Zeitabständen abgetastet werden, um eine Frequenzveränderungsgrad des Laserstrahls zu verbessern.
Ein herkömmliches Verfahren zur Veränderung einer Laserfrequenz weist einen akustooptischen Frequenzumschalter und einen einstellbaren Laser auf. Jedoch benötigt der einstellbare Laser eine lange Abtastungszeit (circa 0,1 ms) und eine Bandbreite des akustooptischen Frequenzumschalters wird ernsthaft beschränkt. Auf diese Weise kann ein hervorragender Frequenzveränderungsgrad mittels des akusto-optischen Frequenzumschalters und des einstellbaren Lasers erzielt werden.
Um einen hervorragenden Veränderungsgrad (chirp rate) zu erreichen, kann deshalb der Lasergenerator 10 eine Laserkreisstruktur zur Verbindung eines Filters, wie zum Beispiel eines Fabry-Pérot-Filters, mit einem Verstärkungsmedium, wie zum Beispiel einem Erbium-dotierten Faser-Verstärker oder einem optischen Halbleiterverstärker, der einen breiten Wellenlängenbereich durch eine optische Glasfaser hat, aufweisen. Der Lasergenerator 10 kann eine Auswahlfrequenz des Filters in vorbestimmten Zeitabständen stufenlos einstellen, um schnell eine Laserfrequenz zu verändern, die durch einen Ausgangskoppler einer Glasfaser ausgestrahlt wird. Hier wird der einstellbare Fabry-Pérot-Filter durch einen pizoelektrischer Treiber getrieben und kann eine Auswahlwellenlänge schnell einstellen.
Wie oben beschrieben, verwendet die vorliegende Ausführungsform den Lasergenerator 10, der die Laserkreisstruktur als Laserquelle aufweist. Jedoch kann der Lasergenerator 10 ein Lasergenerator sein, der ein streuendes Medium innerhalb oder außerhalb eines Laserresonators positioniert, und der die Dispersionseigenschaften des streuenden Mediums innerhalb einer kurzen Zeit in vorbestimmten Zeitabständen mittels eines Hochgeschwindigkeit-Galvano-Scanners oder ähnlichem kontinuierlich einstellt, um eine Laserfrequenz schnell zu verändern. Beispielsweise funktioniert eine Facette (facet) eines Halbleiterverstärkermediums, das einen breiten Wellenlängenbereich hat, wie ein Endspiegel eines externen Hohlraumes, und ein Beugungsgitter, das an den Hochgeschwindigkeits-Galvano-Scanner angebracht ist, ist auf einem Strahlweg des externen Hohlraums positioniert. Ein Schlitz zur Auswahl einer Wellenlänge ist auf einem Strahlweg positioniert, der gemäß Wellenlängen durch das Beugungsgitter als das Streuungsmedium räumlich geteilt wird. Außerdem ist der Endspiegel des externen Hohlraums benachbart zu dem Schlitz. Wenn das Beugungsgitter durch den Hochgeschwindigkeits-Galvano-Scanner in vorgebestimmten Zeitabständen kontinuierlich rotiert wird, kann eine zeitlich ausgewählte Wellenlänge kontinuierlich verändert werden. Auf diese Weise kann der Lasergenerator eine Laserfrequenz schnell verändern, die durch die Facette bzw. den Bereich des Halbleiterverstärkermediums hindurch emittiert wird.
Alternativ kann ein Lasergenerator eingesetzt werden, der einen Pulslaser als eine Laserquelle verwendet. Hier kann der Pulslaser eine große Bandbreite haben, und kann in jedem Zeitabstand, der kürzer als 1 ns ist, einfach erhalten werden, um eine Tiefenauflösung zu verbessern.
Eine Frequenz des Pulslasers wird mittels einer Glasfaser oder eines Beugungsgitterpaars als eine Dispersionseinheit verändert. Die Dispersionseinheit verändert die Fre quenz des Pulslasers mittels eines Dispersionsmechanismus, wie zum Beispiel Dehnen des Lichtleiters, Dispensieren des Beugungsgitterpaares oder eine direkte Modulation eines Vormagnetisierungsstromes, um eine Frequenz zu emittieren, die die elektromagnetische Welle verändert. Die Dispersionseinheit ermöglicht unterschiedliche Spektrumelemente des Pulslasers zu unterschiedlicher Zeit, um eine Laserfrequenz linear zu verändern.
Beispielsweise kann eine Laserfrequenzveränderungsgrad bzw. eine Laserfrequenzchirprate bis zu 10²¹ Hz/s erreichen, wobei die Laserpulse mit einer Breite von 2 ps durch einen Titan:Saphir-Laser emittiert werden, und wobei sich die Laserpulse durch eine Single-Mode Phase mit einer Länge von 2 km ausbreiten. Auch beträgt eine Pulsbreite des Pulslasers durch eine Wechselwirkung zwischen Selbstphase-Modulation und Dispersion am Ausgang des Lichtleiters bis zu 600 ps.
Ein elektrisches Feld eines Laserstrahls aus dem Lasergenerator 10 wird in folgender Gleichung 1 beschrieben: Eo(t) ≈ A(t)exp(j(ϖot + ϕ(t))) (1)wobei ”A(t)” eine Amplitude des elektrischen Feldes, ”ϕ_o” eine nominelle Mittelfrequenz, ”t” die Zeit, und ”ϕ(t)” eine Phase des elektrischen Feldes ist, das heißt die Frequenzveränderung wiederholt sich mit der Zeit. ”A(t)” kann als eine Konstante gesetzt werden und eine Abweichung eines Lasers kann durch Überwachung der Laserleistung korrigiert werden.
Der Kollimator 15 wandelt den Laserstrahl, der vom Lasergenerator 10 zeitlich wiederholt verändert wird, in paralleles Licht um, und leitet das parallele Licht zu dem Strahlteiler 20 weiter.
Der Strahlteiler 20 teilt das parallele Licht aus dem Kollimator 15 in einen Referenzstrahl und einen Abfragestrahl auf. Der Strahlteiler 20 reflektiert einen Teil des eingegangenen parallelen Strahls, um den Referenzstrahl zu bilden, und leitet einen Teil des eingehenden parallelen Lichtes weiter, um den Abfragestrahl zu bilden. Der Referenz strahl wird zum Reflektor 30 weitergeleitet, und der Abfragestrahl wird durch die Objektivlinse 25 hindurch zu dem Gegenstand weitergeleitet, der erfasst wird.
Die Objektivlinse 25 ist parallel zu dem Kollimator 15 angeordnet, und bündelt den Abfragestrahl, der den Strahlteiler 20 durchquert hat. Hierbei wird durch die räumliche Verteilung des Abfragestrahls, der die Objektivlinse 25 durchquert hat, eine Kugelwelle. Auf diese Weise bildet der Abfragestrahl, der die Objektivlinse 25 durchquert hat, eine Focuspunkt vor dem Objektsgestell 35, auf dem der Gegenstand angeordnet ist.
Der Abfragestrahl, der die Objektivlinse 25 durchquert hat, und der die Kugelwelle geworden ist, kann in folgender Gleichung 2 dargestellt werden: Es(r →s, zs, t) ≈ exp[–iπr →2s /λ(z0 + zs)]circ[r →s/sinα(zo + zs)]exp(j(ϖot + ϕ(t))) (2)wobei ”z_o” eine Brennweite der Objektivlinse 25, ”α” ein halber Corn-Winkel ist, und ”(r →s, zs)” horizontale und axiale Koordinatensysteme eines Raums des Gegenstandes sind. Hierbei ist der Ursprung des horizontalen Koordinatensystems eine Mittelachse der Objektivlinse 25, und der Ursprung des axialen Koordinatensystems ist an der Brennweite ”z_o” von einem vorderen Brennpunkt 37 der Objektivlinse 25 aus. ”λ” ist eine Wellenlänge eines Strahls, der sich mit Frequenzänderung ändert, und der eine Wellenlängenbreite hat, die einer Frequenzveränderungsbreite entspricht. Hierbei ist circ(x) = 1 für x ≤ 1, und circ(x) = 0 für andere Bereiche. Eine numerische Blende des Abfragestrahls ist ”sinα = a/z₀”, wobei ”a” ein Radius des parallelen Strahls ist, der durch den Kollimator 15 umgewandelt wird.
Wenn die Objektivlinse 25 an einer angemessenen Position auf dem Weg des Laserstrahls angeordnet ist, der von dem Lasergenerator 10 ausgestrahlt wird, kann die Kugelwelle ohne den Kollimator 15 ausgebildet werden.
Der Abfragestrahl, der die Objektivlinse 25 durchquert hat, tastet den Gegenstand, der erfasst wird, ab. Der Abfragestrahl tastet den Gegenstand ab, der auf dem Objektgestell 35 angeordnet ist und der eine Reflektionskoeffizient von ”Ro(r →s, zs) = |Ro(r →s, zs)|exp(iθ(r →s, zs))” hat.
Der Abfragestrahl, der von dem Gegenstand reflektiert wird, ist als ”Es(r →s, zs)Ro(r →s, r →t, zs)” vorgegeben, durchquert die Objektivlinse 25, wird von dem Strahlteiler 20 reflektiert, und wird als ein Bild auf einer Abbildungsplatte 38 gebildet. Hierbei ist ”r →t” eine zeitlich unmittelbar übersetzte Position des Objektgestells 35. Auch ist die Abbildungsplatte 38 eine virtuelle Platte, auf der ein Bild des Gegenstandes gebildet wird und der für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zwischen dem Lichtintegrator 40 und dem Strahlteiler 20 mit gestrichelten Linien gekennzeichnet wird. Doch die Abbildungsplatte 38 kann vor oder hinter dem Lichtintegrator oder in einer Position des Lichtintegrators 40 gemäß einer Anordnung eines optischen Systems angeordnet sein, das das Bild bildet. Der Abfragestrahl kann hier in folgender Gleichung 3 dargestellt werden: E1(r →, z, t + Δt1) ≈ Ro(r → – r →t, z)exp[–iπr →2/λ(zo + z)]circ[r →/sinα(zo + z)] × exp(j(ϖot + ϖoΔt1 + ϕ(t + Δt1))) (3)wobei ”(r →, z)” horizontale und axiale Koordinatensysteme der Abbildungsplatte 38 bedeuten. Hierbei ist der Ursprung des horizontalen Koordinatensystems eine Mittelachse der Objektivlinse 25, und der Ursprung des axialen Koordinatensystems befindet sich an der Brennweite ”z_o” von einem hinteren Brennpunkt 36 der Objektivlinse 25 aus, und ”Δt₁” ist eine Flugzeit des Lichtes von einem Querschnitt des Gegenstandes zu der Abbildungsplatte 38.
Das Objektivgestell 35 ist eine Platte, auf der der Gegenstand angeordnet und erfasst wird, und das seitlich bewegt wird, so dass der Abfragestrahl den Gegenstand seitlich abtastet.
Falls das Objektsgestell 35 bewegt wird, treibt ein zusätzlicher Treiber das Objektsgestell 35 an. Der zusätzliche Treiber arbeitet entsprechend einem Steuerungssignal aus einem Objektsgestellsteuergerät 80 der elektronischen Verarbeitungseinheit 50, um das Objektsgestell 35 zu bewegen.
Statt das Objektgestell 35 zu bewegen, kann das Objektsgestell 35 fixiert werden, und eine reflektive Struktur kann vor oder hinter der Objektivlinse 25 angeordnet sein, um den Abfragestrahl zu brechen.
Wie in 2(a) gezeigt, kann ein Paar von Reflektoren 90 als reflektive Strukturen eingesetzt werden. Die Reflektoren 90 können parallel zueinander mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet sein, gemäß einer Oberflächerichtung der Objektivlinse 25. Auch können Rotationswinkel der Reflektoren 90 gesteuert werden, um den Abfragestrahl quer durch den Gegenstand zu bewegen, so dass der Abfragestrahl den Gegenstand abtastet. Wie in 2(b) gezeigt, kann ein Paar von Reflektoren 95 als reflektive Strukturen eingesetzt werden. Die Reflektoren 95 können vor der Objektivlinse 25 angeordnet werden, um eine Projektionslage des Abfragestrahls zu verändern. Im Fall, dass die Reflektoren 90 oder 95 bewegt werden, kann ein zusätzlicher Treiber eingesetzt werden, um die Reflektoren 90 oder 95 anzutreiben und der zusätzliche Treiber kann entsprechend einem Steuerungssignal aus einem Reflektorsteuerungsgerät (nicht dargestellt) in der elektronischen Verarbeitungseinheit 50 arbeiten.
Außer der oben genannten Verfahren kann der Gegenstand unter Verwendung verschiedener Verfahren zum Bewegen einer Linse, unter Verwendung eines elektrooptischen Deflektors, usw. abgetastet werden. Die Abtastung des Abfragestrahls, wie in 2(a) und 2(b) beschrieben, basiert auf einer zweidimensionalen Abtastung. Jedoch kann der Abfragestrahl nur in eine Richtung gebrochen werden, um ein eindimensionales Bild zu erhalten, das mittels einer eindimensionalen Kodierung wiederhergestellt wird, um ein zweidimensionales Querschnittsbild zu erhalten, das entsprechend einer eindimensionalen Linie ein Tiefenbild darstellt.
Wenn ein Tiefenbereich des Gegenstandes, der erfasst wird, kleiner als eine Kohärenzlänge des Laserstrahls mit der gechirpten Frequenz ist, muss das Objektgestell 35 nicht in einer vertikalen Achsenrichtung bewegt werden. Jedoch, wenn der Tiefenbereich des Gegenstandes länger als die Kohärenzlänge des Laserstrahls ist, muss ein dreidimensionales Bild des Gegenstandes in einer Reihe von vertikalen Achsenzonen abgetastet werden, um dreidimensionale Bildinformationen des Gegenstandes aus einem kompletten Tiefenbereich des Gegenstandes zu gewinnen. In diesem Fall kann das Objektsgestell 35 in der vertikalen Achsenrichtung des Gegenstandes bewegt werden, um das dreidimensionale Bild des Gegenstandes in der Reihe von vertikalen axialen Zonen abzutasten. Auf dieser Weise kann ein dreidimensionales Bild in einem kompletten Tiefenbereich des Gegenstandes länger als die Kohärenzlänge des Laserstrahls gewonnen werden.
Der Reflektor 30 ist auf einem Weg des Referenzstrahls angeordnet, um den Referenzstrahl zu reflektieren, und der Reflektor 30 leitet dann den reflektierten Referenzstrahl zu dem Strahlteiler 20 weiter. Der Strahlteiler 20 leitet den Referenzstrahl zu dem Lichtintegrator 40 weiter. Es handelt sich bei dem Referenzstrahl um das parallele Licht, das durch den Kollimator 15 umgewandelt worden ist.
Der Referenzstrahl erreicht die Abbildungsplatte 38, und kann in folgender Gleichung 4 dargestellt werden: E2(r →, t + Δt2) ≈ circ[r →/a]exp(j/ϖot + ϖoΔt2 + ϕ(t + Δt2))) (4)wobei es sich bei ”Δt₂” um eine Flugzeit des Referenzstrahls vom Reflektor 30 zur Abbildungsplatte 38 handelt. Der Referenzstrahl ist eine ebene Welle mit einer beschränkten Größe. Eine Linse kann auf dem Weg des Referenzstrahls des Laserstrahls positioniert werden, der vom Lasergenerator 10 ohne den Kollimator 15 ausgestrahlt wird, um die ebene Welle auszubilden.
Der Abfragestrahl und der Referenzstrahl, die zur Abbildungsplatte 38 gelangt waren, überlagern sich auf der Abbildungsplatte 38, und eine räumliche Verteilung des Referenzstrahls, der das parallele Licht ist, überlagert sich mit einer räumlichen Verteilung des Abfragestrahls, der die Kugelwelle bildet, um ein Interferenzsignal auszubilden.
Der Lichtintegrator 40 integriert räumlich das Interferenzsignal. Der Lichtintegrator 40 kann mittels einer Linse (oder Linsen) implementiert werden. Außer der Linse (oder der Linsen) können unterschiedliche Verfahren zur Lichtintegration, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, wie zum Beispiel ein Abbildungs- oder Nicht-Abbildungslichtintegrator einschließlich eines Konkavspiegels, usw, als Lichtintegrator 40 implementiert werden.
Der Fotodetektor 45 wandelt das räumlich integrierte Interferenzsignal in ein Stromsignal um. Hier erzeugt der Fotodetektor 45 entsprechend einer Intensität eines Musters des räumlich integrierten Interferenzsignals Strom. Der Fotodetektor 45 kann mittels einer Fotodiode verwirklicht werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht derart beschränkt, und deshalb kann der Fotodetektor 45 auch mittels eines Foto-Elektronenvervielfacher-Rohrs realisiert werden.
Das Stromsignal, das vom Fotodetektor 45 erzeugt wird, kann in folgender Gleichung 5 dargestellt werden: I(r →t, t) = ∫|E1|2 + |E2|2 + 2Re{Ro(r → – r →t, z)} × {∫cos[–πr →2/λ(zo + z) + ϖoτ + ϕ(t) – ϕ(t –τ)dλ} × circ[r →/sinα(zo + z)}dr → (5)wobei es sich bei ”Re{}” um eine Operation des Entnehmen eines Teils einer reellen Zahl aus einer komplexen Zahl, und bei ”τ = Δt₁ – Δt₂” um eine relative Flugdauerdifferenz gemäß einer Wegdifferenz zwischen den vom Reflektor 30 zurückgestrahlten Referenzstrahl und dem Abfragestrahl, der von den Gegenstand reflektiert wird, der erfasst wird, handelt. Hierbei ist ”τ” proportional zu einem relativen Abstand des Gegenstandes, und daher wird ”Δz ≈ cτ/2n”, wobei es sich bei ”c” um die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum handelt, und bei ”n” um einen Reflektionsindex in einem Medium.
Die räumliche Verteilung des Abfragestrahls ist die Kugelwelle, die räumliche Verteilung des Referenzstrahls ist die ebene Welle und eine Trägerfrequenz des Laserstrahls wird mit Zeit wiederholt gechirpt. Jede Frequenzkomponente des Stromsignals, das vom Fotodetektor 45 erzeugt wird, weist Informationen über ein kodiertes Muster auf, das das Querschnittsbild des Gegenstandes in einer entsprechenden Tiefenposition und einem Fresnelzonenmuster enthält.
Wenn ein linear veränderter Laserstrahl mit einem Frequenzveränderungsbereich ”Δf” und einer Zeitdauer ”T_o” eingesetzt wird, erfolgt eine Phasendifferenz wegen einer relativen Flugdauerdifferenz, die wegen der Wegdifferenz zwischen dem vom Reflektor 30 reflektierten Referenzstrahl und dem vom Gegenstand zurückgestrahlten Abfragestrahl entsteht, und kann in folgender Gleichung 6 dargestellt werden: ϕ(t) – ϕ(t – τ) = (Δf/To)τt. (6)
Mittels der Gleichung 6 kann die Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Abfragestrahl ermittelt werden. Da die Phasendifferenz proportional zu einer Tiefenposition des Querschnitts des Gegenstandes ist, kann die Tiefenposition des Querschnittes des Gegenstandes überprüft werden.
Das Stromsignal, das vom Fotodetektor 45 erzeugt wird, kann in folgender Gleichung 7 dargestellt werden: I(r →t, t) = ∫|E1|2 + |E2|2 + 2Re{Ro(r → – r →t, z)} × {∫cos[–πr →2/(zo + Δz) + ϖoτ + (Δf/To)τ]dλ} × circ[r →/sinα(zo + Δz)dr → (7)
Das Stromsignal wird zu einem sinusförmigen Signal einer Frequenz in jeder versetzten Position des Objektsgestells 35 mit der Zeit verändert.
Die elektronische Verarbeitungseinheit 50 verarbeitet das digitalisierte Stromsignal, das vom Fotodetektor 45 abgetastet wird, um das dreidimensionale Bild des Gegenstandes zu gewinnen. Die elektronische Verarbeitungseinheit 50 weist einen AD-Wandler 60, einen Signalprozessor 65, einen Speicher 70, ein Objektsgestellsteuergerät 80 und eine Anzeige 75 auf. Der Speicher 70 speichert das driedimensionale Bild des Gegenstandes, das von dem Signalprozessor 65 verarbeitet wird. Das Objektsgestellsteuergerät 80 erzeugt ein Steuerungssignal zur Positionsänderung des Objektsgestells 35, immer wenn der Signalprozessor 65 die Verarbeitung einer wirklichen Position des Gegenstandes fertigstellt. Die Anzeige 75 zeigt ein Bild an, das vom Signalprozessor 65 verarbeitet wurde.
Der AD-Wandler 60 wandelt das Stromsignal, das vom Fotodetektor 45 erzeugt wird, in das digitale Stromsignal um. Das umgewandelte digitale Stromsignal und eine Abtastposition des Objektsgestells 35 werden zu dem Signalprozessor 65 weitergeleitet.
Der Signalprozessor 65 entfernt das Fresnelmuster vom kodierten Muster, das vom AD-Wandler 60 geliefert wird, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Das kodierte Muster, das zu dem Signalprozessor 65 weitergeleitet wird, ist ein eindimensionales Array in jeder versetzten Position des Objektsgestells 35 mit der Zeit. Der Signalprozessor 65 führt eine normale Fourier-Transformation z. B. eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf ein eindimensionales Feldsignal aus. Hierbei können weitere Algorithmen zum Gewinnen von Frequenzkomponenten eines Signals eingesetzt werden, wie zum Beispiel die Maximum-Entropie-Methode oder die Wavelet-Transformation.
Eine Frequenzkomponente eines Signals bei f_b = (Δf/T_o)τ, das dadurch gewonnen wird, die FFT in dem Signalprozessor 65 auszuführen, kann in folgender Gleichung 8 dargestellt werden:
wobei es sich bei ”F{}” um die Fourier-Transformation handelt, und bei ”⊗” um eine Faltungsoperation. Die Frequenzkomponente bei jeder f_b = (Δf/T_o)τ, die der Tiefenposition des Gegenstandes entspricht, wird zusammen mit der Position des Objektsgestells 35 abgespeichert.
Auch legt die elektronische Bearbeitungseinheit 50 das digitale Stromsignal des eindimensionalen Arrays, das von dem AD-Wandler 60 umgewandelt wird, in der willkürlichen Position des Gegenstandes zusammen mit der Position des Objektsgestells 35 in dem Speicher 70 ab. Nachdem eine Abtastung abgeschlossen wurde, liest die elektro nische Verarbeitungseinheit 50 das digitale Stromsignal aus dem Speicher 70 aus und überträgt das digitale Stromsignal zum Signalprozessor 65, um einen Signalverarbeitungsvorgang, wie oben beschrieben, durchzuführen. Das Objektsgestellsteuergerät 80 erzeugt das Steuerungssignal zur Positionsveränderung des Objektsgestells 35, immer wenn das digitale Stromsignal des eindimensionalen Arrays, das vom AD-Wandler 60 umgewandelt wird, in der willkürlichen Position des Gegenstandes mit der abtastenden Position in den Speicher 70 fertig abgelegt wird. In diesem Fall wird die Signalverarbeitung nach der Abtastung ausgeführt. Auf diese Weise kann die Abtastung in einer kurzen Zeit fertig ausgeführt werden.
Das digitale Stromsignal, das in Speicher 70 abgelegt wird, ist ein kodiertes Muster, das durch Kodierung des Querschnittbildes des Gegenstandes und des Fresnelzonenmusters mit einer beschränkten Größe ausgebildet wird und das in folgender Gleichung 9 dargestellt werden kann: O(r →t, fb) = Ro(r →, Δz) ⊗ S(r →, Δz) (9)wobei es sich bei ”S(r →, Δz) = ∫exp[iπr →2/λ(zo + Δz)]circ[r →/sinα(zo + Δz)]dλ” um ein Interferenzmuster zwischen einer ebenen Welle mit einer beschränkten Größe und einer Kugelwelle mit einer beschränkten Größe handelt, d. h. dass ein Fresnelzonenmuster von einer beschränkten Größe eine Fresnel-Zahl ”F = a²/λz_o” hat. Dadurch ist ”O(r →t, fb)” das kodierte Muster des Querschnittsbildes ”R_o(r →_t, Δz)” des Gegenstandes und des Fresnelzonenmusters, d. h. ein Hologramm in der Tiefenposition des Querschnittsbildes gemäß der Helmholtz-Kirchhoff und Rayleigh-Sommenrfeld Beugungsformel. Hierbei hat das Fresnelzonenmuster eine Wellenlängenbreite entsprechend der Frequenzabtastung.
Der Signalprozessor 65 stellt das Querschnittsbild ”Ro(r →, Δz)” des Gegenstandes durch eine Faltung zwischen dem kodierten Muster ”O(r →t, fb)” und einer komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters wieder her. Die komplexe Konjugation des Fresnelzonenmusters ist eine Feldfunktion, und die komplexe Konjugation des Fresnelzonenmusters, das der Tiefenposition des Gegenstandes entspricht, der erfasst wurde, wird mit dem kodierten Muster gefaltet. Hierbei ist die komplexe Konjugation des Fresnelzonenmusters bei der Position ”z = Δz” ”F(r →t, Δz) = S*(r →t, Δz)”. Ein Bild, das durch eine Faltung mit der komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters wiederhergestellt wird, kann in folgender Gleichung 10 dargestellt werden: RRe(r →, Δz) ≈ O(r →t, fb) ⊗ F(r →, Δz) = O(r →t, fb) ⊗ S*(r →t, Δz) (10)
Diese Wiederherstellung entspricht einer digitalen Rückfortpflanzung und ist bekannt als Fresnel-Transformation. Die Wiederherstellung des kodierten Musters kann auch durch unterschiedliche digitale Rückfortpflanzungen realisiert werden, wie zum Beispiel durch eine Fresnel-Analyse, eine Wavelet-Analyse, ein holographisches Element (Hogel), eine Stufen-Fresnel-Ausbreitung, eine FFT basierend auf einem Winkelspektrum, einer direkten Integration und einer umgekehrten Streuung, sowie unterschiedlichen Algorithmen der digitalen Holographie.
Ein wie oben beschriebener Wiederherstellungsalgorithmus kann in dem Fourier-Bereich mit folgender Gleichung 11 beschrieben werden: R ~Re(ν →, Δz) ≈ O ~(ν →, fb)F ~*(ν →, Δz) (11)wobei es sich bei ”ν →” um eine Ortsfrequenz handelt, und bei ”R ~Re(ν →, Δz), O ~(ν →, fb) und F ~*(ν →, Δz)” jeweils um zweidimensionale Fourier-Transformationen von ”RRe(r →, Δz) O(r →t, fb), und F*(r →t, Δz)”.
Diese Wiederherstellung des Querschnittsbildes des Gegenstandes wird vom Signalprozessor 65 verarbeitet, und wird durch Dekodierung des kodierten Musters mittels des Fresnelzonenmusters erhalten. Auf diese Weise hängt die Tiefenfläche des Gegenstandes nicht von einer Rayleigh-Fläche der Objektivlinse 25, sondern von einer Kohärenzlänge einer Laseremission ab. Deshalb wird ein Bild mit hoher seitlicher Auflösung in der Tiefenfläche des Gegenstandes gewonnen, der der Kohärenzlänge des Lasers entspricht, d. h. die gesamte Tiefenfläche des Gegenstandes.
Eine dreidimensionale Punktspreizfunktion (PSF) des Bildes, die durch den Signalprozessor 65 wiederhergestellt wird, kann in folgender Gleichung 12 dargestellt werden: h(r →, δz) ≈ S(r →t, 0) ⊗ S*(r →, δz) (12)wobei es sich bei ”δz” um eine Tiefendifferenz zwischen dem Fresnelzonenmuster zur Kodierung des Querschnittsbildes und dem Fresnelzonenmuster zur Wiederherstellung des Querschnittsbildes handelt.
Eine Übertragungsfunktion des optischen Abbildungssystems, das auf der Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, wird durch eine zweidimensionale Fourier-Tranformation einer PSF erhalten und kann in folgender Gleichung 13 dargestellt werden: H(ν →, δz) ≈ exp(–iπλν →2δz)circ(λν →/sinα). (13)
Die Übertragungsfunktion beschreibt wie die Ortsfrequenz ”ν →” des wiederhergestellten Bildes des Gegenstandes, der durch Tiefendifferenz ”δz” defokusiert wird, auf der Abbildungskarte 38 entsteht.
Die Übertragungsfunktion zeigt folgende zwei Eigenschaften.
Zuerst ist eine Grenzfrequenz des wiederhergestellten Bildes ”ν_max = sinα/λ” und gleich einer Grenzfrequenz der Objektivlinse 25. Deshalb ist eine seitliche Auflösung des wiederhergestellten Bildes ”Δr = λ/2sinα”, und gleich einer seitlichen Auflösung eines existierenden Weitfeldbildes, und entspricht einem Rayleigh-Limit der Objektivlinse 25. Die zweite Eigenschaft betrifft eine defokusierende Eigenschaft einer Ortsfrequenz. Da diese Ortsfrequenz, die mit einem Defokus ”δz” variiert, zu unterschiedlicher Phaseverschiebungen führt, wird ein defokusiertes Bild erzeugt.
Dementsprechend, wenn ein Fresnelzonenmuster, das einem in der Kodierungsphase eingesetztem Fresnelzonenmuster in der Wiederherstellungsphase verwendet wird, wird ein kodiertes Querschnittsbild wieder hergestellt.
In der Wiederherstellungsphase wird ein In-Fokus-Bereich durch eine axiale Abstandsdifferenz definiert, die die Fresnel-Zahl eines dekodierenden Musters durch eine Einheit aus einem Wert einer Fresnel-Zahl bei einem Fokus verändert. Auf diese Weise ist der In-Fokus-Bereich ”δz = λ/sin²α” und gleich einem In-Fokus-Bereich eines Weitfeldabbildungssystems, und entspricht einem Rayleighbereich der Objektivlinse 25. Im Allgemeinen wird die Frequenz des Laserstrahls, der durch den Lasergenerator 10 verändert wird, durch Hochleistungsfrequenzabtastung nicht linear abgetastet. Wenn eine Hochgeschwindigkeitsfrequenzabtastung läuft, verändert sich eine Frequenz eines Lasers nicht linear mit der Zeit sondern sinusförmig.
Das Nebeninterferometer 100 wird eingesetzt, um den Laserstrahl zu korrigieren, so dass sich der Laserstrahl in einem gleich geteilten Abstand entlang des Frequenzbereichs befindet.
Das Nebeninterferometer 100 weist einen ersten Koppler 105 und einen zweiten optischen Koppler 110 und eine Fotodetektoreinheit 115 auf, und erzeugt ein Nebeninterferenzsignal, um die Nicht-Linearität des Laserstrahls zu korrigieren, der aus dem Lasergenerator 10 emittiert wird.
Der erste optische Koppler 105 teilt einen Teil des Laserstrahls ab, der vom Lasergenerator 10 emittiert wird, und leitet den abgeteilten Laserstrahl zu dem zweiten optischen Koppler 110 weiter, und teilt circa 10% des Laserstrahls ab, der vom Lasergenerator 10 emittiert wird, und leitet die 10% des Laserstrahls zu dem zweiten optischen Koppler 110 weiter.
Der zweite optische Koppler 110 teilt den Laserstrahl ab, der aus dem ersten optischen Koppler 105 übermittelt wird, und leitet den abgeteilten Laserstrahl zu der Fotodetektoreinheit 115 weiter. Der zweite optische Koppler 110 teilt den Laserstrahl gleichmäßig auf.
Die Fotodetektoreinheit 115 wandelt den Laserstrahl in ein Stromsignal um, das aus dem zweiten optischen Koppler 110 übermittelt wird, um das Nebeninterferenzsignal zu erzeugen, und leitet das Nebeninterferenzsignal zu dem Signalprozessor 65 durch den AD-Wandler 60 hindurch weiter.
Das Nebeninterferenzsignal, das von der Fotodetektoreinheit 115 des Nebeninterferenzmeters 100 erzeugt wird, wird zum AD-Wandler 60 weitergeleitet, und der AD-Wandler 60 empfängt das Nebeninterferenzsignal aus dem Nebeninterferenzmeter 100 und das Interferenzsignal aus dem Fotodetektor 45 gleichzeitig mittels zweier Kanäle. Der AD-Wandler 60 tastet das Nebeninterferenzsignal ab, um das Nebeninterferenzsignal in ein digitales Signal umzuwandeln.
Ein Filter mit einem Durchlassband, das einem Frequenzbereichs des Nebeninterferenzsignals entspricht, kann entweder vor oder hinter dem AD-Wandler 60 angeordnet werden, um Rauschen aus dem Nebeninterferenzsignal zu entfernen und um ein reines sinusförmiges Signal zu bekommen.
Wenn der Signalprozessor 65 eine genaue Form der Frequenzabtastung mittels des Nebeninterferenzsignals prüft, wird eine Zeitachse der abgetasteten Daten verändert, um eine Bitsignaleigenschaft der linearen Abtastung auf einer Zeitachse anzuzeigen, wobei das Fotosignal aus dem Interferenzsignal abgetastet wird, das vom Fotodetektor 45 übermittelt wird. Wenn eine neue Zeitachse sich aus der Zeitachse ergibt, verarbeitet der Signalprozessor 65 Signale wie folgt.
Der Signalprozessor 65 interpoliert neue Zeitabtastungen in neue Zeitachsenkoordinaten mit gleichen Zeitschrittgrößen, die auf einer linearen oder nicht-linearen Passform von derzeitigen Datenwerten in der neuen Zeitachse basieren. Solche korrigierten Abtastungen haben lineare sinusförmige Frequenzen. Der Signalprozessor 65 führt standardmäßige Fourieranalysen aus, wie zum Beispiel die FFT, um eine Tiefeninformation des kodierten Querschnittsbildes des Gegenstandes zu erhalten. Andere Algorithmen wie zum Beispiel die Maximum-Entropie-Methode, die Wavelet-Tranformation usw., können hier eingesetzt werden.
Als ein Beispiel eines detaillierten Verfahrens zur Zeitachsenveränderung der abgetasteten Daten des Interferenzsignals aus den Fotodetektor 45, wobei die Bit-Signaleigenschaft einer linearen Abtastung auf der Zeitachse mittels des Nebeninterfe renzsignales angezeigt wird, führt der Signalprozessor 65 eine Strömungsverarbeitung aus, um Werte vor und nach allen Abtastungszeitpunkten des Nebeninterferenzsignals mittels eines Hochgeschwindigkeits-nächster-Nachbar-Algorithmus zu überprüfen. Wenn zwei Werte vor und nach einem Abtastungszeitpunkt größer oder kleiner als ein Wert bei dem Abtastungszeitpunkt sind, speichert der Signalprozessor 65 Abtastungsdaten ab, die aus dem Interferenzsignal des Fotodetektors 45 bei dem Abtastungszeitpunkt abgetastet werden. Wenn abgespeicherte Abtastungsdaten sequenziell abgelegt werden, werden Frequenzen der sequenziell abgelegten Abtastungsdaten auf eine neue Zeitachse der sequenziell abgelegten Abtastungsdaten korrigiert, und dadurch haben die sequenziell abgelegten Abtastungsdaten lineare sinusförmige Frequenzen.
Im Allgemeinen wird eine Frequenz periodisch abgetastet, und hat einen Teil, in dem die Frequenz sich mit der Zeit abbildet, und der Abbildungsteil kann in einen monotonen steigenden Anteil und einen monoton fallenden Anteil aufgeteilt werden. Eine Windows-Funktion kann ausgeführt werden, um Daten mit geringer Glaubwürdigkeit an einer Übergangsstelle zu entfernen, an der ”f(t)” von einem steigenden Teil in einen fallenden oder von einem fallenden in einen steigenden wechselt.
Die oben genannten Verfahren zielen darauf ab, nicht-lineare Frequenzabtastungen mittels einer echtzeitigen oder einer frühen Kenntnisse eines Quellfrequenzhubprofils und einheitlichen oder nicht-einheitlichen Samples gemäß nicht-linearen Signalverarbeitungsverfahren zu korrigieren.
Hierbei kann die Kenntnis einer Form von Frequenzabtastung aus einem Eingang eines Lasers herausgefunden werden, wenn die Arbeitsweise eines Laserstrahls bekannt ist. Beispielsweise, wenn es sich um einen Halbleiter-Laser handelt, bei dem eine Frequenzmodulatio-Reaktion auf einen Eingangsstrom eines Lasers bekannt ist, wird eine Laserfrequenz am Ausgang aus dem Eingang des Lasers gewonnen.
Wenn die Arbeitsweise des Lasers kompliziert ist, können die Kenntnisse über eine Art der Laserfrequenzabtastung mittels optischen Kalibratierungstechniken ermittelt werden. Beispielsweise liegt ein Verfahren zur Messung einer relativen Zeit eines Frequenzchirplasers vor, der durch einen Filter durchquert hat, wobei ein kalibrierter schmalbandiger optischer Filter (z. B. kalibriert mittels eines Wellenlängenmessgerätes) und Ausblendzeitverfahren eingesetzt werden. Der kalibrierte schmalbandige optische Filter kann hier Schritt für Schritt in einem Frequenzabtastungsbereich verändert werden, um die Frequenzabtastung zuzuordnen. Bei einem ähnlichen Verfahren kann die Ausblendung ausgeführt werden, wobei ein Laser mit einer bekannten Frequenz (mittels eines Wellenlängenmessgerätes) und ein Überlagerungsverfahren eingesetzt werden.
Außerdem können verschiedene Arte von optischen Verzögerungsleitungen, optischen Frequenzdiskriminatoren (z. B. Etalons, Fabry-Perot, unsymmetrische Mach-Zehnder, und Michelson-Interferometer) hier eingesetzt werden, um Kenntnisse über die Frequenzabtastung zu bekommen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, um die nicht-lineare Frequenzabtastung zu korrigieren, kann eine Wegdifferenz des Nebeninterferometer 100 verändert werden, und das Interferenzsignal der Fotodetektoreinheit 115 des Nebeninterferometers 100 kann gemäß der Wegdifferenz aufgenommen werden. Das aufgenommene Nebeninterferenzsignal wird als eine Basis einer Wavelet-Transformation oder direkt zur Überlagerungsdetektierung eingesetzt, um eine nicht-lineare Frequenzkomponente zu gewinnen. Das Nebeninterferenzsignal aus der Fotodetektoreinheit 115 kann mit dem Interferenzsignal aus dem Fotodetektor 45 multipliziert werden, und dann kann die Tiefpassfilterung ausgeführt werden, um Überlagerungen in Realzeit zu detektieren.
Die Leistungskalibrierungseinheit 120 wird eingesetzt, um eine Intensitätschwankungswirkung eines Lasers während der Frequenzabtastung des Lasers zu unterdrücken, und weist einen dritten optischen Koppler 125, einen Leistungsdetektor 130 und einen Differentialverstärker 135 auf.
Der dritte optische Koppler 125 teilt den Laserstrahl auf, der vom Lasergenerator 10 erzeugt wird und leitet den abgeteilten Laserstrahl zum Leistungsdetektor 130 weiter. Der dritte Koppler 125 leitet ungefähr 10% des Laserstrahls zum Leistungsdetektor 130 weiter.
Der Leistungsdetektor 130 kann eine Fotodiode sein, und kann eine Leistungsintensität des Laserstrahls messen, um eine Schwankung der Leistungsintensität des Laserstrahls zu bestimmen. Die gemessene Leistungsintensität wird eingesetzt, um eine Leistung des Laserstrahls zu kalibrieren, oder ein Signal aus dem Fotodetektor 45 zu regeln.
Der Differenzialverstärker 135 gibt eine Leistungsintensitätsdifferenz zwischen einem Ausgangssignal des Fotodetektors 45, das die räumliche Information des Gegenstandes ausweist, der erfasst wird, und einer Leistungsintensität des Laserstrahls aus. Wie im Stand der Technik der vorliegenden Erfindung bekannt, kann ein symmetrisch verstärkter Fotodetektor verwendet werden, um als der Fotodetektors 45, der Leistungsdetektor 130 oder der Differenzialverstärkers 135 zu arbeiten.
Eine Ausgabe des Leistungsdetektors 130 kann auf den Laserdetektor 10 angewendet werden, um die Intensität des Laserstrahls zu kalibrieren, oder kann nach der Abtastung von dem AD-Wandler 60 eingesetzt werden, um das Stromsignal zu regeln, das die Ausgabe aus dem Fotodetektor 45 in der elektronischen Verarbeitungseinheit 50 ist.
Als ein Verfahren zum Weiterleiten des Laserstrahls zu dem Nebeninterferometer 100 und zu der Leistungskalibrierungseinheit 120 neben einem Verfahren zum Abteilen und Weiterleiten eines Teils von dem Laserstrahl aus dem Lasergenerator 10 mittels eines optischen Kopplers, bei der bezüglich 1 dargestellten Ausführungsform und der Ausführungsformen, die später bezüglich 3 und 6 beschrieben werden, können Teilreflektoren mit einer Teilreflektivität als die Reflektoren 30, 230 und 530 eingesetzt werden, um einen Teil des Referenzstrahls hinter die Reflektoren 30, 230 und 530 zu übertragen. Dann kann der übertragene Strahl an einer Glasfaser gekoppelt werden und dann zum Nebeninterferometer 100 und zu der Leistungskalibrierungseinheit 120 weitergeleitet werden. Bei Ausführungsformen, die später bezüglich 5 und 7 beschrieben werden, wird ein Teil eines Laserstrahls, der vertikal von Strahlteilern 420 und 620 reflektiert wird, an eine Laserfaser gekoppelt und zum Nebeninterferometer 100 und der Leistungskalibrierungseinheit 120 weitergeleitet, wobei der Laserstrahl von Kollimatoren 415 und 615 zu den Strahlteilern 420 und 620 weitergeleitet wird. Wie oben beschrieben wird ein Strahl zum Nebeninterferometer 100 und zu der Leistungskalibrierungseinheit 120 mittels eines Laserfaserkopplers weitergeleitet, und des Weiteren wird der Strahl, der die durch die 0 Teilreflektoren weitergeleitet wird, oder der von den Strahlteiler 420 und 620 reflektiert wird, durch eine Linse gebündelt, oder kann durch einen Strahlteiler abgeteilt werden, und dann direkt auf das Nebeninterferometer 100 oder die Leistungskalibrierungseinheit 120 angewandt werden.
3 zeigt gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert.
Das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform basiert auf einem Michelson-Interferometer und verbessert eine seitliche Auflösung um das doppelte gegenüber der Auflösung des optischen Abbildungssystems der vorherigen Ausführungsform.
Wie das optische Abbildungssystem der vorherigen Ausführungsform kann das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform das Nebeninterferometer 100, die Leistungskalibrierungseinheit 120 und die in 2(a) oder 2(b) dargestellten reflektiven Strukturen zum Brechen eines Abfragestrahls aufweisen.
Die Beschreibungen und Abbildungen des Nebeninterferometers 100, der Leistungskalibrierungseinheit 120 und der reflektiven Strukturen der vorliegenden Ausführungsform werden hier wiederholt, wie diese in 1. dargestellt werden. Deshalb werden sie in der vorliegenden Ausführungsform zugunsten der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform weggelassen. Nur ein optisches System 201 des optischen Abbildungssystems wird hier gezeigt und beschrieben.
Das optische System 201 der vorliegenden Ausführungsform weist einen Lasergenerator 210, einen Kollimator 215, einen Strahlteiler 220, eine Referenzstrahllinse 227, einen Reflektor 230, eine Objektivlinse 225, ein Objektsgestell 235, einen Lichtintegrator 240, einen Fotodetektor 245 und eine elektronische Verarbeitungseinheit 250 auf. Im Vergleich zum optischen System 1 der vorherigen Ausführungsform ist nur die Referenzstrahllinse 227 zusätzlich im optischen System 201 angeordnet.
Der Lasergenerator 210 erzeugt einen Laserstrahl mit einer Trägerfrequenz, die sich wiederholt linear mit der Zeit verändert wird.
Der Kollimator 215 wandelt den Laserstrahl in paralleles Licht um, und der Strahlteiler 220 teilt den Laserstrahl in einen Referenzstrahl und einen Abfragestrahl.
Der Abfragestrahl, der durch die Objektivlinse 225 fliegt, wird in eine Kugelwelle umgewandelt, die auf einen Gegenstand gerichtet wird, der erfasst wird, und tastet den Gegenstand, der auf dem Objektgestell 235 angeordnet ist, durch eine seitliche Abtastung des Objektgestells 235 ab.
Wie bei der vorherigen Ausführungsform kann die Objektivlinse 225 richtig auf einem Weg des Laserstrahls angeordnet werden, um die Kugelwelle ohne den Kollimator 215 zu erzeugen.
Der Abfragestrahl, der von dem Gegenstand reflektiert wird, durchquert den Strahlteiler durch, und wird als ein Bild auf einer Abbildungsplatte 238 der Objektivlinse 225 durch die Objektivlinse 225 abgebildet.
Hierbei wird die Abbildungsplatte 238 eine virtuelle Platte, auf der das Bild des Gegenstandes gebildet wird, und die zur besseren der Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit Strichlinien zwischen den Lichtsignalintegrator 240 und dem Strahlteiler 220 gekennzeichnet wird. Doch die Abbildungsplatte 238 kann vor oder nach dem Lichtintegrator 240 oder in einer Position des Lichtintegrators 240 gemäß einer Struktur des optischen Systems 201 gebildet werden, das das Bild bildet.
Der Referenzstrahl durchquert die Referenzstrahllinse 227, um in eine Kugelwelle umgewandelt zu werden, und dann vom Reflektor 230 reflektiert zu werden. Die Referenzstrahllinse 227 fokusiert den reflektierenden Referenzstrahl an der Stelle ”z_o” aus der Abbildungsplatte 238. Der reflektierte Referenzstrahl kann in der folgenden Gleichung 14 dargestellt werden: E2(r →, z, t + Δt2) ≈ exp[iπr →2/λ(zo – z)]circ[r →/sinα(zo – z)] × exp(j(ϖot + ϖoΔt2 + ϕ(t + Δt2))) (14) wobei es sich bei ”Δt₂” um eine Flugdauer des Lichtes vom Reflektor 230 zur Abbildungsplatte 238 der Objektivlinse 225 handelt. Nachdem der Referenzstrahl in die Kugelwelle umgewandelt wurde, hat ein Fresnelzonenmuster, das auf der Abbildungsplatte 238 gebildet wird, eine verdoppelte Fresnel-Zahl, gegenüber dem Fresnelzonenmuster der vorherigen Ausführungsform.
Die Referenzstrahllinse 227 kann entsprechend auf einem Weg des Referenzstrahls des Laserstrahls positioniert werden, um den Referenzstrahl in die Kugelwelle ohne den Kollimator 215 umzuwandeln. Ein konkaver oder ein konvexer Reflektor kann auf dem Weg des Referenzstrahls eingesetzt werden, oder eine Linse kann mit einem Spiegel kombiniert werden und auf dem Weg des Referenzstrahls positioniert werden, um den Referenzstrahl in die Kugelwelle umzuwandeln.
Der von dem Gegenstand reflektierte Abfragestrahl und der von dem Reflektor 230 reflektierte Referenzstrahl überlagern sich miteinander auf der Abbildungsplatte 238 der Objektivlinse 225, um ein Interferenzsignal zu erzeugen. Das Interferenzsignal wird durch den Lichtintegrator 240 räumlich integriert, und der Fotodetektor 245 erzeugt entsprechend einer Intensität des räumlich integrierten Interferenzsignals ein Stromsignal. Das Stromsignal kann in folgender Gleichung 15 dargestellt werden: I(r →t, t) = ∫|E1|2 + |E2|2 + 2Re{Ro(r → – r →t, z)} × {∫cos[πr →22zo/λ(z2o – z2) + ϖoτ + ϕ(t) – ϕ(t – τ)]dλ} × circ[r →/zosinα]dr → (15)wobei es sich bei ”Re{}” um eine Operation von Entnehmen einer reellen Zahl aus einer komplexen Zahl handelt, und bei τ = Δt₁ – Δt₂ um eine relative Flugdauerdifferenz wegen einer Wegdifferenz zwischen dem von dem Reflektor 230 reflektierenden Referenzstrahl und dem von dem Gegenstand reflektierenden Abfragestrahl. ”τ” ist hier direkt proportional zu einem relativen Abstand des Gegenstandes, und deshalb ergibt sich ”Δz cτ/2n”, wobei es sich bei ”c” um die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum handelt und bei ”n” um einen Brechungsindex eines Mediums.
Wenn ein linear veränderter Laserstrahl mit einem Frequenzveränderungsbereich ”Δf” und einer Zeitdauer ”T_o” eingesetzt wird, erfolgt eine Phasendifferenz, da eine relative Flugdauerdifferenz durch die Wegdifferenz zwischen dem vom Reflektor 230 reflektierenden Referenzstrahl und dem von dem Gegenstand reflektierten Abfragestrahl besteht. Die Phasendifferenz kann in oben genannter Gleichung 6 dargestellt werden.
Außerdem kann das Stromsignal, das durch den Fotodetektor 245 erzeugt wird, gemäß folgender Gleichung 16 übertragen werden: I(r →t, t) = ∫|E1|2 + |E2|2 + 2Re{Ro(r → – r →t, Δz)} × {∫cos[–πr →22zo/λ(z2o + Δz2)+ ϖoτ + (Δf/To)τt)]dλ} × circ[r →/zosinα]dr → (16)
Mit anderen Worten verändert sich das Stromsignal in einem sinusförmigen Signalverlauf einer Frequenz in jeder seitlichen versetzten Position des Objektsgestells 235 mit der Zeit.
Die elektronische Verarbeitungseinheit 250, die das von dem Fotodetektor 245 detektierte digitalisierte Stromsignal verarbeitet, um ein dreidimensionales Bild des Gegenstandes zu gewinnen, weist einen AD-Wandler 260, einen Signalprozessor 265, einen Speicher 270, ein Objektsgestellsteuergerät 280 und eine Anzeige 275 auf.
Die Elemente der elektronischen Verarbeitungseinheit 250 führen die gleichen Operationen aus, die in der vorherigen Ausführungsform beschrieben wurden. Doch der Referenzstrahl, der durch die Referenzstrahllinse 227 reflektiert wird, unterscheidet sich zu dem der vorherigen Ausführungsform beschrieben wurde. Eine Frequenzkomponente bei ”f_b = (Δf/T_o)τ” des Stromsignals, das durch den Signalprozessor 265 verarbeitet wird, kann in folgender Gleichung 17 dargestellt werden:
Die Frequenzkomponente bei ”f_b = (Δf/T_o)τ” des Stromsignals wird mit einer Position des Objektsgestells 235 im Speicher 270 abgelegt. Ein Signal, das im Speicher 270 abgelegt wird, ist ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes ”Ro(r →, Δz)” des Gegenstandes und des Fresnelzonenmusters bei ”Δz = cf_bT_o/Δf2n” gebildet wird, und kann in folgender Gleichung 18 dargestellt werden, wobei das Fresnelzonenmuster eine verdoppelte Fresnel-Zahl hat, gegenüber dem das Fresnelzonenmuster der vorherigen Ausführungsform: O(r →t, fb) = Ro(r →, Δz) ⊗ S(r →, Δz) (18)wobei es sich bei ”S(r →, Δz) = ∫exp[–iπr →22zo/λ(z2o + Δz2)]circ[r →/zosinα]dλ” um ein kodiertes Muster handelt, d. h. ein Interferenzmuster einer Kugelwelle mit einer Gegenkrümmung. Da das kodierte Muster das Interferenzmuster mit Gegenkrümmung ist, und da das kodierte Muster mit dem Querschnittsbild des Gegenstandes gefaltet wird, ist das kodierte Muster ein Fresnelzonenmuster mit einer Wellenlängebreite, die sich 0 mit der Frequenzabtastung verändert. Das Fresnelzonenmuster hat eine Fresnelzahl, die doppelt so groß ist wie die Fresnel-Zahl eines kodierten Musters, das durch einen Interferenz zwischen den ebenen Wellen und den Kugelwellen erhalten wird, wie in 1 dargestellt.
Dementsprechend wird das Querschnittsbild durch Wiederherstellung des kodierten Musters erworben, das dadurch gebildet wird, dass es mit dem Fresnelzonenmuster kodiert wird, und eine seitliche Auflösung hat, die gegenüber der seitlichen Auflösung des Tiefenabbildungssystems der vorherigen Ausführungsform doppelt verbessert ist.
Das Querschnittsbild ”Ro(r →, Δz)” des Gegenstandes wird durch eine Faltung zwischen dem kodierten Muster ”O(r →t, fb)” und einer Feldfunktion wiederhergestellt. Hierbei ist die Feldfunktion eine komplexe Konjugation ”F(r →, Δz) = S*(r →t, Δz)” eines Interferenzmusters zwischen Kugelwellen mit einer Gegenkrümmung in einer entsprechenden Tiefenposition ”z = Δz”. Das wiederhergestellte Bild wird auf der Anzeige 275 angezeigt, und kann wie in oben erwähnter Gleichung 10 dargestellt werden. Der oben beschriebene Wie derherstellungsalgorithmus wird in einem Fourier-Bereich mit der Gleichung 11 entschlüsselt, und eine dreidimensionale Punkt-Spreiz-Funktion des wiederhergestellten Bildes wird gleich so wie in der Gleichung 12 dargestellt.
Jedoch wird eine Übertragungsfunktion des optischen Abbildungssystems der vorliegenden Ausführungsform durch eine zweidimensionale Fourier-Transformation der Punkt-Spreiz-Funktion erhalten, und kann in folgender Gleichung 19 dargestellt werden: H(ν →, δz) ≈ exp(–iπλν →2δz2/2zo)circ(λν →/2sinα). (19)
Die Übertragungsfunktion unterscheidet sich von der Übertragungsfunktion der vorherigen Ausführungsform, wobei das Interferenzmuster zwischen der ebenen Welle und der Kugelwelle als ein kodiertes Muster bezüglich zweier Punkte eingesetzt wird.
Zuerst verdoppelt eine Grenzfrequenz der Übertragungsfunktion eine Grenzfrequenz einer Übertragungsfunktion der Objektivlinse 225, d. h. ”ν_cutoff = 2sinα/λ = 2ν_max”. Deshalb ist eine Punktgröße der Punkt-Spreiz-Funktion des wiederhergestellten Bildes eine Hälfte eines Rayleighlimits der Objektivlinse 225, d. h. ”Δr = λ/4sinα”. Auf dieser Weise verdoppelt die Punktgröße eine Auflösung eines allgemeinen Weitfeldabbildungssystems mit der Objektivlinse 225.
Zweitens erfolgt eine Phasenverschiebung wegen einer Ortsfrequenz ”ν →” gemäß einem defokusierten Abstand, nimmt quadratisch unterschiedlich von einer linearen Beziehung eines Fresnelzonenmusters gemäß einem Abstand ”δz” zu, da sich eine Fresnel-Zahl eines kodierten Musters, das durch eine Interferenz zwischen zwei Wellen mit Gegenkrümmungen gebildet wird, quadratisch nicht linear gemäß einem Defokus verändert. Auf diese Weise kann sich ein Infokus-Bereich während einer Wiederherstellung des kodierten Musters aufweiten. Wenn der Infokus-Bereich als ein Bereich definiert wird, in dem eine Phase einer maximalen Ortsfrequenz ”ν_max” um ”π” verschoben wird, kann der Infokus-Bereich ”δz = √2λz o/sinα” sein. Der Infokus-Bereich ”δz = λ√F/sin2α” kann sich aus ”sinα = a/z_o” und ”F = 2a²/λz_o” ergeben, wobei es sich bei ”F” um die Fresnel-Zahl des kodierten Musters handelt. Der Infokus-Bereich wird ”√F” mal eines Infokus-Bereiches eines Weitenfeldabbildungssystems aufgeweitet.
In dem Signalprozessor 65 der vorherigen Ausführungsform und in dem Signalprozessor 265 des vorliegenden Ausführungsform wird ein Querschnittsbild eines Gegenstandes, der erfasst wird, mittels der komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters als der Feldfunktion dadurch wiederhergestellt, dass eine Faltung zwischen einem kodierten Muster und einer komplexen Konjugation eines Fresnelzonenmusters ausgeführt wird.
Hierbei kann die eingesetzte Feldfunktion willkürlich ausgewählt werden. Ein solcher Freiheitsgrad ermöglicht, unterschiedliche Operationen während der Wiederherstellung eines Bildes auszuführen. Beispielsweise kann ein Punktreflektionsgrad als der Gegenstand der vorherigen Ausführungsform gesetzt und aufgenommen werden, um ein kodiertes Muster zu bekommen. Das kodierte Muster kann als eine Feldfunktion in einer Wiederherstellungsphase eingesetzt werden. Dies hat im Vergleich zu einem allgemeinen Rückfortplfanzungsverfahren zwei Vorteile.
Erstens, wenn ein Querschnittsbild eines Gegenstandes, der erfasst wird, mittels eines kodierten Musters eines Unterauflösungs-Punktgegenstands, kann ein Abbildungsfehler des optischen Abbildungssystems verschoben werden, um entfernt zu werden.
Zweitens hat ein Algorithmus, der zur Wiederherstellung eines kodierten Musters eingesetzt wird, einen willkürlichen Phasenfaktor, der allgemein gemessen und verschoben wird. Diese Phasenfaktoren werden während der Wiederherstellung automatisch verschoben und entfernt.
Beispielsweise kann ein Amplitudenfaktor einer Feldfunktion hinzugefügt werden, um eine Hochfrequenzkomponente für Apodization sanft zu unterdrücken, oder um die Hauptfrequenzkomponente für Randverstärkung zu verbessern.
Wenn eine Feldfunktion, wie zum Beispiel ”F(r →t, Δz) = S*(r →t, Δz) – c × circ(r →t/Fo)” eingesetzt wird, und ”c” eine reale Konstante ist, ist eine Übertragungsfunktion ”H(ν →) ≈ S ~(ν →, 0)[S ~(ν →, o) – c × Jo(2πν →Fo)/ν →]” in einer entsprechenden Tiefenposition ”δz”. Hierbei handelt es sich bei ”Jo(ν →)” um eine Null-Ordnung-Sessel-Funktion.
Demzufolge, wenn ”c = 1/πF_o” ist, ist eine Übertragungsfunktion ”H(ν →) ≈ S ~(ν →, 0)[S ~(ν →, 0) – Jo(2πν →Fo)/πν →Fo]”. Da ”H(0) = 0”, wird eine Frequenz ”ν → = 0” komplett unterdrückt, und werden Tieffrequenzkomponenten bis zum ”Δν = 1.22/F_o” allmählich von „1” auf „0” gedämpft.
Wenn ”F_o” ausreichend groß ist, wird dieses Ergebnis ein dunkles Feldbild.
Als ein weiteres Beispiel, wenn eine Feldfunktion zum Beispiel ”F(r →t, Δz) = S*(r →t + 1/2εx ^, Δz) – S*(r →t –1/2εx ^, Δz) ≈ 1/2ε(d/dx)S*(r →t, Δz)” ausgewählt wird, wobei ”∊” kleiner als ein Auflösungsfaktor ist, und ”x ^” ein Einheitsfaktor in einer x-Richtung ist, zeigt die Feldfunktion einen Gradienten der x-Richtung in einem wiederhergestellten Bild.
Als ein weiteres Beispiel, wenn eine Übertragungsfunktion als ”H(ν →) ≈ S ~(ν →, 0)sin(πενx)” ausgewählt wird, ist ”ν_x” eine Ortsfrequenz der x-Richtung. Wenn ε = 1/2 ist, ist eine Übertragungsfunktion ”H(ν →) ≈ S ~(ν →, 0)sin(0.5πνx)”, was eine Feldfunktion ist, in der ein Muster ”S(r →t, Δz)” ist, die eine Gegenpolarität aufweist, um die Hälfte eines Auflösungsfaktors in eine x-Richtung versetzt wird.
Wenn ”S(r →t, Δz)” als Kugelkrümmung verstanden wird, entspricht diese Übertragungsfunktion einem Differenzialinterferenzkontrast-Verfahren. Wenn eine solche Operation auf einen Phasengegenstand angewendet wird, zeigt die Operation eine Phasensteigung in einer x-Richtung in einem Differenzialinterferenzkontrast-Verfahren. Wenn die Operation auf einen Amplitudengegenstand angewendet wird, zeigt die Operation eine Amplitudensteigung in der x-Richtung in dem Differenzialinterferenzkontrast-Verfahren.
Wenn eine Differenz zwischen zwei kodierten Mustern mit einer Tiefendifferenz, die halb so groß wie eine axiale Auflösung ist, als eine Feldfunktion ausgewählt wird, kann eine Steigung einer axialen Richtung entnommen werden.
Ein Umkehrfilter z. B. ein Power-Fringe-Adjusted-Filter kann eingesetzt werden, um ein Bild eines Gegenstandes wiederherzustellen, der erfasst wird. Die Wiederherstellung eines Querschnittsbildes des Gegenstandes kann wie ”R ~Re(ν →, Δz) = O ~(ν →, fb)F ~*(ν →, Δz)” in dem Fourier-Bereich dargestellt werden. Hierbei handelt es sich bei
um eine komplexe Konjugation einer Feldfunktion, die den Power-Fringe-Adjusted-Filter in dem Fourierbereich darstellt, wobei es sich bei ”σ” um eine positive reelle Zahl handelt, die hinzugefügt wird, um ein Polproblem zu lösen, das in der Umkehrfilterung auftreten kann. Wenn ein Querschnittsbild des Gegenstandes, das mittels eines Power-Fringe-Adjusted-Filters in dem Fourier-Bereich wiederhergestellt wird, mittels der zweidimensionalen Umkehr-Fourier-Transformation in einen Raumbereich umgewandelt wird, kann ein wiederhergestelltes Querschnittsbild eines Gegenstandes in den Raumbereich erhalten werden.
In den oben beschriebenen Beispielen der Verarbeitungsverfahren handelt es sich bei ”S(ν →, Δz)” um ein Muster, das eine Fourier-Transformation eines kodierten Musters eines Punktreflektores, d. h. eines Fresnelzonenmuster in einem Frequenzbereich. Hierbei, um das Muster zu bekommen, kann die Fourier-Transformation eines kodierten Musters, das durch das optische Abbildungssystem der vorherigen beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgenommen wird, im Falle eines Punktreflektors, als ein Gegenstand eingesetzt wird, der erfasst wird, mittels einer Beugungstheorie künstlich hergestellt werden. Alternativ kann das Muster durch Fourier-Transformation eines kodierten Musters erhalten werden, das durch das optische Abbildungssystem der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgenommen wird, falls ein Punktreflektor als ein Gegenstand eingesetzt wird, der in dem optischen Abbildungssystem der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgenommen wird.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen, wenn eine Wellenlängenbreite breit ist, ist eine numerische Apertur einer Objektivlinse groß, und ein Bild eines zu erfassenden Gegenstandes, wird mittels einer komplexen Konjugation eines Fresnelzonenmusters als eine Feldfunktion wiederhergestellt, weist das wiederhergestellte Bild eine verstärkte Tieffrequenzkomponente und ein Defokusierungsrauschen auf. Hierbei, um ein Bild eines Gegenstandes, der erfasst wird, aus einem kodierten Muster durch Korrigieren der Frequenzverzerrung und durch Entfernen des Defokusierungsrauschens wieder herzustellen, kann ein Fresnelzonenmuster mit einer breiten Wellenlängenbreite in einen Fourier-Bereich umgewandelt werden, und ein oben beschriebener Power-Fringe-Adjusted-Filter kann mittels des Fresnelzonenmusters mit einer breiten Wellenlängenbreite im Fourier-Bereich gebildet werden. Außerdem kann der Power-Fringe-Adjusted-Filter das kodierte Muster bilden, um ein Querschnittsbild des Gegenstandes, der erfasst wird, wiederherzustellen. Neben dem Power-Fringe-Adjusted-Filter kann das Querschnittsbild des Gegenstandes aus dem kodierten Muster wiederhergestellt werden, in dem verschiedene Filterungsverfahren z. B. einen Umkehrfilter und unterschiedliche Algorithmen z. B. digitale Rück-Fortpflanzung und digitale Holographie eingesetzt werden. Beispielsweise wird das Bild, das mittels des Fresnelzonenmusters als die Feldfunktion wiederhergestellt wird, mittels eines Filters gefiltert, der eine Tieffrequenzkomponente unterdrückt und eine Hochfrequenzkomponente erhöht. Deshalb wird das wiederhergestellte Bild, das den Filter durchquert hat, ein Muster, das das Querschnittsbild des Gegenstandes und ein kodiertes Muster zwischen dem Querschnittsbild des Gegenstandes und einem 2-Seitenband-Fresnelzonenmuster aufweist, das einer Wellenlängenbreite entspricht. Hierbei funktioniert das kodierte Muster, das sich zwischen dem 2-Seitenband-Fresnelzonenmuster und dem Querschnittsbild des Gegenstandes befindet, wie ein Defokusierungsrauschen bei Wiederherstellung des Querschnittsbildes des Gegenstandes. Der Umkehrfilter, der eine Inverse einer Summe von dem 2-Seitenband-Fresnelzonenmuster und eine Konstante aufweist, filtert das wiederhergestellte Bild, das den Filter durchquert hat, der die Tieffrequenzkomponente unterdrückt und die Hochfrequenzkomponente erhöht, um das Defokusierungsrauschen zu entfernen, und um das Querschnittsbild des Gegenstandes dadurch wiederherzustellen, nur das Querschnittsbild des Gegenstandes zu gewinnen. Der Umkehrfilter kann die folgenden Verarbeitungen anwenden, um ein Umkehrpolproblem zu beseitigen, das in einem Umkehrfilterungsprozess auftreten kann. Erstens, Amplitude und Phase des wiederhergestellten Bildes in dem Fourier-Bereich werden getrennt, und ein Amplituden wert der Amplitude, der einem Pol des Umkehrfilters entspricht, wird durch Null ersetzt. Zweitens, ein Phasewert der Phase, die dem Pol des Umkehrfilters entspricht, wird durch einen durchschnittlichen Wert vom nächsten Phasenwert ersetzt. Daher wird die Amplitude, die durch Null ersetzt wird, mit dem Umkehrfilter in dem Fourier-Bereich multipliziert. Die Amplitude, die mit dem Umkehrfilter multipliziert wird, wird weiter mit der verarbeiteten Phase multipliziert, um das Querschnittsbild des Gegenstandes in den Fourier-Bereich zu bilden. Schließlich wird die Umkehr-Fouriertransformation eines Querschnittsbildes in dem Fourier-Bereich in einen räumlichen Bereich ausgeführt, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wieder herzustellen.
Als ein weiteres Beispiel wird das kodierte Muster von dem Filter gefiltert, der die Tiefenfrequenzkomponenten unterdrückt und die Hochfrequenzkomponenten erhöht, um das Querschnittsbild des Gegenstandes aus dem kodierten Muster wiederherzustellen. Als Nächstes wird das gefilterte Muster mit der komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters gefaltet, das eine Mittelwellenlänge der Wellenlängenbreite entsprechend der Frequenzabtastung entspricht. Das gefaltete Muster wird ein Muster, das dadurch gebildet wird, das Querschnittsbild des Gegenstandes und das 2-Seitenband-Fresnelzonenmuster zu kodieren, das der Wellenlängenbreite entspricht. Das kodierte Muster wird mit der komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters gefaltet, das der Wellenlängenbreite entspricht, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen. Das wiederhergestellte Bild weist Zwillingsbildrauschen auf, das auf dem Gebiet der digitalen Hologramme bekannt ist. Das Zwillingsbildrauschen kann durch unterschiedliche Verfahren zur Entfernung von Zwillingsbildrauschen entfernt werden, die in dem Gebiet der digitalen Hologramme gut bekannt sind, einschließlich der Umkehrfilter. Das oben beschriebene Verfahren kann eingesetzt werden, um das Polproblem des Umkehrfilters zu lösen, das auftritt, wenn der Umkehrfilter das Zwillingsbildrauschen entfernt.
4 zeigt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie und einem Mach-Zehnder-Interferometer basiert. Bezugnehmend auf 4, verbessert das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführung eine seitliche Auflösung doppelt so stark wie eine seitliche Auflösung eines vorliegenden Weitfeldabbildungssystems, das durch die Rayleigh-Grenze der Objektivlinse 225 beschränkt wird.
Ähnlich wie das optische Abbildungssystem der 1 kann das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform das Nebeninterferometer 100, die Leistungskalibrierungseinheit 120 und reflektierende Strukturen aufweisen, die zum Brechen eines Abfragestrahls wie in 2(a) oder 2(b) dienen.
Die Beschreibungen und Abbildungen des Nebeninterferometers 100, der Leistungskalibrierungseinheit 120 und der reflektierenden Strukturen der vorliegenden Ausführungsform wiederholen sich, zu denen wie diese in der 1 dargestellt wird. Deshalb werden sie für die Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform weggelassen. Nur ein optisches System 301 des optischen Abbildungssystems, das auf optischen Frequenzbereichreflektometrie basiert, wird dargestellt und beschrieben.
Das optische System 301 weist einen Lasergenerator 310, einen optischen Koppler 312, einen ersten Kollimator 315, einen zweiten Kollimator 330, einen Strahlteiler 320, eine Referenzstrahllinse 327, eine Objektivlinse 325, ein Objektsgesteil 335, einen Lichtintegrator 340, einen Fotodetektor 345, und eine elektronische Verarbeitungseinheit 350 auf.
Der Lasergenerator 310 erzeugt einen Laserstrahl mit einer gechirpten Frequenz. Der optische Koppler 312 teilt den Laserstrahl in zwei Laserstrahlen, die sich entlang zweier Wege bewegen, und dann leitet der optische Koppler 312 die zwei Strahlen zu dem ersten Kollimator 315 bzw. zu dem zweiten Kollimator 330. Der optische Koppler 312 und der erste Kollimator 315 und der zweite Kollimator 330 werden durch eine Glasfaser miteinander verbunden, um die von dem optischen Koppler 312 geteilten Laserstrahlen zu den ersten Kollimator 315 und zu den zweiten Kollimator 330 mittels der Glasfaser zu übertragen.
Der erste Kollimator 315 und der zweite Kollimator 330 wandeln die Laserstrahlen jeweils in paralleles Licht um, und leiten das parallele Licht zum Strahlteiler 320 weiter. Das parallele Licht, das vom zweiten Kollimator 330 zum Strahlteiler 320 weitergeleitet wird, wird ein Referenzstrahl.
Der Strahlteiler 320 führt den Laserstrahl, der von dem ersten Kollimator 315 geliefert wird, um einen Abfragestrahl zu bilden, und leitet den Abfragestrahl zur Objektivlinse 325 weiter.
Die Objektivlinse 325 wandelt den Abfragestrahl in eine Kugelwelle um, und leitet den Abfragestrahl zu einem aufzunehmenden Gegenstand, und der weitergeleitete Abfragestrahl tastet den Gegenstand ab.
Hier kann die Objektivlinse 325 zwischen dem ersten Kollimator 315 und dem Strahlteiler 320 vor dem Strahlteiler 320 oder zwischen dem Strahlteiler 320 und dem Objektsgestell 335 hinter dem Strahlteiler 320 angeordnet werden
Die Referenzstrahllinse 327 wird zwischen dem zweiten Kollimator 330 und dem Strahlteiler 320 angeordnet, und wandelt somit den Referenzstrahl, der vom zweiten Kollimator 330 geliefert wird, in eine Kugelwelle um.
Wie in den oben beschriebenen vorherigen Ausführungsformen, können die Objektivlinse 325 und die Referenzstrahllinse 327 ungefähr auf einem Weg des Laserstrahls aus dem Lasergenerator 310 angeordnet werden, um den Referenzstrahl und den Abfragestrahl in die Kugelwellen umzuwandeln, ohne den ersten Kollimator 315 und den zweiten Kollimator 330 einzusetzen.
Der Abfragestrahl, der vom Gegenstand reflektiert wird, überlagert sich mit dem Referenzstrahl, der die Referenzstrahllinse 327 durch den Strahlteiler 320 durchquert hat, um ein Interferenzsignal zu bilden.
Der Lichtintegrator 340 integriert das Interferenzsignal räumlich, und der Fotodetektor 345 detektiert eine Intensität des Interferenzsignals entsprechend einem Muster des Interferenzsignals, um ein Stromsignal zu ausbilden.
Die elektronische Verarbeitungseinheit 350 verarbeitet das Stromsignal, um eine räumliche Information des Gegenstandes aus dem Stromsignal zu entnehmen. Das Stromsignal, das von der elektronischen Verarbeitungseinheit 350 verarbeitet wird, ist ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes des Gegenstandes aus gebildet wird, und ein Fresnelzonenmuster mit einer Fresnel-Zahl, das die Fresnel-Zahl verdoppelt, wie es unter Bezugnahme auf 1 dargestellt wird.
Das Querschnittsbild des Gegenstandes kann mittels des Wiederherstellungsverfahrens wiederhergestellt werden, das unter Bezugnahme auf 3. dargestellt wird.
Wenn die Referenzstrahlenlinse 327, die auf einem Weg des Referenzstrahls angeordnet ist, von dem optischen System 301 des optischen Abbildungssystems der vorliegenden Ausführungsform entfernt wird, wird der Referenzstrahl als das parallele Licht beibehalten. Deshalb, wie das optische Abbildungssystem der 1, kann ein optisches Abbildungssystem ausgebildet werden, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektormetrie und einem Mach-Zehnder-Interferometer basiert, und das eine seitliche Auflösung entsprechend einer Rayleigh-Grenze der Objektivlinse 325 hat. Das Codiermuster kann mittels des Wiederherstellungsverfahrens wiederhergestellt werden, das unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Wenn die Objektivlinse 325 zwischen dem ersten Kollimator 315 und dem Strahlteiler 320 vor dem Strahlteiler 320 in der vorliegenden Ausführungsform angeordnet wird, wird der Abfragestrahl, der von dem Gegenstand reflektiert wird, von dem Lichtintegrator 340 integriert, und als ein Bild gebildet. In diesem Fall dient der Lichtintegrator 340 zum Integrieren des Lichtes und bildet ein Bild aus. Alternativ kann die Objektivlinse 325 zwischen dem Lichtintegrator 340 und dem Strahlteiler 320 angeordnet werden, um ein Bild zu bilden, und Licht durch den Lichtintegrator 340 zu integrieren.
In der vorliegenden Ausführungsform können der optische Koppler und die Glasfaser durch einen Strahlteiler und einen Spiegel ersetzt werden, um ein Mach-Zehnder-Interferometer auszubilden, einschließlich geometrischer optischer Elemente. Wenn der erste Kollimator 315 zwischen dem Lasergenerator 310 und dem Strahlteiler positioniert wird, kann der Strahlteiler einen parallel gerichteten Strahl teilen, und der Spiegel kann den parallel gerichteten Strahl reflektieren, um paralleles Licht auf die Referenzstrahllinse 327 ohne den zweiten Kollimator 330 anzuwenden.
5 zeigt ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektormetrie und einem In-Line-Interferometer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert.
Das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform verbessert eine seitliche Auflösung doppelt so stark wie eine seitliche Auflösung eines vorliegenden Weitfeldabbildungssystems, das durch eine Rayleigh-Grenze einer Objektivlinse beschränkt wird.
Wie das optische Abbildungssystem der 1, kann das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform das Nebeninterferometer 100, die Leistungskalibrierungseinheit 120, und reflektierende Strukturen aufweisen, die zum Brechen eines Abfragestrahls, wie in 2(a) oder 2(b) dargestellt, dienen.
Ein optisches System 401 der vorliegenden Ausführungsform weist einen Lasergenerator 410, einen Kollimator 415, einen Strahlteiler 420, eine Objektivlinse 205 und 225, einen Teilreflektor 430, ein Objektgestell 435, einen Lichtintegrator 440, einen Fotodetektor 445, und eine elektronische Verarbeitungseinheit 450 auf.
Der Lasergenerator 410 erzeugt einen Laserstrahl mit einer gechirpten Frequenz, und der Kollimator 415 wandelt den Strahlteiler in paralleles Licht um, und leitet das parallele Licht zu dem Strahlteiler 420 weiter. Die Objektivlinse 425 wandelt den Laserstrahl in eine Kugelwelle um, die den Strahlteiler 420 durchquert hat.
Der Teilreflektor 430 wird zwischen der Objektivlinse 425 und dem Objektgestell 435 angeordnet, insbesondere außerhalb eines Fokus der Objektivlinse 425. Der Teilreflektor 430 überträgt einen Teil der Kugelwelle, die von der Objektivlinse 425 erzeugt wird, und reflektiert einen Teil der Kugelwelle. Der Teil, der den Teilreflektor 430 durchquert hat, wird ein Abfragstrahl, und der Teil, der von dem Teilreflektor 430 reflektiert wird, wird ein Referenzstrahl. Der Referenzstrahl ist eine Kugelwelle wie der Referenzstrahl, der bezüglich 3 dargestellt wird. Der Abfragstrahl, der den Teilreflektor 430 durchquert hat, wird von einem Gegenstand reflektiert, der erfasst wird, und wird dann zu den Strahlteilern 420 durch den Teilreflektor 430 und die Objektivlinse 425 weitergeleitet.
Der Referenzstrahl, der von dem Teilreflektor 430 reflektiert wird, wird zu dem Strahlteiler 420 weitergeleitet.
Der Abfragestrahl und der Referenzstrahl überlagern sich in dem Strahlteiler 420 miteinander, um ein Interferenzsignal auszubilden. Das Interferenzsignal wird zu dem Lichtintegrator 440 weitergeleitet, um räumlich integriert zu werden. Das räumlich integrierte Interferenzsignal wird zu dem Fotodetektor 445 weitergeleitet, und der Fotodetektor 445 erzeugt ein Stromsignal entsprechend einer Musterintensität des Interferenzsignals.
Die elektronische Verarbeitungseinheit 450 empfängt das Stromsignal aus dem Fotodetektor 445, und verarbeitet das Stromsignal, um die räumliche Information des Gegenstandes aus dem Stromsignal zu entnehmen. Das Stromsignal ist ein codiertes Muster, das durch Codierung eines Querschnittsbildes des Gegenstandes und einem Fresnelzonenmuster ausgebildet wird, das eine Fresnel-Zahl aufweist, die die Fresnel-Zahl eines allgemeinen Fresnelzonenmusters verdoppelt.
Die elektronische Verarbeitungseinheit 450 verarbeitet das Stromsignal mittels des anhand der 3 beschriebenen Verfahrens, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Der Teilreflektor 430 kann auf einem Fokus der Objektivlinse 425 in dem optischen System 401 der vorliegenden Ausführungsform angeordnet werden, um ein optisches Abbildungssystem auszubilden, das auf einem In-Line-Interferometer und einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, und das eine seitliche Auflösung hat, die gleich einer Rayleigh-Grenze der Objektivlinse 425 ist.
Hier ist der Laserstrahl, der von dem Teilreflektor 430 reflektiert wird, der Referenzstrahl, der eine ebene Welle ist, und der Laserstrahl, der den Teilreflektor 430 durchquert hat, wird der Abfragestrahl, und dann wird der Abfragestrahl auf den Gegenstand gerichtet. Der Referenzstrahl, der von dem Teilreflektor 430 reflektiert wird, überlagert sich mit dem Abfragestrahl, der von dem Gegenstand durch den Strahlteiler 430 reflektiert wird, um das Interferenzsignal zu erzeugen. Das Interferenzsignal wird durch den Lichtintegrator 440 räumlich integriert, und der Fotodetektor 445 erzeugt das Stromsignal entsprechend der Musterintensität des räumlich integrierten Interferenzsignals.
Die elektronische Verarbeitungseinheit 450 verarbeitet das Stromsignal aus dem Fotodetektor 445, um die räumliche Information des Gegenstandes aus dem Stromsignal zu entnehmen. Das Stromsignal ist ein codiertes Muster, das durch Codierung des Querschnittsbildes des Gegenstandes und des Fresnelzonenmusters ausgebildet wird. Das Querschnittsbild des Gegenstandes kann mittels des Verfahrens wiederhergestellt werden, das von der elektronischen Verarbeitungseinheit 450 durchgeführt wird, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Der Teilreflektor 430 der vorliegenden Ausführungsform kann zwischen dem Strahlteiler 420 und der Objektivlinse 425 angeordnet werden. Der Teilreflektor 430 kann ein flacher Reflektor oder ein konkaver Reflektor sein. Wenn es sich bei dem Teilreflektor 430 um den flachen Reflektor handelt, wird paralleles Licht, das den Strahlteiler 420 durchquert hat, von dem flachen Reflektor reflektiert, und wird dann einen Referenzstrahl, wobei in diesem Fall der Referenzstrahl das parallele Licht ist. Deshalb ist das Stromsignal, das von dem Fotodetektor 445 detektiert wird, ein codiertes Muster, das durch Codierung des Querschnittsbildes des Gegenstandes und eines allgemeinen Fresnelzonenmusters ausgebildet wird. Das Stromsignal kann mittels des Verfahrens wiederhergestellt werden, das von der elektronischen Verarbeitungseinheit 450 ausgeführt wird, wie es bezüglich 1 dargestellt wird, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen. Wenn es sich bei dem Teilreflektor 430 um den konkaven Reflektor handelt, wird paralleles Licht, das den Strahlteiler 420 durchquert hat, von dem konkaven Reflektor reflektiert, und wird dann ein Referenzstrahl. In diesem Fall ist der Referenzstrahl das parallele Licht, und deshalb ist das Stromsignal, das durch den Fotodetektor 445 detektiert wird, ein kodiertes Muster, das durch die Kodierung des Querschnittsbildes des Gegenstandes und eines Fresnelzonenmusters ausgebildet wird, das eine Fresnel-Zahl hat, die eine Fresnel-Zahl eines allgemeinen Fresnelzonenmusters verdoppelt. Das Stromsignal kann mittels des gleichen Verfahrens wiederhergestellt werden, das von der elektronischen Verarbeitungseinheit 450 durchgeführt wird, wie es bezüglich 3 dargestellt wird, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen. Ein konvexer oder flacher Teilreflektor kann mit einer Linse kombiniert werden, um ein optisches System zu gestalten, das wie ein flacher oder konkaver Reflektor funktioniert, und das als der flache oder konkave Teilreflektor 430 im Wesentlichen verstanden wird.
6 offenbart gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie und einem Michelson-Interferometer basiert.
Das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform verbessert eine seitliche Auflösung doppelt so stark als eine Auflösung eines Weitfeldabbildungssystems, das durch eine Rayleigh-Grenze einer Objektivlinse beschränkt wird.
Wie das optische Abbildungssystem der 1, kann das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform das Nebeninterferometer 100, die Leistungskalibrierungseinheit 120 und reflektierende Strukturen aufweisen, die, wie in 2(a) oder 2(b) dargestellt, zum Brechen eines Abfragestrahls dienen.
Ein optisches System 501 der vorliegenden Ausführungsform weist einen Lasergenerator 510, einen Kollimator 515, eine Objektivlinse 525, einen Strahlteiler 520, einen Konkavreflektor 530, ein Objektsgestell 535, einen Lichtintegrator 540, einen Fotodektor 545, und eine elektronische Verarbeitungseinheit 550 auf.
Der Laserdetektor 510 hat einen Laserstrahl mit einer gechirpten Frequenz, und der Kollimator 515 wandelt den Laserstrahl in paralleles Licht um.
Die Objektivlinse 525 wird zwischen dem Kollimator 515 und dem Strahlteiler 520 angeordnet, und der Laserstrahl, der in das parallele Licht durch den Kollimator 515 umgewandelt wird, wird durch die Objektivlinse 525 in eine Kugelwelle umgewandelt. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Objektivlinse 525 auf geeignete Weise in einem Weg des Laserstrahls angeordnet werden, um eine Kugelwelle ohne den Kollimator 515 zu erzeugen.
Der Strahlteiler 520 reflektiert einen Teil des Laserstrahls, der in die Kugelwelle umgewandelt wird, um einen Referenzstrahl auszubilden, und überträgt einen Teil des Laserstrahls, um einen Abfragestrahl auszubilden.
Der Konkavreflektor 530 wird auf einem Weg des Differenzstrahls angeordnet, und ein Brennpunkt des Konkavreflektors 530 wird außerhalb eines Brennbereiches der Objektivlinse 530 angeordnet. Der Konkavreflektor 530 reflektiert den Referenzstrahl, der von dem Strahlteiler 520 reflektiert wird, und der die Kugelwelle ist, und leitet den Referenzstrahl zu dem Strahlteiler 520 noch einmal weiter. Der Referenzstrahl, der von dem Konkavreflektor 520 reflektiert wird, wird die Kugelwelle.
Der Abfragestrahl wird von dem Gegenstand reflektiert, der zu dem Strahlteiler 520 weitergeleitet wird, und überlagert sich mit dem Referenzstrahl durch den Strahlteiler 520, um ein Interferenzsignal auszubilden.
Das Interferenzsignal wird von dem Lichtintegrator 540 räumlich integriert, und der Photodetektor 545 wandelt das räumlich integrierte Interferenzsignal in ein Stromsignal entsprechend einer Musterintensität des räumlich integrierten Interferenzsignals um.
Die elektronische Verarbeitungseinheit 550 bearbeitet das Stromsignal aus dem Photodetektor 545, um ein Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen. Das Stromsignal hat ein kodiertes Muster, das durch Kodierung des Querschnittsbildes des Gegenstandes und eines Fresnelzonenmusters ausgebildet wird, das eine Fresnel-Zahl hat, die die Fresnel-Zahl des Fresnelzonenmusters verdoppelt, das bezüglich 1 dargestellt wird. Die elektronische Verarbeitungseinheit 550 stellt das Querschnittsbild des Gegenstandes mittels des Wiederherstellungsverfahrens wieder her, das unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist.
Wenn ein Brennpunkt des Konkavreflektors 530 auf dem Brennpunkt der Objektivlinse 525 in dem optischen System 501 der vorliegenden Ausführungsform angeordnet ist, kann ein optisches Abbildungssystem ausgebildet werden, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, und das eine seitliche Auflösung hat, die gleich einer Rayleigh-Grenze der Objektivlinse 525 ist.
In diesem Fall wird der Laserstrahl, der von dem Lasergenerator 510 erzeugt wird, in paralleles Licht von dem Kollimator 515 und dann in eine Kugelwelle von einer Linse umgewandelt. Die Kugelwelle wird in den Abfragestrahl und den Referenzstrahl von dem Strahlteiler 520 geteilt, der Abfragestrahl wird von dem Gegenstand reflektiert, und der Referenzstrahl wird von dem Konkavreflektor 530 reflektiert. Hierbei, da der Brennpunkt des Konkavreflektors 530 auf dem Brennpunkt der Objektivlinse 525 angeordnet ist, wird der Referenzstrahl, der in den Konkavreflektor 535 reflektiert wird, eine ebene Welle.
Der Abfragestrahl, der die von dem Gegenstand reflektierte Kugelwelle ist, überlagert sich bei dem Strahlteiler 520 mit dem Referenzstrahl, das das parallele Licht ist. Das Interferenzsignal wird räumlich integriert, und der Photodetektor 545 erzeugt das Stromsignal gemäß der Musterintensität des Interferenzsignals, und das Stromsignal wird zu der elektronischen Verarbeitungseinheit 550 weitergeleitet, um bearbeitet zu werden, sowie das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen. Das Stromsignal kann ein kodiertes Muster sein, das durch Kodierung des Querschnittsbildes des Gegenstandes und eines allgemeinen Fresnelzonenmusters ausgebildet wird. Das Querschnittsbild des Gegenstandes kann mittels des Wiederherstellungsverfahrens wiederhergestellt werden, das unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist.
Die Objektivlinse 525 der vorliegenden Ausführungsform kann zwischen dem Strahlteiler 520 und dem Objektgestell 535 angeordnet werden. In diesem Fall wird der Laserstrahl, der von den Lasergenerator 510 erzeugt wird, in paralleles Licht durch den Kollimator 515 umgewandelt. Der Strahlteiler 520 reflektiert einen Teil des Laserstrahls, der in das parallele Licht umgewandelt wird, um den Referenzstrahl auszubilden, und überträgt einen Teil des Laserstrahls, um den Abfragestrahl auszubilden. Der Konkavreflektor 530, der auf dem Weg des Referenzstrahls angeordnet wird, reflektiert den Referenzstrahl, der das parallele Licht ist, und leitet den reflektierenden Referenzstrahl zu dem Strahlteiler 520 weiter. Der Referenzstrahl, der von dem Konkavreflektor 530 reflektiert wird, wird die Kugelwelle. Der Abfragestrahl durchquert die Objektivlinse 530, wird von dem Gegenstand reflektiert, und wird zu dem Strahlteiler 520 weitergeleitet. Der Referenzstrahl und der Abfragestrahl überlagern sich bei dem Strahlteiler 520, um das Interferenzsignal zu erzeugen.
Das Interferenzsignal wird von dem Lichtintegrator 540 räumlich integriert, und der Photodetektor 545 erzeugt das Stromsignal gemäß der Musterintensität des räumlich integrierten Interferenzsignals.
Die elektronische Bearbeitungseinheit 550 bearbeitet das Stromsignal aus dem Photodetektor 545, um das Querschnittsbild des Gegenstands wiederherzustellen. Hierbei weist das Stromsignal auf: ein kodiertes Muster, das durch Kodierung des Querschnittsbildes des Gegenstandes ausgebildet wird, und das Fresnelzonenmuster, das die Fresnel-Zahl hat, die die Fresnel-Zahl des Fresnelzonenmusters verdoppelt, das unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Die elektronische Bearbeitungseinheit stellt das Querschnittsbild des Gegenstandes des Wiederherstellungsverfahrens wieder her, das in der vorherigen Ausführungsform eingesetzt wird, die unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird. In der vorliegenden Ausführungsform können ein Konverx- oder Flachreflektor und eine Linse kombiniert werden, um ein optisches System auszubilden, das wie ein Konkavreflektor funktioniert, und das als der Konkavreflektor 530 im Wesentlichen verstanden werden muss.
7 zeigt gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektormetrie und einem In-Line-Interferommeter basiert. Das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform verbessert eine seitliche Auflösung doppelt so stark wie eine seitliche Auflösung eines vorliegenden Weitfeldabbildungssystems, das durch eine Rayleigh-Grenze einer Objektlinse beschränkt wird.
Wie das optische Abbildungssystem der 1, kann das optische Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform des Nebeninterferometers 100, die Leistungskalibrierungseinheit 120 und die reflektierenden Strukturen aufweisen, die, wie in 2(a) oder 2(b) dargestellt, zum Brechen eines Abfragestrahls dienen.
Ein optisches System 601 der vorliegenden Ausführungsform weist einen Lasergenerator 610, einen Kollimator 615, eine Objektivlinse 625, einen Strahlteiler 620, einen Konkavteilreflektor 630, ein Objektsgestell 635, einen Lichtintegrator 640, einen Photodetektor 645, und eine elektronische Bearbeitungseinheit 650 auf.
Der Lasergenerator 610 erzeugt einen Laserstrahl, und der Kollimator 615 wandelt den Laserstrahl in paralleles Licht um, und richtet den Parallelstrahl auf die Objektivlinse 625. Die Objektivlinse 625 wandelt den Parallelstrahl in eine Kugelwelle um, und leitet die Kugelwelle zu dem Strahlteiler 620 weiter.
Der Lasterstrahl, der den Strahlteiler 620 durchquert hat, wird zu dem Konkavteilreflektor 630 weitergeleitet, und ein Brennpunkt des Konkavteilreflektors 630 wird außerhalb eines Brennpunkts der Objektivlinse 625 angeordnet. Ein Teil des Laserstrahls durchquert den Konkavteilreflektor 630, um einen Abfragstrahl zu bilden, und ein Teil des Laserstrahls wird vom Konkavteilreflektor 630 reflektiert, um den Referenzstrahl zu bilden. Der Abfragestrahl und der Referenzstrahl werden in Kugelwellen ausgebildet.
Der Abfragestrahl, der von einem aufzunehmenden Gegenstand reflektiert wird, überlagert sich mit dem Referenzstrahl, der von dem Konkavteilreflektor 630 reflektiert wird, um ein Interferenzsignal auszubilden. Das Interferenzsignal läuft durch den Photodetektor 645 und die elektronische Bearbeitungseinheit 650 hindurch, um ein Querschnittsbild des Gegenstands wiederherzustellen. Ein Fresnelzonenmuster des Interferenzsignals hat eine Fresnel-Zahl, die die Fresnel-Zahl des Fresnelzonenmusters verdoppelt, wie es unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wird. Deshalb wird das Querschnittsbild des Gegenstands mittels des Widerherstellungsverfahrens wiederhergestellt, das unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist.
Wenn der Brennpunkt des Konkavteilreflektors 630 auf dem Brennpunkt der Objektivlinse 625 in dem optischen System 601 der vorliegenden Ausführungsform angeordnet wird, wird das optische System 601 ausgebildet, das eine seitliche Auflösung hat, die gleich einer Rayleigh-Grenze der Objektivlinse 625 ist, da der Laserstrahl in eine ebene Welle umgewandelt wird, wenn die Kugelwelle aus der Objektivlinse 625 von dem Konkavteilreflektor 630 reflektiert wird. Mit anderen Worten, der Abfragstrahl, der auf den Konkavteilreflektor 630 gerichtet wird, ist die Kugelwelle, während der Referenzstrahl, der von dem Konkavteilreflektor 630 reflektiert wird, die ebene Welle ist. Dadurch hat das Fresnelzonenmuster die gleiche Fresnel-Zahl wie die Fresnel-Zahl des Fresnelzonenmusters, wie es unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Dementsprechend wird das Querschnittsbild des Gegenstandes mittels des Widerherstellungsverfahrens wiederhergestellt, das unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist.
In der vorliegenden Ausführungsform können ein Konvex- oder Flachteilreflektor und eine Linse kombiniert werden, um ein optisches System zu gestalten, das wie eine Kon kavteilreflektor funktioniert, und als der Konkavteilreflektor 630 verstanden werden muss.
In den oben beschriebenen vorherigen Ausführungsformen können ein Referenzstrahl und ein Abfragestrahl auf einen Photodetektor einfallend sein, um ein Interferenzmuster zu bekommen, das parallel zu optischen Achsen des Referenzstrahls und des Abfragestrahls verläuft, und ein Referenzstrahl und ein Abfragestrahl können auf einen Photodetektor einfallend sein, um ein Interferenzmuster zu bekommen, indem ein Reflektor oder ein Strahlteiler gekippt wird, wobei ein Winkel zwischen den optischen Achsen des Referenzstrahls und des reflektierenden Abfragestrahls gebildet wird. Der Winkel zwischen den optischen Achsen kann ausgebildet werden, indem die optischen Achsen sich kreuzen. Das Interferenzmuster ist ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes eines aufzunehmenden Gegenstandes ausgebildet wird, und ein Fresnelzonenmuster, das mit seinem räumlichen Träger moduliert wird, d. h., ein Fresnelzonenmuster einer bestimmten Größe hat eine Richtung zur Achse. Das kodierte Muster kann wiederhergestellt werden, wobei das Fresnelzonenmuster eine beschränkte Größe mit einer Richtung zur Achse als eine Feldfunktion hat, um das Querschnittsbild des Gegenstandes zu bekommen.
Da eine Trägerfrequenz dem Fresnelzonenmuster hinzugefügt wird, wird ein Ortsfrequenzbereich im Vergleich zu einem allgemeinen Fresnelzonenmuster mit einer beschränkten Größe in einer Richtung weg von einer Achse aufgeweitet. Also, wenn das kodierte Muster, das durch das Fresnelzonenmuster einer beschränkten Größe mit der Richtung weg von einer Achse kodiert wird, dekodiert wird, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen, dann nimmt eine Auflösung des wiederhergestellten Querschnittsbildes in der Richtung weg von der Achse zu. Deswegen, wenn die kodierten Muster, die durch Kodierung von Fresnelzonenmustern von beschränkten Größen mit Richtungen weg von der Achse in unterschiedlichen winkeligen Richtungen um die optische Achse des Abfragestrahls gebildet werden, sich mit einem anderen überlagern, wird das überlagerte Muster ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes des Gegenstandes und einer Überlagerung der Fresnelzonenmuster einer beschränkten Größe mit Richtungen weg von der Achse in einer winkeligen Richtung gebildet wird.
Wenn das kodierte Muster als eine Feldfunktion wiederhergestellt wird, wobei eine Überlagerung von Fresnelzonenmustem mit unterschiedlichen Richtungen zur Achse eingesetzt wird, wird ein wiederhergestelltes Bild ein Bild mit einer Auflösung, die in jeder Richtung zur Achse zunimmt. Beispielsweise, wenn ein Reflektor 30 der 1 geneigt wird, um einen Winkel zwischen einer optischen Achse des Referenzstrahls, der auf den Reflektor einfallend ist, und einer zu dem Reflektor senkrechten Achse zu bilden, wird der Referenzstrahl geneigt, wodurch der Referenzstrahl auf die Abbildungsplatte 38 einfallend ist. Deswegen wird eine Trägerfrequenz einem Fresnelzonenmuster von beschränkter Größe mit einer Richtung weg von der Achse in einer Richtung hinzugefügt, in die ein Referenzstrahl geneigt wird, und ein Ortsfrequenzbereich wird durch das Hinzufügen der Trägerfrequenz aufgeweitet, wobei das Fresnelzonenmuster von beschränkter Größe mit einer Richtung weg von der Achse mit einem Querschnittsbild eines zu erfassenden Gegenstandes kodiert wird. Hierbei wird, wenn ein Reflektor in unterschiedliche winkeligen Richtungen geneigt wird, um die oben beschriebenen Prozesse zu wiederholen, und die erhaltenen Muster miteinander überlagert werden, das überlagerte Muster ein kodiertes Muster wird, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes eines zu erfassenden Gegenstandes und einer Überlagerung von Fresnelzonenmustern von beschränkten Größen gebildet wird, die Auflösungen haben, die in jeder winkeligen Richtung zunimmt, und Richtungen weg von der Achse haben. Wenn die kodierten Muster mittels der Überlagerung der Fresnelzonenmuster von beschränkten Größen als eine Feldfunktion dekodiert werden, kann das Querschnittsbild mit einer Auflösung, die in jeder winkeligen Richtung zunimmt, wiederhergestellt werden. Hier wird das kodierte Muster durch Kodierung des Querschnittsbildes und der Überlagerung von Fresnelzonenmustern der beschränkten Größen mit Richtungen weg von der Achse gebildet. Außerdem kann das Querschnittsbild mittels eines Umkehrfilters entsprechend dem Fresnelzonenmuster wiederhergestellt werden, z. B. ein Power-Fringe-Adjusted-Filter.
Ein Reflektor oder ein Strahlteiler kann geneigt werden, oder ein Keil kann auf einen Weg eines Referenzstrahls oder eines Abfragestrahls angeordnet werden, um eine optische Achse des Referenzstrahls oder des Abfragestrahls zu kippen. Auf diese Weise kann die optische Achse des Referenzstrahls sich mit der optischen Achse des Abfragestrahls kreuzen, um einen Winkel während des Kreuzens zu bilden.
In den vorherigen Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die 3, 4, 5, 6, und 7 beschrieben wurden, kann eine Krümmung eines Referenzstrahls oder eines Referenzstrahlspiegels verändert werden, oder kann eine Lage der Referenzstrahllinse verändert werden. Deshalb kann eine Kugelwelle, die ein Referenzstrahl ist, eine Krümmung in der gleichen Richtung wie ein reflektierter Abfragestrahl während des Kreuzens aufweisen. In diesem Fall ist ein abgefragtes Muster ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes eines zu erfassenden Gegenstandes und eines Fresnelzonenmusters von beschränkter Größe gebildet wird, das durch eine Überlagerung von Kugelwellen mit Krümmungen in der gleichen Richtung gebildet wird. Eine komplexe Konjugation des Fresnelzonenmusters kann als eine Feldfunktion zum Falten des Kodierten Musters mit der komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters verwendet werden, um ein Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen. Außerdem kann das Querschnittsbild mittels eines Umkehrfilters wie beispielsweise eines Power-Fringe-Adjusted Filters dem Fresnelzonenmuster wiederhergestellt werden, der dem Fresnelzonenmuster entspricht.
In den vorherigen Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf 1, 3, 4, 5, 6, und 7 beschrieben wurden, wenn ein Reflektor oder ein Teilreflektor eine Krümmung oder Amplituden- und Phasenverteilungen hat, oder eine Linse einen Abbildungsfehler hat, kann eine räumliche Verteilung eines Referenzstrahls oder eines Abfragestrahls moduliert oder verzerrt werden. In diesem Fall ist ein Muster, das durch einen Fotodetektor detektiert wird, ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes eines zu erfassenden Gegenstandes und eines Fresnelzonenmusters von beschränkter Größe mit der modulierten oder verzerrten räumlichen Verteilung gebildet wird. Eine komplexe Konjugation des Fresnelzonenmusters kann als eine Feldfunktion zum Falten des kodierten Musters mit der Komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters verwendet werden, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen. Außerdem kann das Querschnittsbild mittels eines Umkehrfilters z. B. eines Power-Fringeadjusted-Filters entsprechend dem Fresnelzonenmuster wiederhergestellt werden. Willkürliche Phasen- und Amplitudenmuster können auf einem Weg eines Referenzstrahls oder eines Abfragestrahls angeordnet werden, um eine räumliche Verteilung des Referenzstrahls oder des Abfragestrahls zu modulieren. Ein Muster, das von einem Fotodetektor detektiert wird, ist ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes eines zu erfassenden Gegenstandes und eines Fresnelzonenmusters von be schränkter Größe mit der räumlichen Verteilung gebildet wird, das durch die willkürlichen Phasen- und Amplitudenmuster moduliert wird. Hier kann eine komplexe Konjugation des Fresnelzonenmusters als eine Feldfunktion zum Falten des kodierten Musters mit der komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters verwendet werden, um das Querschnittsbild des Gegenstandes wiederherzustellen. Des Weiteren kann das Querschnittsbild mittels eines Umkehrfilters z. B. eines Power-Fringe-Adjusted-Filters entsprechend dem Fresnelzonenmuster wiederhergestellt werden.
In den vorherigen Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die 1, 3, 4, 5, 6, und 7 beschrieben wurden, kann eine Objektivlinse, die einen Abfragestrahl auf einen Gegenstand richtet, der erfasst wird, als ein Reflektor mit einer Krümmung angesehen werden. Der Reflektor muss als eine Objektivlinse verstanden werden, die auf dem Gebiet der Mikroskope bekannt ist. Beispielsweise wird in den vorherigen Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die 1, 3, 4, 5, 6, und 7, beschrieben wurden, wenn ein Strahlteiler in einer Position einer Objektivlinse angeordnet ist, und ein Konkavreflektor auf einem Weg eines Abfragestrahls, der den Strahlteiler durchquert hat, angeordnet ist, der Abfragestrahl, der den Strahlteiler durchquert hat, von dem Konkavreflektor reflektiert. Eine räumliche Verteilung des reflektierten Abfragestrahls wird eine Kugelwelle. Der reflektierte Abfragestrahl ist einfallend auf den Strahlteiler, und wird von dem Strahlteiler in eine vertikale Richtung reflektiert. Wenn ein Gegenstand, der erfasst wird, und ein Objektsgestell auf einen Weg des reflektierten Abfragestrahls angeordnet werden, wird der Abfragestrahl von dem Gegenstand reflektiert, und dann ist der von dem Strahlteiler reflektierte Strahl auf den Konkavreflektor einfallend. Der Abfragestrahl, der auf den Konkavreflektor einfallend ist, wird von dem Konkavreflektor wieder reflektiert, und dann durchquert der Abfragestahl den Strahlteiler, der auf einen Strahlteiler einfallend ist, wie in den vorherigen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 1, 3, 4, 5, 6 und 7 beschrieben. Nächstens wird der einfallende Abfragestrahl von dem Strahlteiler reflektiert, um als ein Bild auf einer Abbildungsplatte gebildet zu werden. Hierbei ist der Konkavreflektor eine Objektivlinse, die eine räumliche Verteilung eines Abfragestrahls in eine Kugelwelle umwandelt, und die den von einem als ein Bild erfassten Gegenstand reflektierten Abfragestrahl auf der Abbildungsplatte zu bilden.
8 zeigt ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, umfassend Relaissysteme gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das optische Abbildungssystem der 3 wird in der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Doch die Relaissysteme können auch in die optischen Abbildungssystemen der 1 und 3 bis 7 eingebaut werden.
Bezugnehmend auf 8 werden Relaissysteme 700 jeweils zwischen dem Strahlteiler 220 und der Referenzstrahllinse 227, zwischen dem Stahlteiler 220 und dem Lichtintegrator 240, und zwischen dem Stahlteiler 220 und der Objektivlinse 225 angeordnet, das heißt, die Relaissysteme 700 werden jeweils auf Wege eines Referenzstahls, eines Interferenzsignals, und eines Abfragestahls angeordnet. Die Relaissysteme 700 können nur auf einem der Wege oder auf mindesten einem der Wege angeordnet werden.
Im Allgemeinen soll in einem optischen Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, und das eine Linse mit einer kurzen Brennweite und einer hohen numerischen Apertur aufweist, der Strahlteiler 220 in einer geeigneten Position angeordnet werden, um eine räumliche Verteilung eines Strahls, der von einem erfassten Gegenstandes reflektiert wird, mit einer räumlichen Verteilung eines Referenzstrahls zu überlagern. Ein ausreichender Platz kann erforderlich sein, um den Strahlteiler 220 in der angebrachten Position anzuordnen. Mit anderen Worten können Plätze zwischen dem Strahlteiler 220 und der Referenzstrahllinse 227, zwischen dem Strahlteiler 220 und dem Lichtintegrator 240, und zwischen dem Strahlteiler 220 und der Objektivlinse 225 gebildet werden, und die Relaissysteme 700 können jeweils in den Plätzen angeordnet werden, um den Referenzstrahl, ein Interferenzsignal, und einen Abfragestrahl zu übertragen.
Die Relaissysteme 700 können eine Linse (oder Linsen), ein Prisma (oder Prismen), ein Spiegel (oder Spiegel), ein Bildübertragungselement (oder Bildübertragungselemente), eine Gradient-Index (GRIN) Linse (oder Gradient-Index (GRIN) Linsen), ein GRIN-Stab (oder GRIN-Stäbe), eine Single-GRIN-Linse (oder Single-GRIN-Linsen), ein GRIN-Linsearray (oder GRIN-Linsearrays), ein Bündel von Glasfasern (oder Bündel von Glasfasern), eine optische Glasfaserplatte (oder optische Glasfaserplatten), eine Glasfaser (oder Glasfaser), oder Ähnliches sein, das (die) ein Bild und/oder ein Signal überträgt (übertragen). Auf diese Weise lenken die Relaissysteme 700 die Laserstrahlen so, um ein Bild eines Gegenstandes zu bekommen, der erfasst werden soll.
Ein Keil, ein Prisma, ein Flachglass, oder ein einstellbarer optischer Verzögerungs-Faserteil kann auf dem Weg des Referenzstrahls oder des Abfragestrahls angeordnet werden, oder ein Reflektor, der auf den Weg des Referenzstahls angeordnet wird, kann entlang des Weges des Referenzstrahls versetzt werden. Demzufolge kann eine Länge des Weges gemäß einer Länge eines geometrischen Weges des Referenzstrahls oder des Abfragestrahls, oder eine Länge des Weges gemäß einer Wellenlänge des Referenzstrahls oder des Abfragestrahls, d. h. der Verteilung korrigiert werden.
Auch kann ein Dämpfungsglied auf dem Weg des Referenzstahls oder des Abfragestrahls angeordnet werden, um eine Differenz zwischen einer Amplitude des Referenzstrahls und einer Amplitude des Abfragestrahls zu reduzieren, der von dem Gegenstand reflektiert wird, um ein DC-Element während einer optischen Erfassung einzusparen.
In den vorherigen Ausführungsformen wird ein Querschnittsbild eines zu erfassenden Gegenstandes wiederhergestellt, indem eine ebene Welle und eine Kugelwelle eingesetzt werden. Doch ein optisches Element, das einen Laserstrahl in eine Linienform umwandelt, kann in den vorherigen Ausführungsformen auf einem oder mehreren Wegen eines Referenzstrahls, eines Abfragestrahls, oder eines Interferenzsignals angeordnet werden. Ein Schlitz oder eine Zylinderlinse kann statt des optischen Elementes eingesetzt werden.
Wenn ein Referenzstrahl oder ein Abfragestrahl in eine Linienform wie oben beschrieben umgewandelt wird, liegt ein Strahl entlang einer Linie vor.
Wenn der Referenzstrahl eine ebene Welle mit einer Linienform ist, hat ein Fresnelzonenmuster eine Linienform. Dadurch ist ein Stromsignal, das durch eine elektronische Verarbeitungseinheit verarbeitet wird, ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes eines zu erfassenden Gegenstandes, wobei das Fresnelzonenmuster Linienform aufweist.
Wenn der Referenzstrahl eine Kugelwelle mit einer Linienform ist, weist ein kodiertes Signal ein Querschnittsbild eines zu erfassenden Gegenstandes und ein Fresnelzonenmuster mit einer Linienform und einer Fresnel-Zahl auf, die eine Fresnel-Zahl eines allgemeinen Fresnelzonenmusters verdoppelt.
Ein solches kodiertes Muster wird durch Kodierung eines Fresnelzonenmusters mit einer Linienform, einer eindimensionalen Verteilung und eines Querschnittsbildes eines zu erfassenden Gegenstandes gebildet. Dadurch kann ein Querschnittsbild wiederhergestellt werden, indem eine eindimensionale Dekodierung zur Reduzierung des Berechnungsaufwands während einer Verarbeitung eines digitalen Signals eingesetzt wird. Eine zweidimensionale Abtastung kann entlang einer Platte ausgeführt werden, oder eine eindimensionale Abtastung kann entlang einer Linie ausgeführt werden, um Bildinformationen zu gewinnen. Nächstens können die Bildinformationen mittels einer eindimensionalen Dekodierung wiederhergestellt werden, um ein zweidimensionales Querschnittsbild zu gewinnen, das gemäß einer Linie ein Tiefenbild ist.
Ein optischer oder Faraday-Isolator kann auf der Seite eines Ausgangs des Lasergenerators 10 in den vorherigen Ausführungsformen angeordnet werden. Ein Laserstrahl aus dem Lasergenerator 10 wird zu dem Kollimator 15 durch den optischen Isolator weitergeleitet. Hierbei minimiert der optische Isolator Reflektionen, die einen nachteiligen Einfluss auf die Stabilität des Laserstrahls haben können. Wenn der Laserstrahl aus dem Lasergenerator 10 durch eine Glasfaser zu dem Kollimator 15 oder einem anderen Teil weitergeleitet wird, kann eine Facette (facet) der Glasfaser z. B. um einen Winkel von 6° oder größer gekippt werden. Dadurch können die Reflektionen, die einen nachteiligen Einfluss auf die Stabilität des Laserstrahls haben, reduziert werden.
Jedes der optischen Abbildungssysteme, die in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben werden, kann als eine Kalibrierungseinheit von jedem der optischen Abbildungssysteme eingesetzt werden.
Wenn ein Gegenstand, der erfasst wird, ein einfaches, bekanntes reflektives Profil (z. B. ein Teilreflektor) hat, wird eine Intensität eines Signals angemessen geregelt, und weist das detektierte Signal eine Modulationsfrequenz auf. Da die meisten Parameter analogisiert werden oder bekannt sind, kann eine Modulationsfrequenz mittels eines bekannten Ausgleichungsrechnung-Verfahrens entnommen werden. Deshalb, wenn ein ausreichendes Signalverarbeitungsvermögen und eine Stabilität eines Lasers gesichert werden, können die optischen Abbildungssysteme der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Kalibrierungseinheiten eingesetzt werden.
Es wird bereits in den oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben, dass ein Gegenstand, der erfasst wird, stationär ist. Jedoch kann bei einem biologischen Organismus, ein sich bewegender Gegenstand wie ein Blutstrom ein Gegenstand sein, der erfasst werden soll.
Wenn der Gegenstand, wie oben beschreiben, bewegt wird, können Größen einer Geschwindigkeit, einer Position und ein Reflektionsgrad des Gegenstandes bei einer hohen Auflösung mittels einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie entnommen werden. Wenn ein einziges stationäres Punktziel mittels einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie mit einer optimalen linear zeitproportionalen Lichtquelle gemessen wird, ist ein detektiertes Signal eine sinusförmige Welle einer einzigen Frequenz, deren Amplitude proportional zu einem Reflektionsgrad des einzigen stationären Punktziels ist.
Wenn sich ein Gegenstand, der erfasst wird, mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, ist ein detektiertes Signal eine sinusförmige Welle mit einer zeitproportionalen bzw. gechirpten Frequenz. Hierbei hängt eine durchschnittliche oder nominelle Frequenz des detektierten Signals von einer Doppler-Frequenzverschiebung nach oben oder nach unten ab, die von einer relativen Bewegung des Gegenstandes und einer Frequenzabtastung einer Lichtquelle abhängen. Deswegen, wenn die gechirpte Frequenz eingeschätzt wird, können eine wesentliche Position und eine Geschwindigkeit eines Ziels erhalten werden.
Hierbei ist eine momentane Überlagerungsfrequenz „f_b” eines einzigen Ziels, die durch eine Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie erzeugt wird, wie in folgender Gleichung 20 bekannt: fb = f'2Δzc + fo 2νc + 2f'2νc t (20)
Wobei es sich bei ”f_o” um eine bekannte Anfangsfrequenz handelt, bei ”f'” um eine Frequenzabtastungsrate, die in der momentanen Überlagerungsfrequenz bekannt ist, bei ”Δz” um einen Tiefenbereich zu einem unbekannten Ziel, bei ”ν” um eine Ge schwindigkeit eines Laserstrahls des unbekannten Ziels in einer vertikalen Richtung einer einfallenden Richtung, und bei ”c” um eine Lichtgeschwindigkeit.
Ein erster Punkt ist eine konstante Frequenz, die proportional zu einem Tiefenbereich zu einem Ziel ist, ein zweiter Eintrag ist ein Doppler-Element proportional zu einer Zielgeschwindigkeit, und ein letzter Punkt ist das Chirpen einer Überlagerungsfrequenz, die das Produkt zwischen der Geschwindigkeit des Ziels und einer Frequenzabtastung ist. Wenn es mehrere Ziele gibt, werden Multi-Überlagerungspunkte, die mit einem vorbestimmten willkürlichen Gewicht multipliziert wurden, summiert, um eine Überlagerungssignal zu bilden.
Verschiedene Algorithmen, die in dem Radaranalyseverfahrensgebiet gut bekannt sind, können eingesetzt werden, um die Dopplerinformationen aus einem detektierten Signalverlauf zu entnehmen.
Um eine Tiefenlänge und eine Geschwindigkeitsinformation zu entnehmen, wird ein detektierter Signalverlauf mit einer Reihe von Vergleichmäßigungsfunktionen (dechirping functions) von „exp(–jKt²)” multipliziert, wobei sich die Vergleichmäßigungsfunktionen (de-chirping functions) mit einer proportionalen Konstante „K” verändern, und zweite Ordnungsphasen haben, die sich mit der Zeit verändern. Hierbei bezieht sich jeder Wert der proportionalen Konstante „K” auf eine andere Dopplergeschwindigkeit und eine bekannte Frequenzabtastung, und eine Fourier Transformation wird auf eine Reihe von entchirpten Wellenformen, die die FFT oder einen anderen einschlägigen Algorithmus verwenden, ausgeführt. Ebenfalls wird ein einschlägiger Doppler-Offset von einem Signal abgezogen, das aus einem Frequenzbereich umgewandelt wird, um einen Überlagerungsanteil in jedem Chirp-Parameter gemäß einer Tiefenlänge zu sichern. Dadurch erzeugt jedes Ziel ein Scheitelsignal von unterscheidbaren Punkten der Tiefen-Abstands-(Bereich)-Geschwindigkeits-Ebene.
Eine Reihe von gechirpten Impulsen kann auf ein Ziel einfallen, und reflektiertes Licht kann für eine Vielzahl von Impulsen verarbeitet werden, um Dopplerinformationen zu entnehmen, die ein ähnliches Verfahren bei einem 10,6 μm optischen Langstreckenradar zu verwenden.
Ebenfalls, wie bei FM-CW Techniken bekannt, kann ein Tiefenabstand und eine Dopplerinformation mittels Informationen gewonnen werden, die in einem gesamten Zeitraum einer Frequenzabtastung enthalten sind.
Wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewandt wird, wird eine Referenzfrequenz mehr als eine Frequenz verzögert, die aus einem Ziel für einen ersten hälftigen Zeitraum einer Frequenzabtastung übertragen wird. Wenn die Referenzfrequenz für einen zweiten hälftigen Zeitraum einer Frequenzabtastung monoton abfällt, wird die Referenzfrequenz weniger als die Frequenz verzögert, die aus dem Ziel übertragen wird. Deswegen, wenn das Ziel stationär ist, ist eine Frequenzdifferenz eines Überlagerungssignals eines Interferometers in zwei Teilen der Abtastung gleich. Jedoch, wenn sich das Ziel bewegt, wird eine Frequenz gemäß des Dopplereffektes verschoben. Dadurch verändert sich eine Differenz zwischen einer Referenzfrequenz und einer gemäß Dopplereffekt versetzten Frequenz einer verzögerten Trägerfrequenz unterscheidet sich bei zwei halben Zeiträumen der Frequenzveränderung.
Dementsprechend wird eine Tiefenposition eines Ziels entsprechend Spektren für zwei hälftige Zeiträume gesucht, und ein Durchschnitt von aufgrund Dopplereffekt verschobenen Positionen des Ziels wird eine Position des Ziels, und eine Differenz zwischen durchschnittlichen Spektren und individuellen Spektren wird eine Dopplerverschiebung.
Ein solches optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, kann bei einen Endoskop angewendt werden. Beispiele des Endoskops umfassen einen Handmesskopf, ein Laparoskop, ein chirurgisches Mikroskop, einen bildgebenden Katheter, einen integrierten Abbildungsmikrochip, einen biegsamen Katheter, usw.
Wenn ein optisches Abbildungssystem, das auf einer Frequenzbereichreflektometrie basiert, auf ein solches Endoskop angewandt wird, kann ein optisches Relaiselement auf einem Weg eines Abfragestrahls angeordnet werden, so dass der Abfragestrahl einen zu erfassenden Gegenstand erreicht. Wenn eine reflektive Platte mittels des Verfahrens geneigt wird, das bezüglich 2(a) oder 2(b) dargestellt ist, um einen Abfragestrahl quer durch ein Eingangsfenster eines Endoskops zu bewegen, wird der Abfrage strahl zu einem zu erfassenden Gegenstand durch ein optisches Relaissystem des Endoskops weitergeleitet. Der weitergeleitete Abfragestrahl läuft über den Gegenstand, um den Gegenstand abzutasten.
Auch kann ein Nadelgehäuse mit einer spitzen Spitze eingesetzt werden, um dem Endoskop zu ermöglichen, einfach in den Gegenstand einzudringen, und einen Einschnitt zu minimieren. Wenn das Nadelgehäuse eingesetzt wird, wird ein Vorderteil des Endoskops mit einer lichtdichten nadelförmigen Struktur blockiert, und somit ist es unmöglich oder schwer, eine Abtastung durch den Vorderteil des Endoskops auszuführen. Wenn es nicht einfach ist, eine Abtastung durch den vorderen Teil des Endoskops auszuführen, wird ein Strahldeflektor am Ende eines optischen Relaiselementes angeordnet, das auf einem Weg eines Abfragestrahls zur Weiterleitung des Abfragestrahls in eine vertikalen Richtung angeordnet wird, um den Weg des Abfragestrahls in eine vertikalen Richtung weiterzuleiten. Außerdem wird ein Fenster auf einer Seite eines Gehäuses ausgebildet, das das Nadelgehäuse oder das Endoskop einfasst. Dadurch wird eine Abtastung durch das Fenster ausgeführt. Hierbei kann der Strahldeflektor ein Spiegel, ein Prisma, oder Ähnliches, das den Abfragestrahl in einem vorbestimmten Winkel reflektieren, der senkrecht zu einer axialen Richtung des Endoskops ist. Eine reflektive Oberfläche des Strahldeflektors kann eine Krümmung oder ein optisches Element haben, das in der Lage ist, einen Abfragestrahl zu fokusieren, beispielsweise kann eine Kugellinse auf der reflektiven Oberfläche des Strahldeflektors angeordnet werden, um den Abfragestrahl zu einer angebrachten Position eines Gegenstandes weiterzuleiten, der erfasst wird.
Wie aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, kann ein polarisierter Laserstrahl in den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, oder ein Polarisator oder Ähnliches kann auf einem Weg eines Laserstrahls eingesetzt werden, um den Laserstrahl zu polarisieren. Außerdem kann ein Analysierer vor einem Lichtintegrator angeordnet werden, um ein Bild der Veränderungen eines polarisierten Standes eines Strahls z. B. Doppelbrechung entsprechend einem zu erfassenden Gegenstand zu gewinnen. Auch kann ein polarisierender Strahlteiler als ein Strahlteiler eingesetzt werden, und eine Wellenplatte (wave plate) kann auf dem Weg des Laserstrahls angeordnet werden, um den Laserstrahl effektiv aufzuteilen und polarisieren.
Wie oben beschrieben, kann in einem erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, kann ein Laserstrahl mit einer gechirpten Frequenz in einen Referenzstrahl und einen Abfragestrahl aufgeteilt werden. Außerdem können der Abfragestrahl, der von einem zu erfassenden Gegenstand, und der Referenzstrahl codiert werden, um ein Interferenzsignal zu erzeugen. Außerdem kann eine Frequenzdifferenz, die wegen einer Wegdifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Abfragestrahl entsteht, aus dem kodierten Interferenzsignal gewonnen werden, um ein kodiertes Muster zu bekommen, das durch Kodierung eines Querschnittsbildes entsprechend der Frequenzdifferenz und eines Fresnelzonenmusters ausgebildet wird. Dadurch hängt ein Tiefenbereich des Gegenstandes nicht von einem Rayleigh-Bereich einer Objektivlinse, sondern von einer Kohärenzlänge einer Laseremission ab. Demzufolge kann ein Bild mit einer hohen seitlichen Auflösung in dem Tiefenbereich, der zu der Kohärenzlänge eines Lasers gehört, d. h. einem gesamten Tiefenbereich, erhalten werden.
Auch wenn die vorliegende Erfindung besonders anhand der beispielhaften Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann klar, dass vielfältige Veränderungen in der Ausführungsform und in Einzelheiten ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der durch die nachfolgende Ansprüche beschrieben wird.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft ein optisches Abbildungssystem, das auf einer optischen Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, mit: einer Lichtquelle, die elektromagnetische Wellen erzeugt; einer Teilungseinheit, die die elektromagnetischen Wellen in einen ersten und einen zweiten Strahl aufteilt; einer Reflektierungseinheit, die den ersten Strahl reflektiert und die den reflektierten ersten Strahl an die Teilungseinheit weiterleitet; einer Objektivlinse, die den zweiten Strahl auf einen Gegenstand richtet, der erfasst wird soll; einem Fotodetektor, der ein Interferenzmuster in ein elektronisches Signal umwandelt, wobei der von der Reflektierungseinheit zurückgestrahlte erste Strahl mit dem von dem Gegenstand zurückgestrahlten zweiten Strahl interferiert, wobei das Interferenzmuster entsteht; und einer elektronischen Verarbeitungseinheit, die das elektronische Signal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes aus dem Interferenzmuster zu erzeugen. Demzufolge kann eine seitliche Auflösung verbessert und Rayleigh-limits überwunden werden.

Claims

Optisches Abbildungssystem, das auf einer optischen Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, mit: einer Lichtquelle, die elektromagnetische Wellen erzeugt; einer Teilungseinheit, die die elektromagnetischen Wellen in einen ersten und einen zweiten Strahl aufteilt; einer Reflektierungseinheit, die den ersten Strahl reflektiert und die den reflektierten ersten Strahl an die Teilungseinheit weiterleitet; einer Objektivlinse, die den zweiten Strahl auf einen Gegenstand richtet, der erfasst wird soll; einem Fotodetektor, der ein Interferenzmuster in ein elektronisches Signal umwandelt, wobei der von der Reflektierungseinheit zurückgestrahlte erste Strahl mit dem von dem Gegenstand zurückgestrahlten zweiten Strahl interferiert, wobei das Interferenzmuster entsteht; und einer elektronischen Verarbeitungseinheit, die das elektronische Signal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes aus dem Interferenzmuster zu erzeugen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Lichtquelle um einen Lasergenerator handelt, der elektronische Wellen mit einer zeitproportionalen Frequenz ausstrahlt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Teilungseinheit um eine Strahlteiler handelt, der einen Teil der elektromagnetischen Wellen reflektiert, um einen Referenzstrahl zu bilden, der der erste Strahl ist und der einen Teil der elektromagnetischen Wellen überträgt, um einen Abfragestrahl zu bilden, der der zweiten Strahl ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 3, wobei der vom Gegenstand reflektierte Abfragestrahl mit dem von der Reflektierungseinheit zurückgestrahlten Referenzstrahl durch den Strahlteiler interferiert, um ein Interferenzsignal zu bilden.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Fotodetektor um eine Fotodiode handelt, die ein elektronisches Signal entsprechend einer Musterintensität des Interferenzsignals zwischen dem Abfragestrahl und dem Referenzstrahl erzeugt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 5, das weiterhin einen Lichtintegrator aufweist, der zwischen dem Strahlteiler und dem Fotodetektor angeordnet ist und der den Referenzstrahl und den Abfragestrahl räumlich integriert, die den Strahlteiler durchquert haben.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, das weiterhin einen Kollimator aufweist, der die von der Lichtquelle ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen in parallele Strahlen umwandelt und die parallelen Strahlen zur Teilungseinheit weiterleitet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 3, wobei es sich bei der Reflektierungseinheit entweder um einen Reflektor oder um einen Konkavreflektor handelt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 8, wobei der von dem Reflektor zurückgestrahlte Referenzstrahl parallel verläuft.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 9, das weiterhin eine Referenzstrahllinse aufweist, die zwischen dem Strahlteiler und der Reflektierungseinheit angeordnet ist, um den zu dem Reflektor geleiteten Referenzstrahl in eine Kugelwelle umzuwandeln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 8, wobei der Konkavreflektor den Referenzstrahl reflektiert, der vom Strahlteiler zurückgestrahlt wird, um den Referenzstrahl in die Kugelwelle umzuwandeln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 8, wobei wenn es sich bei der Reflektierungseinheit um den Reflektor handelt, die Objektivlinse zwischen dem Strahlteiler und dem Gegenstand angeordnet ist, der erfasst wird.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 8, wobei wenn es sich bei der Reflektierungseinheit um den Konkavreflektor handelt, die Objektivlinse zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler angeordnet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei die elektronische Verarbeitungseinheit aufweist: einen AD-Wandler (ADC), der das Ausgangsstromsignal aus dem Fotodetektor abtastet, um das Stromsignal in ein digitales Signal umzuwandeln; und einen Signalprozessor, der entweder ein Signal aus dem AD-Wandler oder ein in einem Speicher abgelegten Signal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 14, wobei das Stromsignal ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittbildes des Gegenstandes gebildet ist, und ein Fresnelzonenmuster aufweist, das eine beschrankte Größe hat.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 15, wobei der Signalprozessor das kodierte Muster mit einer komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters faltet, um das Querschnittbild des Gegenstandes zu wiederherstellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 14, wobei die elektronische Verarbeitungseinheit weiterhin aufweist: ein Objektsgestellsteuergerät, das ein Steuersignal zur Positionsänderung des Objektsgestells erzeugt, auf dem der Gegenstand angeordnet ist, immer wenn der Signalprozessor Verarbeitungen über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig stellt, oder immer wenn der Speicher ein Signal über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig ablegt; und eine Anzeige, die ein Bild des Gegenstandes anzeigt, der durch den Signalprozessor verarbeitet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 14, wobei die elektronische Verarbeitungseinheit weiterhin aufweist: ein Steuergerät einer spiegelartigen Platte, das ein Steuersignal zur Positionsänderung einer spiegelartigen Platte erzeugt, die angrenzend an die Objektivlinse angeordnet ist, immer wenn der Signalprozessor Prozessen über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig stellt, oder immer wenn der Speicher ein Signal über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig ablegt; und eine Anzeige, die ein Bild des Gegenstandes anzeigt, das durch den Signalprozessor verarbeitet wurde.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei ein Relaissystem mindestens auf einer Seite eines Wegs der elektromagnetischen Wellen angeordnet ist, die aus der Lichtquelle ausgestrahlt werden, um die elektromagnetischen Wellen zu übermitteln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 19, wobei das Relaissystem mindestens auf einer Seite zwischen dem Strahlteiler und der Referenzstrahllinse, zwischen dem Strahlteiler und der Lichtquelle, oder zwischen dem Strahlteiler und der Objektivlinse angeordnet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 19, wobei das Relaissystem mindestens entweder eine Linse, oder ein Prisma, oder ein Spiegel, oder ein Bildübertragungselement aufweist, das in der Lage ist, entweder ein Bild oder ein Signal zu übermitteln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 3, das weiterhin ein Objektsgestell aufweist, auf dem der Gegenstand angeordnet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 22, das weiterhin eine erste und eine zweite spiegelartige Platte aufweist, die zwischen der Objektivlinse und dem Objektsgestell mit einer Neigung angeordnet sind, um einen Winkel mit einer optischen Achse der Objektivlinse zu bilden, und um jeden Winkel zur Änderung der Projektionslage des Abfragestrahls einzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 3, das weiterhin eine erste und eine zweite spiegelartige Platte aufweist, die zwischen dem Strahlteiler und der Objektivlinse mit einer Neigung angeordnet sind, um einen Winkel mit einer optischen Achse der Objektivlinse zu bilden, und um jeden Winkel zur Änderung der Projektionslage des Abfragestrahls einzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 14, das weiterhin ein Nebeninterferometer aufweist, das eine Nicht-Linearität der elektromagnetischen Wellen korrigiert, die aus der Lichtquelle ausgestrahlt werden.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 25, wobei das Nebeninterferometer aufweist: einen ersten optischen Koppler, der ein Teil der elektromagnetischen Wellen aufteilt, die aus der Lichtquelle ausgestrahlt werden; einen zweiten optischen Koppler, der einen Laserstrahl aufteilt, der von dem ersten optischen Koppler übertragen wird; und eine Fotodetektoreinheit, die die aus dem zweiten optischen Koppler ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen in ein Stromsignal umwandelt, um ein Nebeninterferenzsignal zu erzeugen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 26, wobei der AD-Wandler das Nebeninterferenzsignal aus der Fotodetektoreinheit und das Interferenzsignal aus dem Fotodetektor abtastet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 27, wobei der Signalprozessor eine neue Zeitachse bildet, um die Frequenzabtastung mittels des Nebeninterferenzsignals zu korrigieren, das durch den AD-Wandler abgetastet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 14, das weiterhin eine Leistungskalibrierunnseinheit aufweist, die eine Schwankung einer Intensität der elektromagnetischen Wellen während der Frequenzabtastung der elektromagnetischen Wellen dämpft.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 29, wobei die Leistungs Kalibrierunnseinheit aufweist, einen dritten optischen Koppler, der einen aus der Lichtquelle ausgestrahlten Laserstrahl aufteilt; einen Leistungsdetektor, der eine Ausgangsintensität des Laserstrahles misst; und einen Differenzialverstärker, der einen Unterschied zwischen dem Stromsignal aus dem Fotodetektor und der Leistungsintensität des Laserstrahls ausgibt, der durch den Leistungsdetektor gemessen wird.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 30, wobei eine Ausgabe des Leistungsdektors zu der Lichtquelle übertragen wird, um die Intensität der elektromagnetischen Wellen zu kalibrieren.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 31, wobei der AD-Wandler die Differenz aus dem Differenzialverstärker abtastet, und wobei der Signalprozessor die Differenz widerspiegelt, der durch den AD-Wandler abgetastet wird, um das von dem Fotodetektor gelieferte Stromsignal zu verarbeiten.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Linienumwandelungseinheit auf einem der Wege des Referenzstrahls, des Abfragestrahls und des Interferenzsignals angeordnet ist, um die elektromagnetischen Wellen in eine Linienform umzuwandeln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 33, wobei es sich bei einer Linienumwandlungseinheit entweder um ein optisches Element, oder um einen Schlitz, oder um eine Zylinderlinse handelt.
Optisches Abbildungssystem, das auf einer optischen Kohärenzfrequenzbereichsreflektometrie basiert, mit: einer Lichtquelle, die elektromagnetische Wellen erzeugt; einer Objektivlinse, die die elektromagnetische Welle in eine Kugelwelle umwandelt; einer Reflektierungseinheit, die einen Teil der elektromagnetischen Wellen reflektiert, um einen ersten Strahl zu bilden, und die einen Teil der elektromagnetischen Wellen übermittelt, um einen zweiten Strahl zu bilden; einer Überlagerungseinheit, die den von der Reflektierungseinheit reflektierten ersten Strahl mit dem zweiten Strahl überlagert, der von einem Gegenstand reflektiert wird, der erfasst wird, um ein Interferenzsignal zu erzeugen; einem Fotodetektor, der das Interferenzsignal in ein Stromsignal umwandelt; und einer elektronischen Verarbeitungseinheit, die das Stromsignal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes aus dem Interferenzsignal zu erzeugen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, wobei es sich bei der Lichtquelle um einen Lasergenerator handelt, der eine elektromagnetische Welle mit einer zeitproportionalen Frequenz ausstrahlt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, wobei es sich bei der Überlagerungseinheit um einen Strahlteiler handelt, der einen Referenzstrahl reflektiert, bei dem es sich um den ersten Strahl, der die Objektivlinse durchquert hat, und einen Abfragestrahl handelt, bei dem es sich um den zweiten Strahl handelt, und der die reflektierten Referenz- und den Abfragestrahlen an den Fotodetektor liefert.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 37, das weiterhin einen Lichtintegrator aufweist, der zwischen dem Strahlteiler und dem Fotodetektor angeordnet ist, und der den Referenzstrahl und den Abfragestrahl räumlich integriert, der den Strahlteiler durchquert hat.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, das weiterhin einen Kollimator aufweist, der die elektromagnetischen Wellen aus der Lichtquelle in parallele Strahlen umwandelt, und der die parallelen Strahlen zu dem Strahlteiler leitet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, wobei es sich bei der Reflektierungseinheit entweder um einen Teilreflektor oder um einen Teilkonkavreflektor handelt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 40, wo der Teilreflektor und der Konkavteilreflektor parallel zu der Objektivlinse angeordnet sind.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 41, wobei die Objektivlinse zwischen dem Strahlteiler und dem Objektgestell angeordnet ist, wenn es sich bei der Reflektierungseinheit um den Teilreflektor handelt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 41, wobei die Objektivlinse zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler angeordnet ist, wenn es sich bei der Reflektierungseinheit um den Konkavteilreflektor handelt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 37, wobei es sich bei dem Photodetektor um eine Photodiode handelt, die entsprechend einer Intensität eines Interferenzsignalmusters zwischen dem Anfragestrahl und dem Referenzstrahl ein Stromsignal erzeugt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, wobei die elektronische Verarbeitungseinheit aufweist: einen AD-Wandler, der das Stromsignal aus dem Fotodetektor abtastet, um das Stromsignal in ein digitales Signal umzuwandeln; und einen Signalprozessor, der entweder ein Signal aus dem AD-Wandler oder ein in einem Speicher abgelegtes Signal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 45, wobei das Stromsignal ein kodiertes Muster aufweist, das durch Kodierung eines Querschnittbildes des Gegenstandes und ein Fresnelzonenmuster gebildet ist, das eine beschränkte Größe hat.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 46, wobei der Signalprozessor das kodierte Muster mit einer komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters faltet, um das Querschnittbild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 45, wobei die elektronische Verarbeitungseinheit weiterhin aufweist: ein Objektgestellsteuergerät, das ein Steuerungssignal zur Positionsänderung eines Objektsgestells erzeugt, auf das der Gegenstand angeordnet ist, immer wenn der Signalprozessor die Verarbeitungen über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig stellt, oder wenn der Speicher ein Signal über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig ablegt; und eine Anzeige, die ein Bild des Gegenstandes anzeigt, das durch den Signalprozessor verarbeitet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 45, wobei die elektronische Verarbeitungseinheit weiterhin aufweist: eine Spiegelplattensteuergerät, das ein Steuerungssignal zur Positionsänderung einer spiegelartigen Platte erzeugt, die an die Objektivlinse angrenzt ist, immer wenn der Signalprozessor die Verarbeitungen über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig stellt, oder wenn der Speicher ein Signal über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig ablegt; und eine Anzeige, die ein Bild des Gegenstandes anzeigt, das von dem Signalprozessor verarbeitet wurde.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, wobei ein Relaissystem mindestens auf einer Seite zwischen dem Strahlteiler und dem Lichtintegrator oder zwischen dem Strahlteiler und der Objektivlinse angeordnet ist, um die elektromagnetische Welle zu übertragen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 50, wobei das Relaissystem mindestens entweder eine Linse, oder ein Prisma, oder einen Spiegel, oder ein Bildübertragungselement aufweist, das in der Lage ist, entweder ein Bild oder ein Signal zu übertragen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, das weiterhin ein Objektsgestell aufweist, auf dem der Gegenstand angeordnet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 52, das weiterhin eine erste und eine zweite spiegelartige Platte, die zwischen der Objektivlinse und dem Objektsgestell mit einer Neigung angeordnet sind, um einen Winkel mit einer optischen Achse der Objektivlinse zu bilden, und um jeden Winkel zur Änderung der Projektionslage des Abfragestrahls einzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, das weiterhin eine erste und eine zweite spiegelartige Platte aufweist, die zwischen dem Strahlteiler und der Objektivlinse mit einer Neigung angeordnet sind, um einen Winkel mit einer optischen Achse der Objektivlinse zu bilden, und um jeden Winkel zur Änderung einer Projektionslage des Abfragestrahls einzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, das weiterhin ein Nebeninterferometer aufweist, das eine Nicht-Linearität der elektromagnetischen Wellen korrigiert, die aus der Lichtquelle ausgestrahlt werden.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 55, wobei das Nebeninterferometer aufweist: einen ersten optischen Koppler, der ein Teil der elektromagnetischen Wellen aufteilt, die aus der Lichtquelle ausgestrahlt werden; einen zweiten optischen Koppler, der einen Laserstrahl aufteilt, der von dem ersten optischen Koppler übertragen wird; und eine Fotodetektoreinheit, die die aus dem zweiten optischen Koppler ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen in ein Stromsignal umwandelt, um ein Nebeninterferenzsignal zu erzeugen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 56, wobei der AD-Wandler das Nebeninterferenzsignal aus der Fotodetektoreinheit und das Interferenzsignal aus dem Fotodetektor abtastet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 57, wobei der Signalprozessor zum Korrigieren der Frequenzabtastung mittels des durch den AD-Wandler abgetasteten Nebeninterferenzsignals eine neue Zeitachse bildet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 35, das weiterhin eine Leistungskalibrierungseinheit aufweist, die eine Schwankung einer Intensität der elektromagnetischen Wellen während der Frequenzabtastung der elektromagnetischen Wellen dämpft.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 59, wobei die Leistungkalibrierungnseinheit aufweist: einen dritten optischen Koppler, der einen Laserstrahl aus der Lichtquelle aufteilt; einen Leistungsdetektor, der eine Ausgangsintensität des Laserstrahls misst; und einen Differenzialverstärker, der einen Unterscheid zwischen dem Stromsignal aus dem Fotodetektor und der Ausgangsintensität des Laserstrahls ausgibt, der durch den Leistungsdetektor gemessen wurde.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 60, wobei eine Ausgabe des Leistungsdetektors zu der Lichtquelle übertragen wird, um die Intensität der elektromagnetischen Welle zu kalibrieren.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 61, wobei der AD-Wandler die Differenz aus dem Differenzialverstärker abtastet, und wobei der Signalprozessor die Differenz widerspiegelt, der durch den AD-Wandler abgetastet wird, um das aus dem Fotodetektor gelieferte Stromsignal zu verarbeiten.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 37, wobei eine Linieumwandlungseinheit auf eine von Ausstrahlungsstrecken des Referenzstrahls, des Abfragestrahls und des Interferenzsignals angeordnet ist, um die elektromagnetische Welle in eine Linieform umzuwandeln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 34, wobei es sich bei einer Linieumwandelungseinheit entweder um ein optisches Element, oder um einen Schlitz, oder um eine Zylinderlinse handelt.
Optisches Abbildungssystem, das auf einer Kohärenzfrequenzbereichreflektometrie basiert, mit: einer Lichtquelle, die eine elektromagnetische Welle erzeugt; einem optischen Koppler, der die elektromagnetische Welle aus der Lichtquelle in eine Mehrzahl von elektronischen Wellen aufteilt; einem ersten und einem zweiten Kollimator, der die elektromagnetischen Wellen empfängt, die durch den optischen Koppler aufgeteilt wurden, der die elektromagnetischen Wellen in einen ersten und einen zweiten Strahl aufteilt, und der den ersten und den zweiten Strahlen in parallele Strahlen umwandelt; einer Referenzstrahllinse, die den ersten Strahl in eine Kugelwelle umwandelt; einer Objektivlinse, die den zweiten Strahl in eine Kugelwelle umwandelt, und die die Kugelwelle auf einen Gegenstand richtet, der erfasst wird; einer Überlagerungseinheit, die den ersten und den zweiten Strahl miteinander überlagert, um ein Interferenzsignal zu erzeugen; einem Fotodetektor, der das Interferenzsignal in ein Stromsignal umwandelt; und einer elektronischen Verarbeitungseinheit, die das Stromsignal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes vom Interferenzsignal zu erzeugen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 65, wobei es sich bei der Lichtquelle um einen Lasergenerator handelt, der eine elektromagnetische Welle ausstrahlt, die eine zeitproportionale Frequenz hat.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 65, wobei es sich bei der Überlagerungseinheit um einen Strahlteiler handelt, der einen Referenzstrahl, bei dem es sich um den ersten Strahl aus der Referenzstrahllinse handelt, mit einem Abfragestrahl überlagert, bei dem es sich um den von dem Gegenstand reflektierten zweiten Strahl handelt, der den reflektierten Referenzstrahl und den Abfragestrahl zur Fotodiode leitet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 67, das weiterhin einen Lichtintegrator aufweist, der zwischen dem Strahlteiler und dem Fotodetektor angeordnet ist, und der den Referenzstrahl und den Abfragestrahl, die den Strahlteiler durchquert, räumlich integrieren.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 65, wobei die Objektivlinse zwischen dem zweiten Kollimator und dem Strahlteiler, oder zwischen dem Strahlteiler und dem Gegenstand angeordnet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 67, wobei es sich bei dem Photodetektor um eine Photodiode handelt, die entsprechend einer Intensität eines Interferenzsignalmusters zwischen dem Anfragestrahl und dem Referenzstrahl ein Stromsignal erzeugt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 67, wobei die elektronische Verarbeitungseinheit aufweist: einen AD-Wandler, der das Stromsignal aus dem Fotodetektor in ein digitales Signal umwandelt; und einen Signalprozessor, der entweder ein Signal aus dem AD-Wandler oder ein in einem Speicher abgelegtes Signal verarbeitet, um ein Bild des Gegenstandes wiederherzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 71, wobei das Stromsignal ein kodiertes Muster, das durch Kodierung eines Querschnittbildes des Gegenstandes gebildet ist, und ein Fresnelzonenmuster aufweist, das eine beschrankte Größe hat.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 72, wobei der Signalprozessor das kodierte Muster mit einer komplexen Konjugation des Fresnelzonenmusters faltet, um das Querschnittbild des Gegenstandes zu wiederherstellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 71, wobei die elektronische Verarbeitungseinheit weiterhin aufweist: ein Objektsgestellsteuergerät, das ein Steuersignal zur Positionsänderung des Objektsgestells erzeugt, auf dem der Gegenstand angeordnet ist, immer wenn der Signalprozessor Prozessen über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig stellt, oder immer wenn der Speicher ein Signal über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig ablegt; und eine Anzeige, die ein Bild des Gegenstandes anzeigt, der durch den Signalprozessor verarbeitet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 71, wobei der elektronische Verarbeitungseinheit weiterhin aufweist: ein Steuergerät einer spiegelartigen Platte, das ein Steuersignal zur Positionsänderung einer spiegelartigen Platte erzeugt, die angrenzend an die Objektivlinse angeordnet ist, immer wenn der Signalprozessor Prozessen über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig stellt, oder immer wenn der Speicher ein Signal über eine willkürliche Position des Gegenstandes fertig ablegt; und eine Anzeige, die ein Bild des Gegenstandes anzeigt, der durch den Signalprozessor verarbeitet wird.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 68, wobei das Relaissystem mindestens auf einer Seite zwischen dem Strahlteiler und der Referenzstrahllinse, zwischen dem Strahlteiler und der Lichtquelle, oder zwischen dem Strahlteiler und der Objektivlinse angeordnet ist, um die elektromagnetische Welle zu übermitteln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 76, wobei das Relaissystem mindestens entweder eine Linse, oder ein Prisma, oder ein Spiegel, oder ein Bildübertragungselement aufweist, das in der Lage ist, entweder ein Bild oder ein Signal zu übermitteln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 65, das weiterhin ein Objektsgestell aufweist, auf das der Gegenstand angeordnet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 78, das weiterhin eine erste und eine zweite spiegelartige Platte aufweist, die zwischen der Objektivlinse und dem Objektsgestell mit einer Neigung angeordnet sind, um einen Winkel mit einer optischen Achse der Objektivlinse zu bilden, und um jeden Winkel zur Änderung der Projektionslage des Abfragestrahls einzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 65, das weiterhin eine erste und eine zweite spiegelartige Platte aufweist, die zwischen dem Strahlteiler und der Objektivlinse mit einer Neigung angeordnet sind, um einen Winkel mit einer optischen Achse der Objektivlinse zu bilden, und um jeden Winkel zur Änderung der Projektionslage des Abfragestrahls einzustellen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 65, das weiterhin ein Nebeninterferometer aufweist, das eine Nicht-Linearität der elektromagnetischen Wellen korrigiert, die aus der Lichtquelle ausgestrahlt werden.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 81, wobei das Nebeninterferometer aufweist: einen ersten optischen Koppler, der ein Teil der elektromagnetischen Wellen aufteilt, die aus der Lichtquelle ausgestrahlt werden; einen zweiten optischen Koppler, der einen Laserstrahl aufteilt, der von dem ersten optischen Koppler übertragen wird; und eine Fotodetektoreinheit, die die aus dem zweiten optischen Koppler ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen in ein Stromsignal umwandelt, um ein Nebeninterferenzsignal zu erzeugen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 82, wobei der AD-Wandler das Nebeninterferenzsignal aus der Fotodetektoreinheit und das Interferenzsignal aus dem Fotodetektor abtastet.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 83, wobei der Signalprozessor eine neue Zeitachse bildet, um die Frequenzabtastung mittels des Nebeninterferenzsignals zu korrigieren, das durch den AD-Wandler abgetastet wurde.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 65, das weiterhin eine Leistungskalibrierungseinheit aufweist, die eine Schwankung einer Intensität der elektromagnetischen Wellen während der Frequenzabtastung der elektromagnetischen Wellen dämpft.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 85, wobei die Leistungkalibrierungseinheit aufweist: einen dritten optischen Koppler, der einen Laserstrahl aus der Lichtquelle aufteilt; einen Leistungsdetektor, der eine Ausgangsintensität des Laserstrahls misst; und einen Differenzialverstärker, der einen Unterscheid zwischen dem Stromsignal aus dem Fotodetektor und der Ausgangsintensität des Laserstrahls ausgibt, der durch den Leistungsdetektor gemessen wird.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 86, wobei eine Ausgabe des Leistungsdektors zu der Lichtquelle übertragen wird, um die Intensität der elektromagnetischen Wellen zu kalibrieren.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 87, wobei der AD-Wandler die Differenz aus dem Differenzialverstärker abtastet, und wobei der Signalprozessor die Differenz widerspiegelt, der durch den AD-Wandler abgetastet wird, um das von dem Fotodetektor gelieferte Stromsignal zu verarbeiten.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 67, wobei eine Linienumwandelungseinheit auf einem der Wege des Referenzstrahls, des Abfragestrahls und des Interferenzsignals angeordnet ist, um die elektromagnetischen Wellen in eine Linienform umzuwandeln.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 89, wobei es sich bei einer Linienumwandlungseinheit entweder um ein optisches Element, oder um einen Schlitz, oder um eine Zylinderlinse handelt.