DE19504444B4

DE19504444B4 - Interferometeranordnung mit verstellbarer optischer Weglängendifferenz

Info

Publication number: DE19504444B4
Application number: DE19504444A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.rer.nat. Menlo Park Dorsel; Beate Dipl.-Phys. Möller; Günter Dipl.-Ing. Maschke; Karl-Heinz Dr.Rer.Nat. Donnerhacke
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1995-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2015-02-11
Also published as: GB9602274D0; GB2297838A; JPH08320260A; GB2297838B; DE19504444A1; US5719673A

Abstract

Interferometeranordnung mit verstellbarer optischer Weglängendifferenz in mindestens einem Interferometerarm (1, 3) und einem ersten photoelektrischen Empfänger (17) zur Erfassung der mittels des Interferometers erzeugten Interferenzsignale, wobei ein mit Mitteln (18) zur Änderung der optischen Weglängendifferenz gekoppelter Inkrementalgeber (22, 23, 24, 25, 26) vorgesehen ist, der ein Referenzsignal erzeugt, das abhängig von der Geschwindigkeit der Änderung der optischen Weglängendifferenz seine Frequenz wie die des Interferenzsignals ändert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Interferometeranordnung mit verstellbarer optischer Weglängendifferenz.
In der DE 35 26 628 A1 ist eine Interferometeranordnun beschrieben, bei der die Verstellung der optischen Weglängendifferenz durch eine Verdrehung einer gekoppelten Spiegelanordnung realisiert wird. Dadurch wird erreicht, dass das Ausgangslichtbündel des Interferometers raumfest gehalten wird und so stets an der gleichen Stelle auf den Detektor trifft. Für die vorliegende Erfindung ist diese Forderung nicht relevant.

Es ist beispielsweise bereits bekannt ( DE 3201801 A1 ), das von einer ersten Grenzfläche des Auges reflektierte Licht einer Lichtquelle kurzer Kohärenzlänge mit dem von einer weiteren Grenzfläche reflektierten Licht über eine interferometrische Anordnung in einem Beobachtungsstrahlengang zu vereinigen, wobei über einen verschiebbaren Spiegel die optische Weglängendifferenz zwischen den reflektierten Lichtanteilen kompensiert wird.

Die Verschiebung des Spiegels ist hierbei das Maß für den Abstand zwischen den untersuchten Grenzflächen.

Weiterhin ist es, beispielsweise aus " Lasers in Surgery and Medicine" 13:447-452(1993), bekannt, einen Beleuchtungsstrahlengang, beispielsweise mittels einer Laserdiode, über eine interferometrische Anordnung mit einstellbarer Weglängendifferenz zwischen den interferometrischen Teilstrahlen, auf das Auge zu richten und den Interferenzkontrast der auftretenden Interferenzen der vom Auge reflektierten Strahlungsanteile in Abhängigkeit von der Verstellung der Weglängendifferenz mittels einer Photodetektoranordnung zu detektieren.

Die Einstellung der Weglängendifferenz erfolgt hierbei mittels eines in einem Interferometerarm motorisch verschiebbaren Reflektors, beispielsweise eines Tripelprismas.

Durch die geringe Reflektivität der zu vermessenden Grenzschichten ist die Intensität der zu detektierenden Interferenzsignale sehr gering und mit Rauschen überlagert.

Das Meßsignal soll nunmehr selektiv nachgewiesen werden.

Wenn der verschiebbare Reflektor mit einer Geschwindigkeit v bewegt wird, hat das zu detektierende Meßsignal die Frequenz f_s = 2v/λ, und ist entsprechend der Kohärenzlänge der Lichtquelle amplitudenmoduliert, wobei λ die Wellenlänge der kurzkohärenten Lichtquelle ist.

Dem bekannten und naheliegenden Ansatz, das Meßsignal durch Benutzung von schmalbandigen elektronischen Filtern zu selektieren, stehen Schwankungen der Geschwindigkeit, mit der sich der optische Gangunterschied im Interferometer und damit die Signalfrequenz f_s ändert, entgegen. Dabei führen auch kurzzeitige Geschwindigkeitsschwankungen dazu, daß die Signalfrequenz außerhalb der Filterbandbreite liegt und das Meßsignal nicht oder verfälscht detektiert werden kann.

Eine hochgenaue Regelung des Motorantriebs, der beispielsweise ein Tripelprisma zur Verstellung der optischen Weglängendifferenz antreibt, ist sehr aufwendig, wenn sie die erforderliche Konstanz der Geschwindigkeit auch im Bereich relativ hoher Frequenzanteile (100 Hz und mehr) sicherstellen soll.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, mit geringem Aufwand ein unverfälschtes Meßsignal zu erhalten.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Mittels eines Gittergebers wird aus der Bewegung des zur Änderung des Gangunterschiedes bewegten Spiegels bzw. Retroreflektors direkt ein Referenzsignal abgeleitet.

Durch geeignete Auslegung des Gittergebers wird vorteilhaft z.B. erreicht, daß die Periode dieses Referenzsignals den gleichen Wert hat wie die des Meßsignals.

Da der Gittergeber die Änderung der Weglängendifferenz im Interferometer unmittelbar erfaßt, wirken sich Schwankungen der Geschwindigkeit auf die Referenzfrequenz und auf die Frequenz des Meßsignals gleichermaßen aus.

So kann die Referenzfrequenz zur Demodulation des Meßsignals benutzt werden.

Da die Phasenlage des Meßsignals gegenüber dem Referenzsignal aber unbekannt ist, kann hier kein Demodulator im üblichen Sinne verwendet werden. Es handelt sich vielmehr um eine Anordnung zur Demodulation in zwei um 90 Grad phasenverschobenen Kanälen und anschließender Koordinatentransformation.

Die Periode des Gittergebers (Maßstabsgitter) kann auch ein Vielfaches oder ein Bruchteil der Signalfrequenz sein. In diesem Fall erfolgt die Erzeugung eines Referenzsignals gleicher Frequenz wie das Meßsignal durch elektronische Interpolation oder Teilung.

Die Periode des Gittergebersignals sollte jedoch kleiner als die Periode der Geschwindigkeitsänderungen sein, damit diese vollständig erfaßt werden können.

Bei einem längs des Strahls im Interferometer verfahrenden Spiegel oder Retroreflektor entspricht eine Periode des Meßsignals einer halben mittleren Wellenlänge des Lichtes der kurzkohärenten Lichtquelle.

In diesem Falle ist vorteilhaft ein interferometrischer Gittergeber einsetzbar, dessen Signalperiode ebenfalls eine halbe Wellenlänge beträgt.

Dies ist mit einem Gittergeber möglich, dessen Gitterkonstante G gleich der mittleren Wellenlänge der kurzkohärenten Lichtquelle ist und an dem die +1. und -1. Ordnung zur Interferenz gebracht werden.

Dann ergibt sich die Frequenz f_g des Gittergebersignals aus f_g = 2v/G, wobei v die Verfahrgeschwindigkeit bezeichnet.

Da die mittlere Wellenlänge unter Umständen exemplarisch schwankt, kann es sinnvoll sein, einen Gittergeber mit einer Gitterkonstanten, die der kürzesten zu erwartenden mittleren Wellenlänge entspricht, zu verwenden und für andere Wellenlängen den gesamten Gittergeber (z.B. bei einem Zweigittergeber Referenz- und Maßstabsgitter) gegen die Verfahrrichtung zu verdrehen.

In diesem Fall muß das Maßstabsgitter ausgedehnt genug sein, um ein Auswandern aus dem geteilten Bereich zu vermeiden.

Natürlich sind auch Mehrgittergeber einsetzbar.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Auflichtgittergebern, aber auch Durchlichtgittergeber können eingesetzt werden.

Die Signalauswertung kann auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise mit einem digitalen Rechenwerk . Beispielsweise kann man zunächst Referenzsignal und Meßsignal digitalisieren und dann mit einem digitalen Rechenwerk die phasenempfindliche Gleichrichtung in zwei um 90 Grad phasenverschobenen Kanälen und Mittelung (Tiefpaß) mit anschließender Koordinatentransformation von kartesischen in Polarkoordinaten realisieren. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nur die Koordinatentransformation mit einem digitalen Rechenwerk durchzuführen.

Weitere Wirkungen und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
1: Einen Interferometeraufbau zur Messung des Abstandes zwischen verschiedenen Schichten im menschlichen Auge.
2: Eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung
3a,b: Den Aufbau einer Anordnung zur Demodulation in zwei um 90 Grad phasenverschobenen Kanälen mit anschließender Koordinatentransformation.
Ein Strahlteiler 1 bildet mit Tripelprisma 2 sowie einem verschiebbaren Tripelprisma 3 eine Interferometeranordnung, in die über einen weiteren Strahlteiler 5 wahlweise das Licht einer Superlumineszenzdiode 4 oder einer Laserdiode 6 als Meß- bzw. als Einstellichtquelle eingestrahlt wird.
Über eine Blende 7 sowie eine Planplatte 8 zur Ausblendung eines Kontrollanteils auf eine Photodiode 9 gelangt das Beleuchtungslicht über einen Polarisationsstrahlteiler 10 und eine λ/4-Platte 11 auf das Auge 12.
Das vom Auge reflektierte Licht wird über den Polarisationsstrahlteiler 10 und ein Abbildungssystem 14 über einen Strahlteiler 15 in eine Beobachtungsebene bzw. auf einen Photodetektor 17, vorzugsweise eine Avalanche- Photodiode, abgebildet.
Die Lichtquellen 4 und 6, eine Verschiebeeinrichtung 18 zur Verschiebung des Tripelprismas 3, sowie die Photodetektoren 9, 17 sind mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 19 gekoppelt, die wiederum mit externen Speichern 20 sowie Drucker 21 verbunden sein kann.
In 2 sind schematisch die erfindungswesentlichen Elemente dargestellt.
Einer weiteren Laserdiode 22 ist ein mit der Verschiebeeinrichtung 18 bezüglich seines beweglichen Maßstabsgitters starr gekoppelter Gittergeber 24 zugeordnet.
Das Licht der Laserdiode 22 wird mittels eines Kollimators 23 aufgeweitet und trifft als paralleles Strahlenbündel auf einen Gittergeber 24, der aus einem über die Verschiebeeinrichtung beweglichen Maßstabsgitter 24a und einem feststehenden Referenzgitter 24b besteht.
Das entstehende Hell-Dunkel-Signal gelangt auf einen lichtelektrischen Empfänger 25 (Photodiode) mit integriertem Verstärker.
Das am Empfänger 25 entstehende Referenzsignal ist ein Sinussignal gleicher Frequenz wie das Meßsignal, das am Ausgang des Empfängervorverstärkers der APD 17 entsteht und mit Rauschen überlagert ist.
Beide Signale gelangen auf eine Anordnung 26 zur Demodulation in zwei um 90 Grad phasenverschobenen Kanälen mit anschließender Koordinatentransformation, die die Hüllkurve des amplitudenmodulierten Meßsignals, die proportional dem Interferenzkontrast ist, herstellt.
Das Ausgangssignal der Anordnung zur Demodulation in zwei um 90 Grad phasenverschobenen Kanälen mit anschließender Koordinatentransformation wird einem A/D-Wandler 27 zugeführt und nach Digitalisierung im PC 19 abgespeichert. Das durch den Inkrementalgeber des Motors der Verschiebeeinrichtung 18 erzeugte Signal wird gleichfalls dem PC zugeführt, so daß nunmehr die Hüllkurve des Meßsignals als Funktion des Verschiebeortes darstellbar ist. Vorteilhaft ist auch die Verwendung des Signals vom Gittergeber zur Aufzeichnung des Verschiebeortes.
In 3a ist eine besonders vorteilhafte Funktionsweise der Anordnung zur Demodulation in zwei um 90 Grad phasenverschobenen Kanälen mit anschließender Koordinatentransformation dargestellt.
Das mit Rauschen überlagerte Meßsignal von der APD 17 durchläuft einen breitbandigen Verstärker 37 und gelangt auf jeweils einen Eingang von zwei Doppelbalancemischern (DBM) 28 und 29. Das Referenzsignal von Empfänger 25 gelangt auf einen breitbandigen Phasenschieber 30, der zwei zueinander um 90 Grad phasenverschobene Signale (Sinus und Cosinus) erzeugt, die ebenfalls auf jeweils einen Eingang der Doppelbalancemischer 28 und 29 gelangen. Wenn durch den Gittergeber bereits zwei um 90 Grad phasenverschobene sinusförmige oder rechteckförmige Signale erzeugt werden, können diese ohne Phasenschieber direkt auf die DBM 28,29 gelangen.
In den DBM 28,29 werden die Eingangssignale miteinander gemischt, d.h. multipliziert bzw. phasenempfindlich gleichgerichtet.
Die Ausgangssignale der DBM 28,29 werden über Tiefpässe 31,32 von den Trägerfrequenzresten befreit.
Die nach den Tiefpässen 31,32 entstehenden Signale durchlaufen gemäß 3b jeweils Quadrierer 33, 34, deren Signale zusammengeführt und damit summiert werden.
Die Summe der quadrierten Signale kann auf einen Radizierer übertragen werden.
Das entstehende Ausgangssignal ist die Hüllkurve des Meßsignales der APD und gelangt auf den A/D-Wandler gemäß 2 .
Der Rechner 19 steuert das Einschalten der Lichtquellen 4 und 6 sowie das Verfahren des Motors der Verschiebeeinrichtung 18, wobei gleichzeitig die digitalisierten Werte erfaßt und bildlich dargestellt werden.

Claims

Interferometeranordnung mit verstellbarer optischer Weglängendifferenz in mindestens einem Interferometerarm (1, 3) und einem ersten photoelektrischen Empfänger (17) zur Erfassung der mittels des Interferometers erzeugten Interferenzsignale, wobei ein mit Mitteln (18) zur Änderung der optischen Weglängendifferenz gekoppelter Inkrementalgeber (22, 23, 24, 25, 26) vorgesehen ist, der ein Referenzsignal erzeugt, das abhängig von der Geschwindigkeit der Änderung der optischen Weglängendifferenz seine Frequenz wie die des Interferenzsignals ändert.
Interferometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verschiebeeinheit (18) zur Änderung der optischen Weglängendifferenz vorgesehen ist, die mit dem beweglichen Maßstabsgitter (24a) eines Gittergebers starr verbunden ist, der sich im Strahlengang einer Lichtquelle (22) befindet und dem ein zweiter photoelektrischer Empfänger (25) zugeordnet ist, wobei erster (17) und zweiter (25) photoelektrischer Empfänger mit einer Auswerteeinheit (19) verbunden sind.
Interferometeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Auswerteeinheit (19) mit einem Rechner verbunden ist.
Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Gittergebers die gleiche Periode wie das Interferenzsignal hat.
Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante des beweglichen Gitters (24a) etwa der Meßwellenlänge entspricht, wobei die Interferenz der -1. und + 1. Ordnung detektiert wird.
Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das vom ersten photoelektrischen Empfänger (17) erzeugte Meßsignal sowie das von dem dem Gittergeber nachgeordneten zweiten photoelektrischen Empfänger (19) erzeugte Referenzsignal auf eine Anordnung (26) zur Demodulation in zwei um 90 Grad phasenverschobenen Kanälen mit anschließender Koordinatentransformation geführt werden, die über einen A/D-Wandler (27) mit einem Auswerterechner (19) verbunden ist.
Interferometeranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Demodulation (26) in zwei um 90 Grad phasenverschobenen Kanälen mit anschließender Koordinatentransformation aus einem ersten und zweiten multiplikativen Mischer (MM) besteht, wobei das Referenzsignal aus zwei um 90 Grad phasenverschobenen Anteilen besteht und der erste Anteil auf einen Eingang des ersten MM und der zweite Anteil auf einen Eingang des zweiten MM gelangt, das Meßsignal über einen breitbandigen Verstärker (37) auf den jeweils anderen Eingang der Doppelbalancemischer (28, 29) gelangt und die Signale der MM über Tiefpässe und eine Anordnung zur Koordinatentransformation von kartesischen in Polarkoordinaten auf den A/D-Wandler geführt werden.
Interferometeranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den MM ein breitbandiger 90 – Grad- Phasenschieber (30) vorgeordnet ist.
Interferometeranordnung nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Koordinatentransformation aus zwei Quadrierern besteht, deren Signale zusammengeführt und einem Radizierer zugeführt werden.
Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch ihre Anwendung auf die interferometrische Erfassung des Abstandes zwischen verschiedenen Schichten des lebenden Auges.
Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der multiplikative Mischer ein Doppelbalancemischer ist.